直流输电线路和换流站的应用范围介绍

目前，电能的生产、远距离传输、分配和消耗主要还是以交流的形式。这可以解释为：首先，交流使得变电更加容易，即可以使用非常简单的设备（变压器）改变电压；其次，交流电动机的结构也是非常简单的，比直流电机的工作更加可靠。除此之外，在交流电下，当电压达到几百千伏时能够切断几十千安电流的开关是很容易制造的。因此，除了一些工业装置和电动车辆等之外，到处都在使用交流电。但是，在近几十年来，很多国家越来越频繁地使用直流电来解决一系列的问题，包括与电能远距离传输有关的问题。

为了解释这样做的原因，下面来比较交流线路和直流线路的特性。

两种线路都具有同一形式的参数，导线电阻、电感和电容。导线的电阻决定了线路的功率和电能损耗，因此也决定了线路的传输效率；电感和电容决定了线路中与电能传输有关的电磁过程。对于交流线路，这些过程具有波动特性，并且决定了这些线路的主要特点。在直流线路中，在稳态下没有波过程。正是这个差别构成了直流输电应用方案的基础。

如上所述，容易理解为什么电能的生产、传输、分配和消耗都是以交流的形式实现的。直流只是用在解决相对不大的、但是很重要的问题上。这可以以直流的特性和与电能传输相关的电磁过程特点来解释。

现在所有已知的直流输电工程可以分为两类。直流输电线路是第一类，电能可以在任意长的距离上传输，直流架空线路和电缆线路是这些输电线路不可分割的一部分。第二类就是所谓的直流换流站，其中无直流线路，所有的直流组件都分布在一个变电站上，系统的交流线路也接到此变电站上。

直流输电线路和直流换流站的结构如图10.1所示，在输电线路的两端连接有变流器П1和П2，在送端将交流变换成直流，在受端将直流变换为交流。将交流变换为直流的变流器被称为整流器，将直流变换为交流的变流器被称为逆变器，直流沿着线路传输。

直流换流站可以分布在与一个互联系统距离较近的地方，或者是分布在连接两个系统交流输电线路的一个中间变电站上。在后一种情况下，从不同方向连接到直流换流站的线路可以有不同的电压，或者所连接的系统可以有不同的频率。对于连接两个不同步系统或者是不同频率系统的交流线路和直流换流站的使用，与使用直流输电线路相比有优势。其体现在，能够更简单地保证向沿线用户供电，为此只需要建设常规的变电站，而使用直流线路连接两个系统的情况就复杂得多。

电能沿直流线路的传输过程原则上具有另外的特性，因为其中无波过程。为此直流线路在本质上具有其自身特性。因为，此时的频率等于0，线路的纵向电抗和横向电纳同样等于0。如果在交流线路中由电磁特性所决定的输电能力取决于线路的长度（随着长度的增加输电能力减小），那么对于直流线路就不存在这样的问题。当问题不能借助于交流线路来解决或者是使用交流线路输电的经济性较差时，就将直流输电作为一种大功率远距离输电的手段。

图10.1 直流输电线路 a）和直流换流站 b）的结构

在直流线路上无交流线路所具有的充电功率，这种情况对电缆线路具有很大的意义。在交流电缆线路中由于电缆导体发热，充电功率限制了其长度以及有效的传输功率。而在直流电缆线路中，这种限制被降低，使得其可以制作得足够长。例如，沿波罗的海海底敷设的、连接瑞典和芬兰电力系统的直流电缆线路，当极端电压为400kV时，其长度为200km。而英国—冰岛之间计划建造长度600～700km的直流电缆线路，建造如此长度的交流线路是不可能的。

为了将功率输送到大城市中心和工业区（因为其占据很大的区域以及需要很大的功率），可以使用传输功率达到数百MW的高压直流电缆线路。例如，在莫斯科，其功率可达40MW/km²；在柏林，可达到100MW/km²；在纽约可达到500MW/km²，并且这些功率还有增加的趋势。在城市中心区域建设大型的发电厂是不合理的，包括生态学方面的原因。因此，需要从郊区输入功率到市中心，可以在郊区建造将功率由远方发电厂传输来的超高压变电站，然后将此功率通过电缆线路输送到市中心，被称为“深入”。

