摘要：本文简介了直流输电技术特点、发展进程和趋势，描述了其在国内外的应用情况，介绍了这种输电技术在中国电网建设，、尤其是在实行西电东送，开发西部的伟大战略中可能发挥的重要作用以及为了达到这一目的而应该开展的各项工作。
一、引言改革开放以来，我国电力工业像国民经济的其他各个方面一样，进入了解放后，也是历史上第二个快速发展的时期，全国装机容量已超过3亿千瓦，装机和发电量都稳居世界第二。由于经济发展水平和发展速度的差距，电力工业发展最快的是东南沿海地区。这些地区兴建了大批传统燃煤电厂，对当地环境造成了难以接受的压力，有的地区已达到环境容量的极限，再无发展潜力。我国水电经济可开发容量约为3亿千瓦，其中大部分，尤其是待开发中的极大部分分布在西南地区。开发这部分水电，可为当地经济带来可靠的税源，提供一定的就业机会，开发过程本身还可从各方面推动当地的社会经济发展。纵观世界经济社会发展水平高的国家，如加拿大、挪威、瑞典、美国等，无一不是水电开发的先进国家。我国是个煤炭大国，煤炭的生产和消费都占世界首位，且在短期内无法彻底改变这一现状。由于重要煤田分布在华北和西北，电煤的运输始终是我国铁路运力的最大负担。发展坑口电站，以输电代输煤，将煤电的转换从发达地区转移到西部欠发达地区，从技术、经济和环境诸方面看都是十分有利的。综上述，不管是开发西部水电还是坑口煤电，都必须将电力电量送至东部的负荷中心，需要采用安全稳定、经济性好输电手段。20世纪50年代发展起来的高压直流输电技术就是一种最具竞争力的手段。二、直流输电的技术特点相对于交流输电，直流输电有如下的技术优势：（1）稳定性能优越；（2）无功补偿问题集中、简单；（3）调度、控制性能极为优越：（4）对于长距离大容量输电，经济性显著；（5）极大地节约走廊，节省占地，有利于可持续发展；（6）抗故障能力强。由于上述技术特点，直流输电特别适合长距离、大容量输电将是西电东送的主力。三、直流输电技术发展现状及趋势3．1直流输电技术发展回顾人类最先认识和应用的是直流电，最先采用的是直流发动机、直流输电和直流发动机。随着本世纪初多相交流系统、变压器和鼠笼式感应电动机的发明交流输电长时期作为公用电力的唯一形式。本世纪30年代德国人开始研究高压换流器件和实验输电工程，50年代瑞典人成功实现了基于汞弧阀的直流输电的商业运行。在汞弧阀时代，直流输电系统控制策略己基本具备，如锁相等距触发、定电流、定媳弧角控制等。建设了众多的工程，长期发挥作用。汞弧阀的最高参数：单阀150kV、2000A。从1972年可控硅阀开始商业运行后，汞弧阀不再采用。进入1990年代，已逐步开始更换，如哥特兰岛工程已更换，纳尔逊河工程双极I已有一极更换成可控硅，太平洋联络线过程目前正计划进行更改。由于具备相对于汞弧阀的显著优点，概括为性能更优良、价格更便宜、维护更简便，从本世纪70年代开始商业运行以来，可控硅阀几乎是唯一的换流设备。经过20年的的发展，可控硅阀已从空冷改成水冷、由自立式改成悬吊式、由最先的散件组装式改成模块式结构。在可控硅阀时代，直流输电的控制系统发展成基于计算机的全数字式结构。与此同时，随着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造价。到80年代末，己具备现代直流输电的雏形，但存在价格较高、占地较大、适用范围受限制、可靠性和可用率较低的缺陷，应用受到一定限制。3.2直流输电技术现状最近十多年，直流输电技术得到了不断发展。首先，设备制造技术的进一步发展，表现为：（1）可控硅元件的尺寸和参数增加迅速，目前工程上广泛采用Φ100mm元件，在建工程采用Φ125mm元件，元件处理能力最大可达36WVA，元件可靠性进一步提高，并开发出带一定保护功能的光直接触发元件。（2）可控硅阀技术的发展：尺寸和参数的提高，在建最大的为三峡直流工程中采用的500kV、3000A、1500Mw换流器：采用无油设计，降低火灾概率并采用极早期火灾探测系统，大大降低了灾害的可能性；水冷却方式的完善，如并联冷却、串联冷却的各种防腐措施；内部安装方式的进一步完善，由模块式发展成混合式，更有利于检修维护。（3）换流变压器技术虽无突破性变化，但通过吸取大量工程在过渡绝缘、接头的引接和屏蔽、引线的屏蔽、匝间和股间绝缘等方面的经验，在设计、材料等方面逐渐改善，加上在线监控，大大提高了换流变压器可靠性。（4）外绝缘技术的发展：通过来用干式套管、合成裙、直流电容器带均压电阻，水平套管的防不均匀湿闪措施，更为重要的是通过大量减少外绝缘件，使闪络概率降低。（5）测量设备的发展：通过采用光纤式电流测量装置，可避免采用大套管，提高系统可靠性。（6）控制保护设备的发展：采用标准化的局域网和总线结构，系统开放性大为增加；采用基于标推CPU和DSP的硬件设计，利用厂家的向下兼容的特点，便于备品备件的采购：采用高集成度、超高计算能力的芯片，革命性地减少控制柜的数量，便于采用全系统多重化，提高了可靠性。随着直流输电工程的增多，直流输电技术长期作为有关学术团体的研究热点，逐步形成了系统的理论，标准和导则，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。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独立决定，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。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，目前世界上最大的换流器己达1500MW，最高直流电压达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、丹麦等国的轻型直流输电工程等。五、直流输电技术在国内的应用现状我国从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，国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，国内目前已具备独立完成咨询规范的能力、基本独立完成工程系统设计和设备规范的能力、独立完成换流站、直流线路、接地极工程设计的能力、独立完成换流站、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。国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。国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国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。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，如最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。关于全国联网，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，目前全国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国发挥重要作用。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，尤其像中国这样的发展中国家，污秽问题更为突出，外绝缘问题始终是直流工程建设中最关心的问题。接地极问题，由于中国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。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，在国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。中国地域宽广，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，这决定了中国必须是一个输电大国，在所有的输电大国中，直流输电技术都必能得到广泛的应用。对于我国的西部大开发，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，直流输电将是首选方案。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，西部开发战略为我国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，将中国建设得更加繁荣富强作出应有的贡献。
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