特高压直流输电的技术特点与工程应用论文_张冠男,王江波,张魁

特高压直流输电的技术特点与工程应用论文_张冠男,王江波,张魁

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摘要:我国的西电东送战略要求输电工程具有更大的输电能力和更高的输电效率,实现安全可靠、经济合理的大容量、远距离送电。特高压直流输电是满足这种要求的关键技术之一。由于有高压直流工程的长期运行经验和技术积累,故特高压直流输电工程建设在技术上的难题是完全可克服的。本文分析了特高压直流输电的技术特点与工程应用。

关键词:特高压直流输电;技术特点;工程应用;

对于单项直流输电工程而言,根据其送电容量、送电距离等因素进行技术、经济方面的综合比较,对工程进行个性化设计而确定相应的直流电压等级是可以力、得到的。中国对特高压直流输电的电压等级进行研究和论证时,考虑到中国对直流输电技术的研发水平和直流设备的研制能力。

一、特高压直流输电的技术特点

特高压直流输电技术不仅具有高压直流输电技术的所有特点,而且能将直流输电技术的优点更加充分发挥。直流输电的优点主要有:

1.输送相同功率时,线路造价低。对于架空线路,交流输电通常采用3根导线,而直流只需1根(单极)或两根(双极)导线。输送功率相同时,直流输电所用线材仅为交流输电的三分之二至二分之一。另外,直流输电在线路走廊、铁塔高度、占地面积等方面,比交流输电优越。对于电缆线路,直流电缆与交流电缆相比,其投资费和运行费都更为经济,这就是越来越多的大城市供电采用地下直流电缆的原因。

2.线路损耗小。由于直流架空线路仅用1根或2根导线,所以导线上的有功损耗较小。同时,由于直流线路没有感抗和容抗,在线路上也就没有无功损耗。另外,由于直流架空线路具有“空间电荷”效应,其电晕损耗和无线电干扰均比交流架空线路要小,直流输电没有集肤效应,导线的截面利用充分。

3.没有系统稳定问题。交流输电系统中,所有连接在电力系统中的同步发电机必须保持同步运行。系统稳定是指在系统受到扰动后所有互联的同步发电机具有保持同步运行的能力。如果采用直流线路连接两个交流系统,由于直流线路没有电抗,所以不存在同步运行稳定问题,即直流输电不受输电距离的限制。另外,由于直流输电与系统频率、系统相位差无关,所有直流线路可以连接两个频率不相同的交流系统。能限制系统的短路电流。用直流输电线路连接两个交流系统时,直流系统的“定电流控制”将快速把短路电流限制在额定功率附近,短路容量不因互联而增大,有利于实现交流系统的互联。

4.实现交流系统的异步连接。频率不同或相同的交流系统可以通过直流输电或“交流—直流—交流”的“背靠背”换流站实现异步联网运行,既得到联网运行的经济效益,又避免交流联网在发生事故时相互影响。

期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆直流输电与交流输电相比,有如下缺点,例如换流站的设备昂贵、换流装置需要消耗大量的无功功率、谐波影响和过载能力有限、难以引出分支线路等。

二、工程应用

1.特高压直流输电的基本参数。直流电压、直流功率、直流电流、线路长度是直流输电工程的基本参数。其中,直流功率W、直流电流I和直流电压U满足公式W=UI的关系。基于提高送电容量、优化损耗和技术经济比较的综合考虑,我国的特高压直流电压等级定为±800kV。额定电压是绝缘水平、环境影响(如电晕、电磁干扰和噪声等)、设备制造、工程设计、工程投资,以及工程建设难度的决定性因素。直流额定功率的选择在考虑送电要求的前提下,要考虑直流系统当发生单极和双极闭锁故障时交流系统的稳定极限。如果存在问题,要么减少直流输送功率,要么加强交流系统。在额定电压下,直流电流的大小由直流功率决定,但也与晶闸管阀片通流能力有关。直流功率选择5GW,直流电流为3125A,可以使用在±500kV、送电3GW直流工程中使用的直径为125mm阀片;直流功率选择为6.4GW,直流电流达到4000A,则需要开发直径为150mm的阀片。输电线路长度是决定直流电压选择的关键因素之一。输送距离越长(尤其1500km以上),特高压直流输电在技术经济指标比较中优势越明显,选择特高压直流输电方式越有必要。