使用直流电缆“深入”功率到城市的优势在于，此时短路电流并没有增加，也不需要采取限制短路电流的措施或者是替换开关设备，就像使用交流输入功率一样。但是此时应该看出，这样的解决方案要求在电缆线路的首端和末端建造换流站。

表10.1为大型直流输电线路和换流站的系列特性。

表10.1 大型直流输电线路和换流站的系列特性

（续）

因为，无论是直流输电线路还是直流换流站，传输的功率要经过直流环节，此时与频率没有任何关系。借此可以将额定频率不相同的系统进行互联（信农和佐久间直流换流站，日本），或者是同一额定频率但不同步的系统进行互联（俄罗斯—芬兰直流换流站，维堡），也同样可以将同一额定频率但控制原则不同、或者是控制需求不同的系统进行互联。在所有的这些情况下，都可以保证功率在两个方向的传输，即输电的可逆性。

由此可见，直流输电线路和直流换流站的变流器应该装设非常快速的自动控制系统，使得互联系统其中的一个发生事故所产生的扰动，不会传输到另一个，就像在交流线路连接时一样。(www.xing528.com)

总之，直流输电线路和直流换流站可以被用来解决足够多的输电线路问题，例如

1）从远方发电厂输电；

2）将两个或者多个不同步或者是不同额定频率的系统互联；

3）借助于直流电缆线路可以穿越大型的水域；

4）电缆深入到城市中心和工业区；

5）实现国家间的互联。

可以看出，在具有如上所述的优点的同时，传统的直流换流站也具有一系列的缺点。其中包括：

1）变流器设备需要消耗大量的无功，每个变流器可达（0.5～0.6）kvar/kW。对于大功率的直流输电线路和直流换流站，需要装设额外的无功补偿设备以及增加相应的投资。

2）变流器向电网发出或者从电网中吸收非正弦波形的电流，即含有高次谐波的电流。当变流器功率较大时，高次谐波电流也非常大，会对邻接系统产生很大的负面影响。因此，在换流站上应该采取相应的补偿措施，同样需要增加投资。

应该说明，最近研制出来的新型变流器，在很大程度上消除了这些缺点，但是由于一系列原因还没有得到广泛的应用。

结果使得直流换流站比同等功率的交流变电站成本大得多，大功率直流换流站的成本可达到55～75美元/kW，而对于交流变电站则为20～40美元/kW。

架空输电线路的成本取决于导线、塔架及其基础设施、线路绝缘子、线路敷设条件、安装费用等。按照现在的数据，每公里直流线路的成本大概比交流线路的成本低20%～25%。由于线路的成本还取决于其长度，那么对长直流输电线路的建造成本抵消了直流换流站的多出建造成本。

当线路长度达到所谓的临界长度Lкр时，直流和交流输电线路的建造成本大致相等（见图10.2）。当线路的长度超过临界长度时，建造直流线路更经济；当线路长度小于临界长度时，建造交流线路更经济。

图10.2 输电能力相同的交流（虚线）和直流（实线）线路的投资

1，3—线路走廊不利的条件下

2，4—线路走廊有利的条件下

自然地，线路的临界值取决于换流站装置和设备的价格，以及导线、绝缘子和塔架的价格。除此之外，线路的临界长度还取决于线路走廊条件。对于线路走廊不利的条件，线路的临界长度比有利的条件小。在俄罗斯，线路的临界长度为600km～1000km。

在输电线路建造方案设计时对直流或者交流输电的选择，以及额定电压的选择，都应该在详细的技术经济比较的基础上进行。其中要考虑一系列的因素，包括线路和变电站的投资、年运行成本、线路和变电站的检修成本、导线发热以及电晕损耗成本等。其中一个重要指标是对受端系统而言的电能的成本。同时，需要考虑在建造任何输电线路时所产生的系统方面的问题：远方发电厂发电机组或者是互联系统的稳定性问题，系统的远景规划以及其他问题。在选择直流还是交流时应该考虑如上所述的、直流输电线路或者直流换流站对稳定性的影响。