DC输电技术现状及其在西电东送中的应用

简要介绍了DC输电技术的特点、发展历程和趋势，阐述了其在内外的应用，介绍了该输电技术在我电网建设中，特别是在西电东送和西部大开发的大战略中可能发挥的重要作用，以及为实现这一目标应开展的各项工作。

一.导言

改革开放以来，中的强工业，像民经济的其他方面一样，进入了解放后历史上第二个快速发展时期。全装机容量已超过3亿千瓦，装机容量和发电量居世界第二位。

由于经济发展水平和速度的差距，工业增长较快的力量在东南沿海地区。这些地区建设了大量传统燃煤电厂，对当地环境造成了不可接受的压力。有些地区已经达到环境容量的极限，没有发展潜力。

中水电的经济可开发量约为3亿千瓦，其中大部分，特别是大部分待开发的水电，分布在西南地区。发展这部分水电可以带来可靠的税源，为当地经济提供一定的就业机会。发展过程本身也可以从各个方面促进当地的社会经济发展。纵观世界，经济和社会发展水平高的家，如加拿大、挪威、瑞典和美，都是水电开发的先进家。

中是一个煤炭大，煤炭的生产和消费占世界较好位，这种状况不可能在短时间内完全改变。由于我华北和西北地区分布着重要的煤田，煤炭运输一直是我铁路运力的较大负担。发展坑口电站，以电代煤，把煤电转换从发达地区转移到西部欠发达地区，无论从技术上、经济上还是环境上都是非常有利的。

综上所述，无论是西部发展水电，还是坑口发展燃煤发电，都必须将电力输送到东部负荷中心，必须采用安全、稳定、经济的传输手段。高压直流输电技术发展于20世纪50年代，是较具竞争力的手段之一。

二、DC变速器的技术特点

与交流传动相比，DC传动具有以下技术优势：(1)优越的稳定性；(2)无功补偿问题集中简单；(3)出色的调度和控制性能；(4)长距离大容量传输的显著经济性；(5)大大节约走廊和占地，有利于可持续发展；(6)抗故障能力强。

由于上述技术特点，DC输电特别适合长距离、大容量输电，将成为西电东送的主力军。

三.高压直流输电技术的发展现状及趋势

3.1传动技术发展回顾

人类较早认识和应用直流，较早采用直流发动机、直流传动、直流发动机。随着本世纪初多相交流系统、干式变压器和鼠笼式感应电动机的发明，交流输电长期以来是唯一的公共电力形式。

20世纪30年代，德人开始研究高压换流器和试验输电工程，20世纪50年代，瑞典人成功实现了基于汞弧阀的DC输电的商业化运营。汞弧阀时代，DC传动系统的控制策略已经基本具备，如锁相等距触发、恒流、恒弧角控制等。许多项目已经建成并发挥了长期作用。汞弧阀较大参数：单阀150千伏，2000安。1972年晶闸管阀开始商业运行后，汞弧阀就不再使用了。从90年代开始，逐渐开始被取代。比如哥特兰岛项目已经更换，内尔森河项目双极I的一极已经换成晶闸管，太平洋联络线工艺目前计划改变。 #p#分页标题#e#

与汞弧阀相比，可控硅阀

经过20年的发展，可控硅阀门已经从风冷到水冷，从自支撑到悬挂，从较初的零件组装到模块化结构。在晶闸管阀时代，DC变速器的控制系统已经发展成为基于计算机的全数字结构。同时，无间隙高能氧化锌避雷器的发明和广泛应用，大大降低了设备绝缘水平和设备成本。到20世纪80年代末，现代DC输电已初具规模，但存在价格高、占地面积大、适用范围有限、可靠性和可用性低、应用受限等缺陷。

