直流輸電技術的發(fā)展及其在我國電網中的作用
摘要：我國電網面臨發(fā)展的局面。由于直流輸電具有送電距離遠、送電容量大、控制靈 活等特點，因此在運、在建及規(guī)劃建設中的直流輸電工程已經和即將在西電東送、南北互供 中承擔主要送電任務，在未來全國聯(lián)網中發(fā)揮重要作用。做好直流輸電的研究、規(guī)劃和建設 是今后一段時間我國電網發(fā)展的重要任務。
關鍵詞：直流輸電 電網 規(guī)劃 發(fā)展
我國電網隨著國民經濟和電力工業(yè)的高速發(fā)展，正面臨著的發(fā)展局面。到2003年底，全國發(fā)電裝機容量達3.84億kW、發(fā)電量達1.91億kWh。發(fā)電總裝機容量和年發(fā)電量僅次于美國，均列*二位。我國電網結構，除西北電網以330 kV為主網架外，其他區(qū)域電網已經形成500 kV主網架。
1 直流輸電技術的發(fā)展及特點
高壓直流輸電技術興起自20世紀50年代，經過半個世紀的發(fā)展，已經成為成熟的輸電技術。世界上已成功投運高壓直流工程60多項，其中，50年代有2項、60年代有5項、70年代有15項、80年代有30項、90年代有10項。邁入21世紀，我國先后投運了天生橋——廣州（簡稱天廣）直流輸電工程和三峽——常州（簡稱三常）直流輸電工程。
高壓直流輸電技術起步在20世紀50年代，而突破性的發(fā)展卻在80年代。隨著晶閘管技術的發(fā)展和現(xiàn)代電網發(fā)展的需要，80年代，*共建成了30項直流輸電工程，直流輸電在電網中發(fā)揮了重要作用。在這期間，建設了背靠背工程14項；建設了輸送距離長達1 700 km的扎伊爾英加——沙巴工程；建成了電壓等級為±600 kV的巴西伊泰普水電站送出工程。直流輸電的控制保護技術得到進一步的發(fā)展和完善。邁入90年代以后，隨著電力電子技術、計算機技術和控制理論的迅速發(fā)展，使得高壓直流輸電技術日益完善，可靠性得到提高。
我國直流輸電技術同樣是在80年代得到發(fā)展，建成了我國自行研制的舟山直流輸電工程（±100 kV，100 MW，55 km）和代表當時*水平的葛洲壩——上海（簡稱葛上）±500 kV直流輸電工程。90年代，開始建設天廣直流輸電工程和三常直流輸電工程，天廣直流工程于2000年12月單極投產，2001年6月雙極投產；三常直流輸電工程于2003年5月投入運行。2001年開工建設三峽——廣東（簡稱三廣）直流輸電工程和貴州——廣東（簡稱貴廣）直流輸電工程，三廣直流工程于2004年6月正式投產；貴廣直流工程于2004年9月雙極投產。
直流輸電與交流輸電相比，其優(yōu)點和特點明顯：①輸送容量大；②輸送功率的大小和方向可以快速控制和調節(jié)；③直流輸電系統(tǒng)的投入不會增加原有電力系統(tǒng)的短路電流容量，也不受系統(tǒng)穩(wěn)定極限的限制；④直流架空線路的走廊寬度約為交流線路的一半，可以充分利用線路走廊的資源；⑤直流電纜線路沒有交流電纜線路中電容電流的困擾，沒有磁感應損耗和介質損耗，基本上只有芯線電阻損耗，絕緣電壓相對較低；⑥直流輸電工程的一個極發(fā)生故障時另一個極能繼續(xù)運行，且可充分發(fā)揮其過負荷能力，即可以不減少或少減少輸送功率損失；⑦直流本身帶有調制功能，可以根據(jù)系統(tǒng)的要求作出反應，可以對機電振蕩產生阻尼，可以阻尼低頻振蕩，從而提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平；⑧能夠通過換流站的無功功率控制調節(jié)系統(tǒng)的交流電壓；⑨大電網之間通過直流輸電互聯(lián)（如背靠背方式），兩個電網之間不會互相干擾和影響，且可迅速進行功率支援等。
