特高压直流输电技术的应用探究

何慈武 刘鹏华

摘  要：根据我国的一次能源分布地点不集中，用电侧与发电侧距离过远等特点，重点介绍我国深入研究，全面创新突破特高压直流输电技术的实际意义，从特高压直流输电技术的研究背景切入，阐述了国家电网公司近几年来研究特高压直流输电技术所获得的重要成果，提出了在实施特高压直流输电工程中亟待解决的相关难题，再结合技术理论与实际工程经验，对我国大力发展特高压直流技术的可行性和必要性进行了充分论证，最后简述了未来特高压直流输电技术发展方向以及将要面对的挑战与机遇。

关键词：电网;特高压;直流输电

中图分类号：TM721.1      文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）20-0177-04

Abstract： According to the characteristics of primary energy distribution in China， such as the lack of concentration of primary energy distribution and the long distance between the power side and the generation side， this paper focuses on the practical significance of in-depth research and comprehensive innovation and breakthrough of UHVDC transmission technology in China. Starting from the research background of UHVDC transmission technology， this paper expounds the important achievements made by State Grid Corporation in the research on UHVDC transmission technology in recent years， and relevant problems to be solved urgently in the implementation of UHVDC transmission project are pointed out. Based on technical theory and practical engineering experience， the feasibility and necessity of vigorously developing UHVDC technology in China are fully demonstrated. Finally， the development direction of UHVDC technology and the challenges and opportunities that will be faced in the future are briefly described.

Keywords： power grid; UHV; DC transmission

1 概述

我国特高压直流输电（UHVDC）技术的电压等级是指±800kV及以上的电压[1]。随着近几年我国各地区对输送电的容量，输电过程中的稳定性以及对输电设备的安全要求不断提高，尤其是经济发达地区对用电的需求量更是逐年递增。为了使我国电力资源得到更好地合理开发和高效利用，我国电力专家开始广泛关注并研究特高压直流输电技术。同时，特高压直流输电可以实现输电距离远目标，加上我国的自然资源和能源分布不均，供电侧与用电侧距离较远。综合比较现有相对经济高效的输电方式，采用特高压直流输电技术无疑成为首选方案，并且可以减少输电过程中的线路损耗，合理利用地理优势不明显地区所蕴含的丰富资源，推动能源革命，将其转变为绿色经济，提高一次能源利用率的同时有效保护了坏境。

目前，世界上输电技术和电力设备领先的国家已经将直流输电作为有效解决送电距离远等问题的首选方案。直流输电的工作原理是通过换流器将交流电先整流再逆变，最终注入交流电网[2]。与交流输电技术相比，直流输电具有节约设备占地面积、减少输电损耗、灵活改变输电方式等优点。所以，在如今全世界电力系统大规模采用直流输电的情况下，开展特高压直流输电关键技术研究、分析未来发展趋势、总结特高压输电相关设备运行维护经验以确保我国的特高压直流输电技术不断创新完善，有力保障国民经济持续高质量发展。

本文从国家电网近几年的实际案例出发，分析特高压直流输电技术发展现状，研究我国能源分布状况，重点阐述特高压直流输电技术特点以及适用范围，最后总结特高压直流输电技术对我国电力运输结构产生的积极影响。

2 特高压直流输电技术发展

20世纪60年代特高压直流输电技术开始在一些电力设施先进，高压输电技术相对成熟的发达国家之间流行。Cigre在2002年重申了在80年代末得出的结论：±800kV是合适的高压直流输电电压等级[3]。我国长期研究高压输电的有关电力专家在20世纪80年代初期也开始对特高压直流输电技术和发展方向展开深入论证与研究，至今已成功实现一系列重大技术创新突破。如今我国已建和核准在建的特高压直流输电工程所采用的相关技术完全具有自主知識产权。表1为近几年我国已建或核准在建的特高压直流输电工程。

我国在2006年底开工建设的云南至广东特高压直流输电工程，是国际上首条采用±800kV电压等级的特高压直流输电技术项目[4]。2016年我国完全具有自主知识产权的昌吉至古泉特高压直流输电工程顺利开工，经过3年多建设以及一系列重大疑难技术攻关，2019年底工程成功投入商业运营，成为世界上首个±1100kV特高压直流输电工程[5]。

