我国超高压直流联网输电的必然性

【摘 要】本文从直流联网输电，我国目前500kV和800kV直流输电情况，交流输电的稳定性问题，直流输电与交流输电的比较几个方面分析直流输电的必然性。直流输电没有系统稳定问题，它便于远距离大容量的输电和两系统的联网。同材质同截面下，双极直流输电和三相导线的交流输电线路总输送的功率大致相等。直流输电线可节省大量的金属、绝缘费用，包括杆塔的造价费用，大概可节省三分之一。直流输电的线损是交流线损的三分之二，更有节能环保意义。

【关键词】直流输电；交流输电；稳定性；输送功率；线损；比较

1.直流输电联网的提出

交流电力系统稳定运行的重要标志是，电力系统内的所有同步发电机都要同步运行。也就是所有的并列运行的发电机都要有相同的电角速度。当系统输送容量越来越大、输电的距离越来越长、间歇性电源如风电和光电等并网的不断扰动，稳定问题将可能出现。

为了解决稳定问题，我们可以采取多种措施，包括采用交流超高压和交流特高压输电措施。为什么我们还要采用直流超高压或直流特高压来输电。直流输电有着能解决两网不同步并网问题，以及其输电的经济性。

2.我国部分地区目前500kV和800kV直流输电情况

2.1上海直流输电情况

1990年投运的我国第一条±500kV葛洲坝至上海直流输电线路、输电距离1045km，输电容量120万千瓦，实现了华中和华东两大电网的非同步互联。由于输送容量的限制，2008年国家电网对其进行改造，现±500kV葛洲坝至上海直流输电线路、输电距离976km，输电容量300万千瓦，2010投运。

2007年年底投运的三峡电厂至上海±500kV直流超高压输电线路，额定输送容量为300万千瓦，输电距离1040km。它是三峡右岸电厂电力外送的主要通道之一。

2010年7月四川向家坝至上海±800千伏特高压直流输电示范工程投入运行，输送能力达700万千瓦级，线路全长1907km，是迄今为止世界上电压等级最高、输送容量最大、送电距离最远、技术最先进的特高压直流输电工程。

三大直流输电工程向上海输送1300万千瓦功率，给上海的经济建设带来充足的能源。

2.2南方电网直流输电情况

2001年6月投运的天生桥至广州±500kV直流输电工程是继葛洲坝至上海±500kV直流输电工程之后我国又一个跨省区的大型直流输电工程 ， 天生桥在云南和广西交接处，，工程全长980km，输送容量180万千瓦。天生桥至广东有“三交流和一直流”输电线路。

2004年4月年三峡至广东± 500k V直流输电工程，输电容量 300万千瓦，输电距离 941km。

2007年12月22日贵州至广东二回±500千伏直流输电工程，线路全长1194km公里，额定容量300万千瓦。

2009年12云南至广东±800千伏特高压直流输电示范工程，输电距离1438km，容量为500万千瓦。

外网向广东输送了1280万千瓦功率，给广东的经济建设带来充足的能源。

2.3 其它电网直流联网情况

2005年7月华中与西北联网是我国第一条背靠背直流联网，输送容量36万千瓦；2009年12月扩建投运，输送容量111万千瓦。2008年11月投运的东北与华北联网是我国另一条背靠背直流联网，输送容量150万千瓦；2012年11月扩建投运，输送容量300万千瓦。

3. 交流输电的稳定性问题

3.1交流输电静态稳定问题

我们知道，在两系统功角特性方程式，式中得知系统稳定与输电电气距离、两端电源电动势及它们的夹角即功角大小有关，稳定的极限值是功角特性曲线的最大值，运行功角应小于900。要提高系统输送能力，即提高输送容量和输送距离，必须增大曲线的幅值。则需要采用超高压活特高压输电，采用分裂导线或扩径导线和空芯导线，采用自动调节励磁装置等措施。根据我国电力系统稳定导则规定，系统正常运行时，电力系统稳定储备为功角特性曲线的最大值的15―20%。当系统稳定性比较薄弱时，系统遇到微小的扰动如风电出力的大小的变化，有可能造成系统的稳定性破坏，造成停电事故。