直流輸電技術適合遠距離、大容量送電，可以送電到2 000 km以外，一項直流工程送電能力可超過300萬kW；適合電力系統(tǒng)之間的網絡互聯(lián)及巨型水電、火電基地電力外送等。這些，恰是我國電網發(fā)展中所需要的。
2 我國電網的現(xiàn)狀與總體戰(zhàn)略
我國除中國臺灣外已經形成東北、華北、西北、華東（含福建）、華中（含川渝）和南方等6個跨省區(qū)電網和山東、海南、新疆、西藏4個獨立省網。除西北電網以330 kV為主網架外，其他跨省電網和山東電網都已建成500 kV主網架。香港、澳門電網分別以400 kV和110 kV和廣東電網從而和南方電網相聯(lián)；華中和華東電網通過葛上直流輸電工程已實現(xiàn)了互聯(lián)；東北和華北、華北和華中電網通過交流500 kV實現(xiàn)了互聯(lián)；華中和南方電網通過三廣直流輸電工程實現(xiàn)了互聯(lián)；西北和華中電網將在2005年通過靈寶直流背靠背工程實現(xiàn)互聯(lián)；海南與廣東的聯(lián)網計劃將在2006年實現(xiàn)。目前，全國聯(lián)網的局面正在快速推進中，2006年前后可基本實現(xiàn)除新疆、西藏、中國臺灣以外的全國聯(lián)網。
由于我國的能源資源主要集中在西部，而主要負荷卻在中東部。根據(jù)資源分布和負荷的特點，決定了在一個時期內，西電東送是我國電網發(fā)展的重要戰(zhàn)略。未來我國電網的總體發(fā)展戰(zhàn)略是：西電東送、南北互供、全國聯(lián)網。
3 直流輸電的作用與規(guī)劃
黨的十六大所確定的到2020年我國國內生產總值比2000年實現(xiàn)翻兩番，全面建設小康社會的目標使電力工業(yè)面臨新的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)。據(jù)預測，至2010年全國發(fā)電裝機總容量將達到6.0億kW左右，2020年將達到9.5億kW左右。將新建電源的電能安全、穩(wěn)定、可靠、經濟地送出是我國電網建設的基本任務，并應在此基礎上逐步改善電網結構、推進全國聯(lián)網，這使得電網的發(fā)展比電源建設更具挑戰(zhàn)性。在電網建設中對電網的網絡結構、輸電方式、輸電新技術和電壓等級等如何選擇，不僅關系到電源建成后的電力輸送能力，更關系到電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定、工程效益、電力市場和電力營銷等一系列問題。直流輸電技術以其*的特點將在我國未來電網的發(fā)展中發(fā)揮重要作用。
在西電東送工程中，直流輸電因其本身適宜遠距離輸送、送電容量大、易于控制和調節(jié)的特點將發(fā)揮極重要的作用；又因為目前世界上特高壓（百萬伏電壓等級）輸電的研究和開發(fā)尚沒有達到實用化階段，因此直流輸電更顯重要。對距離超過1 000 km，特別是2 000 km左右的輸電工程，在未來10~20年中，采用直流輸電方式幾乎無與之匹敵者。
電網互聯(lián)采用交流聯(lián)網方式，有方案實施簡便、投資省和一側網失缺功率后另一側電網將以自然的事故緊急支援，反應速度快的優(yōu)點。但正因為聯(lián)網后兩網之間的自然“捆綁"，使交流同步范圍延伸，當其中有一電網發(fā)生故障時將會波及多個互聯(lián)電網，將故障后果擴大，降低電能質量；而且極易造成聯(lián)絡線功率大幅波動，甚至激至振蕩擊破系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，從而增加發(fā)生系統(tǒng)穩(wěn)定破壞大事故的幾率，那將是災難性的。這將給交流聯(lián)網的雙方電網、與其同步相聯(lián)的其他電網及有關聯(lián)絡線的穩(wěn)定水平造成程度不同的相互影響，使聯(lián)網線的穩(wěn)定極限下降。電網互聯(lián)采用直流或直流背靠背方式時則具有可以有效地隔斷互聯(lián)交流電網間的相互影響，不形成相互干擾，本網所發(fā)生的事故可以控制在本網范圍內；直流聯(lián)網不會增加電網的短路電流水平；利用直流控制的調制功能能提高互統(tǒng)的穩(wěn)定水平；聯(lián)絡線功率控制簡單，調度管理方便等優(yōu)點。
