直流输电系统的优缺点分析

采用直流输电主要有以下优点：

（1）线路造价低，运行费用也较低

以下从架空输电线和电缆输电线两类应用进行比较。

对于架空输电线，交流输电线路要用三根导线，而直流输电线路只要用两根导线，当采用大地或海水作回路时，甚至只要一根导线即可。若每根导线电流密度和导线截面积都相等，线路绝缘水平也相等（若交流线电压V的峰值为时，三根线的交流线路输送的功率P_AC（3VI）仅比两根线的直流输电系统多1.22P_DC），但三根线比两根线的投资多50%。因此，在输送相同功率的条件下，直流输电省一根导线就可节省大量有色金属、钢材、绝缘子等物力与人力。换句话说，如果输电线路建设费用相等，则直流输送的功率可为交流输送功率的1.22倍。

直流架空输电线仅使用两根导线组成回路，因此在导线上电阻功率损耗较交流输电为小。同时，它没有感抗和容抗，线路上也就没有无功损耗，它也没有集肤效应，导线的截面积能得到充分利用。另外，直流架空线路由于具有“空间电荷效应”，它的电晕损耗和无线电干扰都比交流线路小。这样，不但在初始投资，而且在年运行费用上，直流架空输电线都比交流架空输电线经济。

对于电缆，直流电缆比交流电缆的造价在同样电压等级下要低许多。绝缘介质的直流强度远高于交流强度。对于通常的油浸纸电缆，直流的允许工作电压比交流允许工作电压高3倍，例如交流35kV的电缆就可以用于直流100kV左右。因此，直流电缆输电的投资比交流输电要小得多。

（2）采用直流易于实现地下或海底电缆输电

如果交流线路每公里串联的等值电感为L，并联等值电容为C，线路运行电压为V，电流为I，则每公里线路产生的无功功率为Q_C=ωCV²。电容C的容性无功功率Q_C会使线路电压升高。每千米线路消耗的无功功率为Q_L=ωLI²，电感L的感性无功功率Q_L会使线路电压降低。如果产生的无功功率正好等于消耗的无功功率（即ωCV²=ωLI²），则Z_S，输出功率P=VI=V²/Z_S（自然功率）。上式中Z_S称为波阻抗，由这个阻抗计算出来的功率V²/Z_S称为自然功率，即当Q_C=Q_L时，输电线输电功率等于自然功率，这时输电线受端电压近似等于送端电压。如果线路输送的功率大于自然功率，线路消耗的无功功率就大于线路产生的无功功率，受端的电压将低于送端的电压，反之，则接受端电压就会高于发送端的电压，这就是所谓“费兰弟效应”。

由于实际电缆的波阻抗Z_S约为15～25Ω，要比架空线（300～400 Ω）小十几倍，所以它的自然功率就要比架空线大十几倍。但为了避免电缆芯线过热，电缆输送的功率总是远低于自然功率。因此，采用电缆交流输电时，线路消耗的无功功率小于线路产生的无功功率，使受端电压远高于送端，所以，采用交流输电时，为了能正常运行，只有沿电缆线路定距离安装并联电抗器来加以补偿，才能抑制线路受端或中间电压的过分升高，但这对海底电缆是办不到的。如果采用直流输电，敷设海底直流电缆，不存在交流输电时的Q_C、Q_L和波阻抗问题，因而也就不存在线路沿线电压升高而需装设感性无功补偿的问题。

（3）没有系统稳定问题

在交流电力系统中，所有连接在电力系统中的同步发电机都要保持同步运行。而所谓系统稳定，就是指在系统受到扰动后（不管这种扰动是大是小）所有互连的同步发电机具有保持同步运行的能力。由于交流输电线路具有电抗，输送的功率有一定的极限。当系统受到某种扰动后，就有可能使线路上的输送功率超过其极限允许值，这时连接在电力系统中的发电机失去同步，导致系统的瓦解。为了保证系统正常运行，必须使输送功率限制在“动态稳定”的极限以下，最低限度也必须满足“静态稳定”的要求。

线路输送功率的特性，可用下式表示

式中，E₁、E₂分别是电力系统中发电机的电动势；X_L是线路、发电机、变压器的等效电抗；δ₁₂是两电势的相角差；静态稳定极限功率为

P_M=E₁E₂/X_L （4-2）

线路越长，X_L越大，稳定运行的极限功率也就越小。为了提高稳定极限，必须采取一定的措施，例如使用串联电容器补偿线路电抗，但这就不可避免地增加了投资。

如果采用直流输电线，由于直流线路没有电抗，所以不存在上述的稳定问题。因而，直流输电就不受距离的限制，同时它还可以用于连接两个不同频率的交流电力系统。

（4）限制短路电流

如果用交流输电线连接第二个交流系统，当交流输电线发生短路事故时，两个交流电源同时向短路点送出短路电流，将使短路点电流增大，有时会增大到超过原有断路器的遮断容量，这就要更新大量设备。然而用一条直流线路来连接两个交流系统时，直流系统可采用“定电流控制”，从而快速地把短路电流限制在额定电流左右，即使在暂态过程也不超过2倍额定值。直流线路这种限制短路电流的功能，对于两个大系统的连接具有很大的实用意义。

