±800kV特高压直流输电和1000kV特高压交流输电在长距离电力传输中的应用

张佳良

摘 要：进入21世纪以来，全球能源消耗不仅稳步增长，而且远远超过很多地方的能源供给能力，长距离运输能源的问题越来越重要。±800kV特高压直流输电和1000kV特高压交流输电不仅仅是在我国广泛应用，而且在国际上也是广泛应用。本文探讨两者在长距离电力传输中的应用。

关键词：±800kV直流输电 1000kV交流输电 特高压

中图分类号：TM72 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）07（c）-0032-02

能源运输通常采用这几种方式，石油运输通常通过超级油轮，天然气运输一般采用管道中，用于电力生产的煤炭使用铁路运输，所以选择靠近煤源的火电厂发电，并将其传输给消费者会更加高效和经济。许多可再生能源如水电、风能和太阳能在电力生产中较为依赖于建厂位置，往往无法作为电力长距离传输的解决方案。

在长距离电力传输方案中，特高压能大大提升中国电网的输送能力。在我国，特高压是指交流1000kV、直流±800kV及以上的電压等级。截至2016年12月，我国国家电网特高压建设已经实现“六交五直”“一带一路”国家发展战略以及雾霾治理和清洁能源外送的需求共同促进，使得我国特高压建设进入快速发展轨道。

1 特高压长距离电力传输中的应用

1.1 特高压应用过程

交流和直流发电机都是在相对较低的电压水平下产生电力。如果这种电压用于长距离传输，则会导致高昂的损失。交流技术非常灵活地通过连接不同位置形成电网，允许向消费者提供非常强大和可靠的电力供应。早期的电力供应可靠性问题主要存在于：由于发电量相对接近消费端，因此优先考虑的焦点不在于远距离传输大量电力。为了使交流电更适合这种散点传输，采取典型的措施是对线路采用串联补偿。当电力从一个点传输到另一个点时，这样做的效果非常好，但是电力流量不可预测。交流输电系统的传输电压不断提高，通常，将电压倍增四倍于功率传输能力。因此，大多数国家的电网演进的特点是增加了系统传输的电压。

1.2 特高压传输的稳定性

建立长距离传输电力的线路的先决条件是稳定性，以及遭遇雷击等故障的安全性。这就意味着，如果交流电系统的稳定性受损，则可能丢失的最大功率等于最大发电机组或具有最高容量线路的功率。如果来自远方发电厂的所有电力都在单线上传输，则交流系统必须承受所有这种电力的损失。如果要传输更大的功率，则必须使用几条平行的线路，每隔300～400km互连，以提高可靠性。

如果短路，交流线路具有相当高功率处理能力。该能力取决于导体的电压和热额定值。较长的线路具有较高的阻抗，从而降低功率传输能力。

有功功率传递方程为：

其中，P为有功功率；U1和U2为线路两端的电压；δ为两端之间的相位角；X为线路阻抗。随着线路长度增加，线路的阻抗随之增加。为了保证持续传输功率，角度δ必须增加。最大可能的角度是30°左右，此后再遇到动态稳定性的问题时，克服这个问题的最好方法就是通过串联补偿器来减小阻抗，这种方法需要在没有重大问题的情况下完成，约达到70%左右的补偿，在较高的赔偿水平下，这个系统将不会十分健康。

当线路加载到SIL（surge impedance loading-自然功率）以下时，它将产生无功功率；如果并联补偿不增加，电压可能会过度上升。如果线路加载到SIL以上，它将消耗无功功率，并且电压可能下降得太远。从可靠性的角度来看，需要在串联和并联补偿两部分之间建立一个交流变频器，以及各部分之间的互连，以确保始终能够实现全功率传输。

2 直流线路与交流线路比较

2.1 ±800kV特高压直流输电优点和缺点

±800kV特高压直流输电的主要优点是可以连接沿线负载以及传输的灵活性。如果传输路线通过人口稠密的地区，并且生成设施位于路线的许多地方，这一优势就显得十分重要。

主要缺点是其成本，上述系统是相当昂贵的，因为在实际操作中，必须沿着该路线建立一套完整的电力基础设施；另一个缺点是土地的要求，由于当线路非常长时，交流传输不能充分利用每条线路的热容量，因此，必须安装并联线路。

2.2 1000kV特高压交流输电优点和缺点

1000kV特高压交流输电的一个主要优点是它在很长的距离上传输非常高功率时的低成本；第二个很大的优点是线损相当低，电力传输超过2000km的总损失大约是5%；第三个主要优点是需要较少的线路，而且路权的要求较少。如上所述，1000kV特高压交流输电通过两条线路实现12000MW的传输，而用±800kV直流电线路传输相同的电源将需要8条线路。

2.3 组合方案

如上所述，±800kV特高压直流输电的主要缺点是沿线的电力建设成本高。然而，与低电压交流电网并联的低成本大容量特高压直流输电传输的组合，在许多情况下可以成为提供低成本和高灵活性，以及为沿线客户供应电能的最佳解决方案。

组合的交流电和直流电解决方案存在一些技术问题，在许多情况下，直流变压器的干扰在相位角变得过大的情况下会使交流连接断开，这个问题可以用各种方式解决，如图2所示。

方案一：图2a使用能够承受大多数干扰的交流电连接在直流网络中，无需断开连接。作为一个例证，假设特高压直流输电在两个双极中每超过2000km传输1.2kMW功率。如果一个或多个断路器跳闸，则假设特高压直流输电可以承受50%的临时过载。此外，假设存在500kV线路的并联交流网络，其必将拾取特高压直流输电不能传输的功率。

方案二：图2b允许两个网络异步运行，每个网络沿着路线供应一半的客户。在这种情况下，由于系统是异步的，所以没有稳定性问题。

方案三：图2c与图2b相同，不同的是使用特高压直流输电背靠背连接，以增加电源的灵活性，而无需同步两个系统。背靠背连接是通过一个电源转换器（HVDC Light），其将稳定电压并增加交流输电线的功率传递。

3 结语

为了在长距离（超过500～1000km）范围内大规模传输电力，±800kV特高压直流输电通常是最具成本效益的替代方案。然而，高压直流输电的最大缺点是沿线分接电源的成本高昂，这种缺陷可以通过直流传输和交流传输组合的方式解决，其中大功率电力输送采用特高压直流供电，沿线所需的电力由交流供电，这样是最具成本效益和灵活性的解决方案。1000kV特高压交流输电更适合供给400kV或者500kV交流电网的人口稠密地区使用。

参考文献

[1] 刘宁宁，耿沙沙，刘芳.±800kV特高压直流输电技术应用研究[J].黑龙江科技信息，2012（14）：26.

[2] 曾庆禹.特高压交直流输电系统可靠性分析[J].电网技术，2013（10）：2681-2688.endprint