我國已投產的遠距離送電直流輸電工程在西電東送、全國聯(lián)網方面正發(fā)揮著重要作用，經常運行在額定負荷之下。三常直流輸電工程、三廣直流輸電工程和貴廣直流輸電工程的送電容量均為300萬kW，送電距離均在1 000 km左右。正在建設的西北電網與華北電網聯(lián)網的靈寶背靠背直流工程的輸電容量為36萬kW，將于2005年建成投運。
我國西電東送直流輸電工程可分為南通道、中通道和北通道，他們都有多回直流輸電項目。南通道已建成天廣和貴廣直流輸電工程，正在興建貴廣第二回直流輸電工程；中通道以三峽為起點向華東電網和華南電網使用高壓直流進行輸電，已建成葛上、三常直流輸電工程，正在建設三峽右岸至上海的直流輸電工程；北通道也已著手建設直流輸電項目。南北互供的典型直流輸電項目是三廣直流輸電工程，它不僅由三峽向廣東送電300萬kW，而且實現(xiàn)了華中電網和南方電網的互聯(lián)。在全國聯(lián)網的規(guī)劃中，有多回直流項目，特別是用背靠背方式進行區(qū)域電網的互聯(lián)。
目前，已有較明確送電方向和送電規(guī)模的直流輸電工程有十幾項，送電規(guī)模多在300萬kW以上。2004年，已啟動建設三峽右岸至上海直流輸電工程和貴州至廣東第二回直流輸電工程，輸送容量都為300萬kW，送電距離1 000 km左右，電壓±500 kV，將于2007年投運。
“十一五"期間，還將建設以下直流輸電工程：小灣水電站至廣東直流輸電工程，電壓等級為±500 kV或±600 kV，輸送容量為300萬kW，輸送距離為1 500~1 600 km；四川德陽至陜西寶雞直流輸電工程，電壓等級為±500 kV，輸送容量為180萬kW，輸送距離為600 km左右；寧夏銀南至天津直流輸電工程，電壓等級為±500 kV，輸電距離為1 200 km；陜北至山東直流輸電工程，電壓等級為±500 kV，輸送容量為300萬kW，輸電距離為1 000 km左右。
2010~2020年期間，將會建設十多項直流輸電工程，輸送距離更長，輸送功率更大。隨著金沙江的開發(fā)，向家壩、溪落渡、白鶴灘、烏東德和觀音巖等水電站建成后將主要送電至華中電網、華東電網，送電距離將達到1 000 km和2 000 km左右。瀾滄江的開發(fā)，糯扎渡水電站建成后將送電至廣東，送電距離將超過1 500 km。當送電距離超過1 500 km時，需要考慮使用±600 kV電壓等級；當輸電距離達到2 000 km左右時，就需要考慮比±600 kV更高的電壓等極。
在全國聯(lián)網工程中，已經規(guī)劃了多座直流背靠背聯(lián)網工程，如華北與華中電網的聯(lián)網、四川與貴州的聯(lián)網、東北與華北電網的聯(lián)網工程等，它們將適時實現(xiàn)直流背靠背聯(lián)網。
４ 直流輸電技術需要適應電網發(fā)展的需要
隨著我國西部電力資源的開發(fā)，巨型水電站和巨型火電基地的建設，水電、火電打捆送出，送電距離越來越遠，送電容量越來越大，送電可靠性要求越來越高，給直流輸電技術也提出了更高的要求。
1 提高額定電壓等級和額定輸送容量。目前，高壓輸電工程的電壓等級除伊泰普工程外，多為±500 kV，對于送電1 000 km左右，送電容量不超過300萬kW的直流工程來說這個電壓等級基本合適。但當送電容量超過300萬kW，送電距離接近或超過1 500 km時，則有必要將電壓等級提高到±600 kV或以上，輸送容量提高到400萬kW左右，以充分利用線路走廊資源，減少輸電回路數(shù)，降低輸電損耗。