（5）调节快速，运行可靠(www.xing528.com)

直流输电通过晶闸管换流器能简易地快速调控有功功率和实现“潮流翻转”（功率流动方向的改变），这不仅在正常运行时能保证稳定的输出，而且在事故情况下，可由健全正常的交流系统对另一端事故系统进行紧急支援；或者在交、直流线路并列运行时，当交流线路发生短路，可短暂增大直流输送功率以减少发电机转子加速，因而能确保运行稳定性，提高系统的运行可靠性。

例如，当交、直流输电系统有一端连接在一起并列运行（见图4-4a）或两端都分别连接在一起并联运行（见图4-4b）时，就可以利用直流系统来提高交流系统的运行稳定性。当交流系统受到扰动出现原动机功率和发电机功率不平衡时，可以迅速调节直流线路的功率来改善交流系统的功率平衡。通过适当选择直流功率的调节方式，还可以增强交流系统的阻尼作用，有效地抑制振荡。

如果采用双极型的直流输电，一根导线是正极，另一根是负极，中性点接地（见图4_-2c、图4-2d）。在正常时中性点没有电流通过，当一根导线发生故障时，另一根导线即能以大地作回路，继续输送一半的功率，这样也提高了供电运行的可靠性。

直流输电也存在以下缺点：

1）换流装置造价较贵。直流线路比交流线路便宜，但直流系统的换流站则比交流变电所的造价贵很多。就整个输电工程来看，当线路达到一定长度时，直流线路所节约的投资才能抵偿换流站所增加的投资。这个长度称为交、直流输电的经济等价距离，如图4-5所示。对于给定的输送容量，当输电距离超过等价距离时，采用直流输电才比较经济。根据国际大电网会议的统计资料，当输送功率为540～2160MW时，架空线路的等价距离为640～960km。最近二十年间，随着电力电子开关器件价格的持续下降，输电线路的经济等价距离也在逐渐下降，如图4-5所示。

图4-4 交、直流输电系统的并列运行和并联运行

图4-5 直流和交流输电投资和输电距离的关系

2）采用半控型开关晶闸管的换流装置在运行中需要消耗无功功率，为了向换流装置提供无功功率，必需装设无功补偿设备。无功补偿设备的容量取决于实际运行时的相控角，一般情况下可能达到直流功率的50%，逆变侧的逆变角β比整流侧的触发延迟角α要大些，所消耗的无功功率也要大些。

3）变流系统会产生电压谐波和电流谐波。晶闸管相控整流和有源逆变换流器在直流侧和交流侧将产生直流谐波电压和交流谐波电流，从而使电容器和发电机过热，使换流器的控制不稳定，对通信系统产生干扰。为了限制这些谐波并降低其不良影响，一般都在交流侧安装调谐滤波器。这种滤波器由电容、电感、电阻串并联组成，其中电容能兼作无功补偿。对于直流架空线路，在直流侧有时也需要装设滤波器。

4）缺乏直流开关。由于直流不存在电压过零点，以致熄弧比较困难。尽管已试制成功中、小容量的直流断路器，但大功率高压直流开关制造技术目前尚未成熟到可供使用。目前把换流器的控制脉冲信号闭锁，能起到部分开关功能的作用，但在多端供电时，就不能单独切断事故线路，而要切断整个线路。

根据以上分析，直流输电适用范围包括：

①长距离、大功率的电力输送；

②采用海底电缆隔海输送电力，或用地下电缆向负荷密度很高的大城市中心供电；

③用于限制互联交流系统的短路容量；

④两大交流电力系统联络线或不同频率的两个交流电网的连接；

⑤新能源，如海岛风电场向大陆输电。

传统交流输电所存在的功角稳定运行问题、潮流控制问题，以及无功和电压稳定问题，除改用直流输电外，现在也都可通过在传统交流输电系统中采用各类电力电子补偿控制器得到解决。引入了各种电力电子补偿控制器的交流输电系统将具有极强的可控性，也可以实现交流输电的安全、经济、高效、优质运行，这种交流输电系统被称为柔性交流输电系统（Flexible Alternating Current Transmission System，FACTS）。