2.换流站的主接线。确定特高压直流输电换流站的主接线,首先要研究换流器的结构。换流器结构可供选择的方案有4种:一是方案1。每极单12脉冲阀组结构。与±500kV通用结构相同,结构简单、设备少、占地面积小。但由于换流变压器的质量、尺寸过大,运输到现场较困难。二是方案2。每极2组12脉冲阀组串接。结构较复杂、设备多,换流变压器的数量加倍。但换流变压器的质量和尺寸能满足运输要求,当一个阀组出现故障时只须将其旁路,其他阀组照样可正常运行,提高了可用率(需配旁路开关)。三是方案3。每极12脉冲阀组并联。可以减少单阀组通流能力,但结构复杂、设备多,换流阀和平波电抗器的数量是单阀组的2倍。四是方案4。一端采用每极双阀组结构,另一端采用每极单阀组结构,以适应不同的运输条件,并发挥各自的优势。从我国目前特高压直流输电工程的情况分析,方案2是优先选择方案有条件的工程可采用方案4。

3.换流站的主设备。一是交流滤波器。交流滤波器和特高压直流的电压关系不大,而与送电容量密切关系。由于送电容量大,换流站需要滤波和无功补偿容量的数额也巨大,因而合理配备无功数额和进行无功分组是一个要进行优化的主要问题。二是控制保护系统。控制保护系统需要适应双12脉冲阀组串接的接线方式和运行方式,需要适应超长距离送电的要求,其软、硬件平台应该按照安全可靠、方便灵活、功能齐全、拓展简单的原则进行升级。

4.特高压直流工程的电磁环境问题。随着人们对环境问题认识的深化和公众环境意识的增强,输电工程的电磁环境影响越来越受到关注,因此,实施特高压直流输电工程要特别注重电磁环境研究。电磁环境问题已成为影响输电工程结构和工程建设费用的重要因素之一。随着人们对环境问题认识的深化和公众环境意识的增强,输电工程的电磁环境影响越来越受到关注,因此,实施特高压直流输电工程要特别注重电磁环境研究。接地极的影响主要是当单极大地回线运行时,有很大的电流注入大地,因而会带来一系列问题:一是入地电流引起接地极周围地电位升高,须要考虑人畜安全问题。二是负极性入地电流将对附近地下金属产生腐蚀。三是对周围中性点接地的变压器产生直流电流,在变压器中会产生直流偏磁现象,导致这些变压器的噪声增加、损耗加大、温度升高。前2个问题在接地极设计时已有考虑;第3个问题亦已引起重视和研究,提出了一些解决方案。如在变压器中性点串接电阻以限制直流电流数值,串接电容以隔离直流电流,或采取补偿措施以限制的电流值。目前,主要还是控制运行方式,尽量少采取大地回线方式运行。

根据我国能源基地外送需求和技术水平发展趋势,我国未来需要进一步提高直流输电的额定输送容量,简化直流电压等级序列,实现标准化和系列化的有机结合,以利于形成集约效应和规模效益,提高直流输电的经济型。特高压直流输电技术符合电力工业发展规律和电网技术的发展方向,在技术上没有不可逾越的障碍,在我国有广阔的应用前景。

参考文献:

[1]李立浧.直流输电技术的发展及其在我国电网中作用[J].电力设备,2014,5(11):1~3.

[2]中国电力顾问集团特高压系统研究组.特高压电网目标网架规划(讨论稿)[R].2015.

[3]李立涅,高压直流输电在我国电网发展中的作用[J].北京:科学出版社,2014.

论文作者:张冠男,王江波,张魁

论文发表刊物:《电力设备》2016年第17期

论文发表时间:2016/11/9

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