（2）提高直流輸電的可靠性和可用率。直流輸電工程在投運初期往往可靠性偏低、單極故障率偏高，甚至會出現(xiàn)雙極故障，往往需要經過1~2年才能穩(wěn)定到保證指標。像廣東電網中有七八回直流輸電饋入，即使按設計故障率指標計算，單極故障每年每極為5次，一年就將有70~80次單極故障，甚至更多，這將給電網帶來太頻繁的沖擊，因此必須有力的提高直流輸電的可靠性和可用率。
（3）要進一步優(yōu)化控制，減少換相失敗概率，提高換相失敗后的恢復速度。優(yōu)化控制方式和控制策略可提高直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，更好地發(fā)揮直流的調制作用；能對與其連接的交流電網提供有效的阻尼和支援，提高聯(lián)合系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。
（4）要減少直流系統(tǒng)對交流系統(tǒng)的影響，極大地減少交流諧波的注入；嚴格限制直流系統(tǒng)配制的無功在各種工況下對交流系統(tǒng)的不利影響。
（5）要認真研究交直流并聯(lián)運行系統(tǒng)的問題。現(xiàn)在，南方電網是我國個交直流并聯(lián)運行的電網，已經積累一些運行經驗。隨著直流輸電項目的增多，在我國將會形成新的交直流并聯(lián)運行系統(tǒng)，而且交直流并聯(lián)運行系統(tǒng)的結構將會更加復雜。因此，我們必須認真研究這種電網結構的安全穩(wěn)定運行方案，以提高交直流并統(tǒng)的運行水平。
（6）要認真研究同起點多回直流送出和同落點多回直流饋入的問題。同落點多回直流饋入的情況已在南方電網的廣東電網中出現(xiàn)。同起點多回直流送出將在向家壩、溪落渡電站送出中出現(xiàn)。對這種直流輸電送出和饋入的研究有很強的針對性，要在工程建設階段將有關問題解決好，為今后電網的安全穩(wěn)定運行打下基礎。
５ 結束語
直流輸電在我國電網的發(fā)展中將占有非常重要的位置。我國要著力發(fā)展直流輸電技術，在設備制造方面要使引進的技術形成規(guī)模的國產化生產能力，要結合我國在世界上的電網結構研究相應的控制保護技術和系統(tǒng)穩(wěn)定技術，研究提高直流輸電可靠性的技術，研究多回路直流相對集中送出和饋入的問題，研究符合中國特點的運行技術。我們在跟蹤世界上直流輸電新技術發(fā)展研究的同時，要研究開發(fā)具有自己獨立知識產權的新技術。直流輸電技術的研究必定會帶動靈活交流輸電技術的發(fā)展和應用，帶動現(xiàn)代電力系統(tǒng)（包括配電系統(tǒng)）應用新的技術進行改造和再裝備。同時，我們一定要做好直流輸電的研究、規(guī)劃、建設工作，這是我國電網發(fā)展的需要。
６ 直流輸電的作用與規(guī)劃
［1］浙江大學直流輸電教研組.直流輸電.北京：水利電力出版社，1985.
［2］李立浧，荊勇.南方電網和天廣交直流并聯(lián)運行系統(tǒng).理論電工專委會2001年學術年會，2001.
［3］荊勇，李立浧，任震.天廣交直流系統(tǒng)并聯(lián)運行的穩(wěn)定控制.電力系統(tǒng)自動化，2002（8）.
［4］李興源編著. 高壓直流輸電系統(tǒng)的運行和控制.北京：科學出版社，1998.
［5］全國聯(lián)網規(guī)劃深化研究工作組.全國聯(lián)網規(guī)劃研究總體報告.2003年4月.
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