3.2传输技术现状

近十年来，DC传动技术不断发展。先先，设备制造技术的进一步发展如下：(1)可控硅元件的尺寸和参数在迅速增加。目前工程上广泛采用100mm的单元，在建工程采用125mm的单元。元件的较大处理能力可达36WVA，元件的可靠性进一步提高。开发了具有一定保护功能的光直接触发元件。(2)晶闸管阀技术的发展：尺寸和参数的改进。在建的较大变流器是三峡DC工程中使用的500千伏、3000安和1500兆瓦变流器。采用无油设计，降低火灾概率，采用非常早期的火灾探测系统，大大降低了发生灾害的可能性；水冷方式的改进，如并联冷却、串联冷却等各种防腐措施；随着内部安装方式的进一步完善，模块化发展为混合型，更有利于维护。(3)虽然换流干式变压器技术没有突破性的变化，但通过吸收大量过渡绝缘、接头连接与屏蔽、引线屏蔽、匝间绝缘、股间绝缘等方面的工程经验，在设计和材料上逐步完善，在线监测大大提高了换流干式变压器的可靠性。(4)外绝缘技术的发展：通过使用干式套管、合成裙、带均压电阻的DC电容器，防止水平套管不均匀湿闪络的措施，更重要的是，通过减少大量外绝缘部件，降低闪络概率。(5)测量设备的发展：采用光纤电流测量装置，可以避免大套管，提高系统可靠性。(6)控制保护设备的开发：采用标准化的局域网和总线结构，大大增加了系统的开放性；采用基于标准推送CPU和DSP的硬件设计，利用厂商向后兼容的特点，方便备件的购买。采用了高集成度和超高计算能力的芯片，彻底改变了控制柜的数量，方便了多系统的采用，提高了可靠性。

随着DC输电项目的增多，DC输电技术长期以来一直是相关学术团体的研究热点，并逐渐形成了系统的理论和标准

准和导则，系统研究技术和手段得到进一步发展，主要表现为：（1）在各种软件中普遍增加直流模型，如输电规划程序、潮流稳定程序、电压稳定程序、电磁暂态模拟等。（2）开发并采用电容补偿换流器技术，大大改善了常规外电压换流器的静态和动态特性。（3）采用直流有源滤波器技术，改善了直流线路的滤波效果，（4）开发并使用交流连续调谐滤波器，极大地提高了滤波器的滤波性能。#p#分页标题#e#

直流控制技术得到进一步发展，主要表现为：（1）直流换流器本体的控制策略，即依靠控制保护系统改善外特性曲线，提高换流器动态性能；（2）通过采用附加控制改善直流对交流系统的支持；（3）通过改善运行人员控制系统，采用自检、远方诊断、运行维护数据库等技术和措施，使直流控制保护系统对运行维护人员更为友好，有利于提高运行维护水平；（4）通过改善控制保护系统的编程工具，采用与离线模拟设备兼容的图形编程界面，提高了控制保护软件的开发效率。

通过30年的不断努力，目前常规直流输电技术已趋于成熟。主要表现为：（1）应用范围更加广泛，对于长距离、大容量、高电压输电，相对于交流有更强的竞争力；背靠背工程的设计简化，费用降低；较大容量、较长距离的海底电线工程成为可能；对系统条件的适应性增强，可在弱交流系统条件下接入系统：对环境的适应性提高，抗系统电磁干扰和空气污秽能力增强。（2）由于采用较为标准化的设计，加之阀的费用下降，价格相对降低。（3）可靠性和可用率提高：即设备制造技术发展后具有较高的可靠性，设计简化、元件数减少后可靠性提高，控制设备简化、功能提高、维护减少、诊断能力提高，外绝缘经验和技术提高，闪络率降低。

3．3直流输电技术发展趋势

80年代以来，新型电力半导体元件技术取得飞速发展，如可关断可控硅GTO，绝缘栅极双向晶体管IGBT等。由于这些元件具有可关断性，由它们构成的换流器有电流型和电压型两种，与常规外电压换流器的换流原理不同，具有优越得多的特性。直流输电一般采用电压源换流器，直流侧电压由大电容值的直流电容器保持在一个稳定水平，对应的交流电压幅值和相位由阀的开断时刻先立决定，与外电压无关。对于交流系统而言，这种换流器有类似于发电机的优良特性。目前，基于这种换流器和聚丙乙烯挤压电缆的轻型直流已投入商业应用。