截至2020年，我国已建成或正在核准在建的特高压直流输电工程数量达到11个。经过多年积累的特高压直流输电案例证明，在我国开展特高压直流输电技术研究对于国民经济发展，保护生态环境等方面具有重大意义。一方面，输电距离远、容量大、损耗低等特点是特高压直流输电技术具有的独特优点[6]，有助于推进“西电东送”工程实施，保障了中东部地区用电安全可靠，对我国经济的平稳高质量发展起到了巨大的推动作用;另一方面，我国采用先进的特高压直流输电技术可以使西部资源得到合理开发利用，在转变能源改革方式，促进经济发展的同时，降低了煤炭消耗和大量CO2排放，保护了生态环境。所以，研究并利用特高压直流发电技术不仅可以提高我国电力行业整体的研发制造水平，而且对生态环境保护也起到了积极影响。

3 我国的能源分布情况

我国中东部经济发展迅速，用电需求大，但一次能源蕴藏量较低且使用率不高，我国西南地区水资源充足，方便实施水利发电工程，同时西北地区煤炭资源丰富，有利于实施火力发电工程。这种能源分布不集中的结果导致用电侧的分布与发电侧的分布十分不均衡。我国西北地区拥有全国2/3的煤矿资源，西南地区拥有全国2/3的水利资源，而我国2/3的电力需求集中在东部沿海地区以及中南部等经济发达地区，造成对电力有巨大需求的地区与能源产地的距离较远，一般达到1000～2500km。而目前特高压直流输电技术可实现远距离输电，运行成本经济，灵活稳定，有效满足一些经济发达的地区对于电力消费的巨大需求，保障地区的经济平稳和高质量的发展，符合我国电网发展长期规划。

4 特高压直流输电技术简介

4.1 特高压直流输电系统结构

特高压直流输电系统的核心组成部分之一就是换流站设计与建设[7-8]。特高压直流输电系统结构图如图1所示。双极系统接线方式是我国目前主导建设特高压直流输电工程的首选接线方式[9]。双极双12脉动换流站可以选择包括双极全电压运行和单极半电压运行等多种运行方式。换流站灵活多变的运行方式可以在换流阀发生故障时最大程度减小损失，保障输电安全平稳运行。

4.2 特高压换流技术

4.2.1 柔性直流输电

加拿大学者Boon-TeckOoi在1990年正式提出采用PWM技术控制的电压源换流器（VSC）进行直流输电的概念[10]。柔性直流输电技术通过改变VSC中全控型电力电子器件的开断状态，实现控制交流侧的无功和有功功率的目的，这样不仅可以保障电网稳定运行，还可以解决输电技术中的一些棘手问题。

对于柔性直流输电系统而言，无论是采用多电平换流器还是使用两电平换流器，均为单极对称系统[11]。图2为4种典型的多端直流输电系统接线方式。并联换流站与串联换流站相比具有损耗更低，调节范围更大，扩展方法更加灵活等优点，所以目前正在运行的特高压柔性直流输电工程的换流站多采用并联接线方案。

根据桥臂的等效特性，柔性直流输电系统中的换流器可分成2种常见的不同类型，分别是可控电源型和可控开关型[12]。特高压直流输电工程多采用全桥式柔性直流换流器，一旦直流电压出现急剧降低威胁系统正常运行时，换流器仍通过交流电压支撑工作[13]，最大程度上有效抑制交流侧短路电流的产生。

4.2.2 换流阀塔设计

换流阀是特高压换流的关键设备之一，其中阀塔的结构设计好坏更是关乎特高压直流输电工程能否安全稳定运行的重要一环。目前我国的±800kV特高压换流阀的阀塔结构设计采用柔性防震的悬吊式二重阀结构，无论是高端阀厅还是低端阀厅均配置6座二重阀，而每组12脉动换流器是由每座阀厅的6座二重阀塔构成[14]。同时为了避免换流阀产生电晕，减少输电过程中的电压功率损耗，屏蔽换流阀内部产生的磁场对外部环境的干扰，需将金属网罩安装在换流阀塔的上下两端。