3.2暂态稳定问题

输电线路大部分为架空线路，线路要受到气象、周围环境的影响及本身设备的影响，不可避免要遇到短路、断线故障等大的扰动，系统的功率将会产生严重不平衡，即使电源侧和负荷侧都采取了各种措施，若系统的稳定性比较薄弱时将可能会失去暂态稳定，造成大面积的停电。此时，可考虑用直流输电和联网。

4.直流输电与交流输电的比较

4.1经济比较

4.1.1线路输送功率比较

双极直流线路有两条线路，而交流输电有三条输电线路。可从下面的简单推导得知，如果交、直流输电线路的导线具有相同的材质、截面和绝缘水平，两根导线的直流输电线路和三根导线的交流输电线路输送的功率大致相等。

直流线路每根导线输送的功率为

（1）

式中---直流线路对地电压；

---直流线路电流。

交流线路每根（一相）导线输送的功率为

（2）

式中---交流线路对地电压；

---交流线路电流；

---交流线路的功率因数。

若两种线路采用相同的材质和截面积时，且通过的电流相等时，当直流导线通过的电流和交流导线通过的电流的有效值相等，即

（3）

当交、直流线路具有相同绝绿水平时，则有

（4）

所以，直流线路每根导线与交流线路每根导线输送的功率的比值为

（5）

在交流远距离输电情况下，约为0.95，则

（6）

交、直输送总功率之比

（7）

从上式可看到，两根导线的直流输电线路和三根导线的交流输电线路输送的功率大致相等。

可见，在相同的输送功率下，由于直流输电线路只需两根输电线路，它所需的有色金属、绝缘材料和占地走廊，总费用比交流输电线路节省三分之一左右。

4.1.2换流站与变电站的比较及总费用的比较

从一些数据说明，换流站造价比变电站要高。但由于直流只有两根线路，其杆塔造价尺寸较小，造价费用降低，运行费用也要比交流低。相关数据说明，直流输电比交流输电总的运行费用低。

4.2.技术比较

4.2.1稳定性比较

交流电有系统稳定问题，它输送的功率要受到极限功率的限制，即极限功率受两端电源的电动势和两端电源的距离影响。而直流输电则没有。当功率发生大的变化时，直流更容易调节。它不出现稳定问题。两个系统可实现非同步联网，即背靠背直流联网。

4.2.2线损的比较

线损计算式

电力网损耗率=

当同线路材质和同截面积时下且输送相同的电流不变时：

交流电线损年线损为

kWh

式中 ---交流电三相线损，kWh；

---负荷最大电流，A；

R---网络电阻，Ω；

t---电能损耗计算时间，h。

若最大负荷利用小时为5000h，功率因数为0.95时，为3200h。

直流电线损年线损为

==kW.h

可见直流电能损耗是交流电能损耗的三分之二。

5.结论

直流输电无系统稳定问题，便于远距离大容量的输电和两系统的联网。双极直流输电和三相导线的交流输电线路输送的功率大致相等。直流输电线可节省大量的金属、绝缘费用和减小出线走廊用地，包括杆塔的造价费用，可节省三分之一。直流输电的线损是交流线损的三分之二，直流输电具有节能环保意义，我国超高压直流输电必然。由于直流输电的优越性，福建电网一直考虑用超高压±500kV背靠背直流与南方电网联网。随着新能源并网和直流输电的发展，轻型（柔性）直流输电将会应用到我国输配电各个领域。

参考文献：

[1] 2010年四季度信息材料，上海电力公司 2011.1.10

[2]三峡―上海±500千伏直流输电工程，英大网2010.12.9

[3] 三峡至常州输电工程送电成功 人民网《人民日报》2002.1

[4]西电东送贵州至广东第二回直流工程投产 经济日报

[5]中国电力报 2009.12

[6]电力系统分析 李梅兰 卢文鹏 中国电力出版社 2010.1

[7]三峡工程与高压直流输电，电力资料网 2006.5

[8]电力系统分析 何仰赞 华中科技大学出版社 2001.8

[9]柔性直流输电技术 徐政2006.9

注：

本文系福建省教育厅科研项目.