除在直流输电系统中的应用外，新型电压源换流器还广泛应用于灵活交流输电系统中的静止无功发生器SVG、联合潮流控制器UPFC，在今后的超导储能、磁流体发电、燃料电池发电、太阳能发电等高科技领域都有广泛的应用前景，这种与电力系统高科技结合的趋势在21世纪将更进一步推动直流输电的发展。除元件发展外，设计思想也正在发生革命性的变化。在新型直流输电的设计中，广泛采用模块化、系列化设计和工厂化生产，简化单个工程研究和现场安装调试的工作量，提高可靠性水平。

随着聚丙乙烯挤压电缆技术的提高，人类梦寐以求的高压发电机已经成为现实。采用高压发电机不经任何干式变压器与直流换流器组成单元接线可以免去常规接线中的升压变、换流变、交流滤波器和常规电气设备，换流站的造价将大大降低，可靠性提高，在水电送出中的性能突出，应用前景光明。#p#分页标题#e#

四、直流输电技术在世界的应用现状

从1954年哥特兰岛直流工程投入商业运行以来，直流输电技术得到了长足的发展和广泛的应用。主要表现为（1）工程数量众多，现在全世界已投运和正在建设的直流工程接近八十个；（2）应用技术范围广泛，有长距离送电工程、长距离送电兼联网工程、长距离海底送电工程、长距离海底联网工程、背靠背工程、变频工程等；（3）应用地域范围广泛，除南极洲以外的六大洲都有直流输电的广泛应用；（4）技术进步快，目前世界上较大的换流器己达1500MW，较高直流电压达600kV，电容换相换流器和轻型直流等都己成功投入商业运行：（5）目前应用更加热烈，在建和正在规划的主要工程有：印度西部电网的2000MW送电工程、瑞典到波兰的联网工程、印度的东部到北部2000MW联网工程、加拿大纳尔逊河第三个双极工程、印度的两个500MW的背靠背工程、苏格兰到爱尔兰联网工程、挪威到荷兰的联网工程、阿根廷到巴西的联网工程、澳大利亚、瑞典、丹麦等的轻型直流输电工程等。

五、直流输电技术在内的应用现状

我从60年代开始直流输电研究，70年代在上海建成试验工程，80年代建成舟山工业性试验工程，90年建成从ABB(原BBC)和SIEMENS公司引进的葛州坝至上海1200Mw、i500kv直流输电工程。目前正在建设的直流工程有：三峡至常州3000Mw、土500kV直流输电工程(三峡一回直流)、天生桥至广州的1800Mw、土500kV直流输电工程、上海至蛹泅海底电缆工程。三峡至上海3000Mw、i500kV直流输电工程(三峡二回直流)已立项，正在开展前期研究。

通过30多年的积累，内现在已具备高速发展和应用直流输电技术的条件，具体表现为：①雄厚的科研力量，包括大量的研究人才、世界一流的研究软件和世界一流、亚洲领先的物理模拟设备；②完备的工程建设力量，内目前已具备先立完成咨询规范的能力、基本先立完成工程系统设计和设备规范的能力、先立完成换流站、直流线路、接地极工程设计的能力、先立完成换流站、线路和接地极土建和安装的施工队伍s②经验丰富的建设组织队伍，包括作为业主单位的建设组织队伍和监理队伍；④比较完备的制造能力，三峡直流工程弓I进了换流干式变压器、油浸式平波电抗器、换流阀和可控硅元件的设计制造技术，合作生产了设备并将投入该工程实际运行。内厂家近年来引进了电力电容器、干式电抗器、断路器、氧化锌避雷器、隔离开关等设备的制造技术。内具备较强的基于微处理器和计算机开发和应用控制保护、运行人员控制和SCADA系统的能力。

六、直流输电技术在西电东送和全联网中的应用前景

目前葛州坝至上海直流工程已在运行，天广、三峡两回直流工程正在建设，到2007年，将具备9000MW的西电东送能力。#p#分页标题#e#

三峡右岸计划修建地下厂房，装设6台700MW机组，其电力电量外送还有采用直流方案的可能性。

云南小湾电厂已开工，将装机4200MW，其中3000MW将通过直流工程送至广东。同位于澜沧江的糯扎渡电厂装机容量5000MW，由于当地负荷潜力有限，必须通过直流输电系统送至广东，容量约为3000-4000MW。