4.2.3 阀冷系统设计

为了减少特高压直流输电过程中的热损耗，提高换流阀的工作效率，需要为换流阀配置独立的水冷却系统，通常将水冷系统设计成强迫水冷，冷却系统分为内冷水循环和外冷水循环两个系统。其中内冷水循环是低含氧量的去离子水吸收换流过程中热量对换流阀进行冷却，外冷水系统是冷却塔吸收内冷水热量进行冷却。工作原理如图3所示。

首先，由于内冷却水吸收换流过程中散发的大量热量从而导致自身温度上升，接着通过循环系统将温度上升的内冷却水送到室外冷却塔内的换热水管，此时喷头从水池抽取冷水，将冷水均匀洒向换热水管表面，帮助管内因吸热导致温度上升的内冷却水降温，最后再使用主循环泵将换热水管里的内冷却水送回换流阀，最终达到降温的效果。

4.3 特高压直流输电待解决问题

4.3.1 电磁环境问题

电磁环境问题是实施特高压输电工程前必须考虑的技术问题[15]。在特高压输电工程中，由于电压的传输导致输电线路周围空间产生磁场，对设备附近的环境和人体都会产生不良影响。例如换流站在运行过程中产生电波干扰通信设备，不仅会打扰附近居民日常生活，严重时甚至出现直流偏磁毁坏变压器，造成电力设备运行故障。特别是我国目前正在全面创新突破特高压直流输电技术，有必要解决好输电过程中产生的电磁污染对环境造成的不利影响问题[16]。在特高压直流输电过程中所投运的换流站等电力设备必须达到国家规定的环保要求，才能从根本上解决输电过程中所产生的电磁环境问题。

4.3.2 过电压与绝缘问题

特高压直流输电电压等级由±500kV提高到±800kV，在直流输电线路运行中的输送容量在理論上会提高将近2倍[17]，所以未来若要进一步提高特高压直流输电电压等级，则换流站和输电线路的绝缘设备等电力配套设施也需要随之升级，对避雷器的选择也要更加慎重，否则一旦出现过电压或绝缘故障，将给电力系统造成巨大危害。由于特高压直流输电的绝缘水平与过电压的高低水平密切相关，所以在特高压直流输电过程中合理优化绝缘系统，对过电压问题采用相关技术进行及时解决，保证特高压直流输电系统在过电压的情况下安全稳定的运行。

4.3.3 控制保护问题

从20世纪80年代的模数电技术升级为如今的计算机程序化控制，实现用计算机软件控制保护特高压直流输电，提高系统运行过程中的安全性。通过硬件平台化保证硬件可以持续优化，增强控制系统的稳定性，大大降低维护成本，同时模块化设计控制软件，方便工作人员对程序进行开发与升级，再采用现场总线技术提高控制保护系统的抗干扰性，最终提高计算机控制保护系统的稳定性，保障特高压直流输电安全可靠的持续运行。

4.3.4 设备可靠性问题

与超高压直流输电相比，特高压直流输电的电压等级更高，若在输电过程中发生电力故障将造成不可估量的损失，严重影响国民生产生活秩序，所以必须提高特高压直流输电设备的可靠性。例如，换流器采用独立的交直流供电系统，配备独立的阀厅和冷却系统，通过调节换流器旁通开关的开启和关断，使换流器无论是出现故障停运或者是需要进行维护而退出运行等工作都不会出现单极停运。同时重新设计双极耦合的控制系统，进一步降低双极停运的概率，提高了特高压直流输电工程的安全性能。

5 结束语

多年来我国电力系统工作人员结合中国实际情况开展对特高压直流输电技术的研究，为换流站設计，换流阀冷却设计，输电线路设计等提供了技术支持，为我国特高压直流输电工程积累了大量宝贵的经验，保障了特高压直流输电工程的顺利实施，而我国资源分布不均衡以及经济发展对电力需求日益剧增，迫切使得特高压直流技术在电网发展史上具有举足轻重的地位。随着全球能源互联网建设的逐步推进，加上影响特高压直流输电工程稳定的因素随着电网发展不断增多，下一步我国还需进一步完善特高压直流输电技术，提高系统对环境的适应性，确保将特高压直流输电工程建设为保障群众生活，促进经济发展的重点工程。

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