金沙江下游的溪络渡和向家坝电厂装机总容量为18000W，与三峡电厂容量相当，前期可行性工作正在进行，预计2002年筹建，2005年左右开工，作为三峡电站的接续工程。为配合电站的可行性研究，电力部门进行了大量的电力外送研究，倾向性意见为采用四回直流，其中两回至华东，容量为6000一10000MW，两回至华中容量为4000—5000MW。

除上述特大型电站的送出需采用特高压、长距离直流输电外，随着云南、贵州和四川的其它大、中、小型水电站的开发，必须为多余电力电量寻找区外市场，如较近广东省政府与云南、贵州两省政府签订了购电意向，这种长距离的区域间电力输送也需要采用直流输电。

随着经济的发展，到2l世纪中叶，水电开发将进一步西移，如云南的怒江、四川的金沙江上游以及西藏，由于输电距离长，容量大，将无例外地采用直流。

除输送水电外，西北煤电基地的电力外送也存在采用直流输电技术的切实可能性。

关于全联网，目前正在开展前期可行性研究的直流工程有华北一华中直流背靠背工程、山东一华东直流背靠背工程、西北一华中直流背靠背工程、湖南一广东直流背靠背工程、西北一华北直流联网工程、西北一四川l直流输电工程等。由于安全性好，运行控制和管理特性极优，目前全联网已倾向采用北部、中部和南部三个带状网，采用直流背靠背或其它直流工程隔离联网的方案，在条件成熟并统一意见后，直流联网技术将在中发挥重要作用。

七、现存的主要技术问题和努力方向

虽然处于不断发展和进步之中，直流输电技术已是成熟的技术，系统、设备和控制系统都有相当规范的设计和制造技术，但仍存在一些需要继续研究的技术问题。

由于直流电压的单向性，决定其吸污特性与交流相比更为严重，尤其像中这样的发展中家，污秽问题更为突出，外绝缘问题始终是直流工程建设中较关心的问题。

接地极问题，由于中近期发展的多是大容量双极直流工程，电网又相对薄弱，因此必须配备具有完全入地电流额定值的接地极。在经济社会发达的长江三角洲和珠江三角洲地区寻找适当的大电流接地极址极为困难，研究其它的解决方案势在必行。

由于直流输电技术特点，中间落点和T接一直是一个限制其应用的技术问题，随着新型电力电子元器件和换流器的发展以及多端技术的提高，这个问题有望得到解决。#p#分页标题#e#

八、结论

直流输电对于特定的条件和输电要求，有着比交流输电更为优越的特性。通过近50年的开发和应用，目前直流输电技术已经完全成熟，在内外得到广泛的应用。由于不间断的研发，使这项技术的发展一直处于电力技术的发展前沿并将推动下世纪高科技在能源工业中的应用。

中地域宽广，各地社会经济发展极不平衡，一次能源分布密度又与负荷分布密度完全不一致，这决定了中必须是一个输电大，在所有的输电大中，直流输电技术都必能得到广泛的应用。

对于我的西部大开发，电力开发应为先行，其中又应以环境相容的水电开发优先。目前西部水电开发应优先发展库容大，对流域防洪和水文调节有显著作用的龙头电站，由于装机容量大，常以单一电站送出考虑，由于区域电力市场有限，需远送东部经济发达、能源短缺的地区，直流输电将是先选方案。随着西南诸省中小电站的逐步开发，还需建设一批送电联网兼顾型的直流输电工程。

西北煤炭丰富，为缓解东部环境压力和电煤运输压力，节省成本，提高竞争力，在坑口建设一批以劣质煤为燃料，节水除尘的大型电厂群势在必行，直流输电在这些电厂群的电力东送中也将发挥重要作用。

总之，西部开发战略为我直流输电的发展带来了无限的机会和希望，直流输电技术一定会对开发西部，将中建设得更加繁荣富强作出应有的贡献。