電力網為何要采用高壓直流輸電
 

　　在現代直流輸電系統中，只有輸電環節是直流電，發電系統和用電系統仍然是交流電。在輸電線路的送端，交流系統的交流電經換流站內的換流變壓器送到整流器，將高壓交流電變為高壓直流電后送入直流輸電線路。直流電通過輸電線路送到受端換流站內的逆變器，將高壓直流電又變為高壓交流電，再經過換流變壓器將電能輸送到交流系統。在直流輸電系統中，通過控制換流器，可以使其工作于整流或逆變狀態。
 

　　我國目前建成的高壓直流輸電工程均為兩端直流輸電系統。兩端直流輸電系統主要由整流站、逆變站和輸電線路三部分組成。
 

　　追溯歷史，最初采用的輸電方式是直流輸電，于1874年出現于。當時輸電電壓僅100V。隨著直流發電機制造技術的提高，到1885年，直流輸電電壓已提高到6000V。但要進一步提高大功率直流發電機的額定電壓，存在著絕緣等一系列技術困難。由于不能直接給直流電升壓，輸電距離受到極大的限制，不能滿足輸送容量增長和輸電距離增加的要求。19世紀80年代末，人類發明了三相交流發電機和變壓器。1891年，一個三相交流發電站在德國竣工。此后，交流輸電普遍代替了直流輸電。隨著電力系統的迅速擴大，輸電功率和輸電距離的進一步增加，交流輸電遇到了一系列技術困難。大功率換流器(整流和逆變)的研究成功，為高壓直流輸電突破了技術上的障礙，直流輸電重新受到人們的重視。1933年，美國通用電器公司為布爾德壩樞紐工程設計出高壓直流輸電裝置；1954年，建起了一條遠距離高壓直流輸電工程。之后，直流輸電在世界上得到了較快發展，現在直流輸電工程的電壓等級大多為±275～±500kV，投入商業運營的直流工程電壓等級為±600kV(巴西伊泰普工程)，我國計劃在西南水電送出的直流工程中采用±800kV電壓等級。
 

　　兩端直流輸電系統可以采用雙極和單極兩種運行方式。
 

　　在雙極運行方式中，利用正負兩極導線和兩端換流站的正負極相連，構成直流側的閉環回路。兩端接地極所形成的大地回路可作為輸電系統的備用導線。正常運行時，直流電流的路徑為正負兩根極導線。實際上，它們是由兩個獨立運行的單極大地回路系統構成。正負兩極在地中的電流方向相反，地中電流為兩極電流之差。兩極電流之差形成的電流為不平衡電流，由接地極導引入地。在雙極運行時，不平衡電流一般控制在額定電流的1%之內。
 

　　單極運行方式又分為單極金屬返回和單極大地返回兩種運行方式。在單極金屬返回運行方式中，利用兩根導線構成直流側的單極回路，直流線路中的一根導線用作正或負極導線，另一根用作金屬返回線。在此運行方式中，地中無電流通過。在單極大地返回運行方式中，利用一根或兩根導線和大地構成直流側的單極回路。在該運行方式中，兩端換流站均需接地，大地作為一根導線，通過接地極入地的電流即為直流輸電工程的運行電流。
 

　　高壓直流輸電與交流輸電相比，具有諸多優點：
 

　　(1)高壓直流輸電具有明顯的經濟性。輸送相同功率時，直流輸電線路所用線材僅為交流輸電的1/2～2/3。直流輸電采用兩線制，與采用三線制三相交流輸電相比，在輸電線路導線截面和電流密度相同的條件下，若不考慮趨膚效應，輸送相同的電功率，輸電線和絕緣材料可節省約1/3。如果考慮到趨膚效應和各種損耗，輸送同樣功率交流電所用導線截面積大于或等于直流輸電所用導線截面積的1.33倍。因此，直流輸電所用的線材幾乎只有交流輸電的一半。另外，直流輸電線路的桿塔結構也比同容量的三相交流輸電線路的簡單，線路走廊占地面積也大幅減少，圖5-2分別給出了兩者的走廊照片。但是，直流輸電系統中的換流站的造價和運行費用要比交流輸電系統變電站的高，當輸電距離增加到一定值后，直流輸電線路所節省的費用剛好抵償了換流站所增加的費用，此時這個輸電距離即被稱為交流輸電與直流輸電的等價距離。如果把交流輸電和直流輸電兩種輸電方式在輸送一定功率時，所需的費用和輸電距離之間的關系繪成如圖5-3(a)所示的曲線，兩曲線交點的橫坐標就是等價距離。
 

　　(2)在電纜輸電線路中，高壓直流輸電線路不產生電容電流，而交流輸電線路存在電容電流，引起損耗。在一些特殊場合，如輸電線路經過海峽時，必須采用電纜。由于電纜芯線與大地之間構成同軸電容器，在交流高壓輸電線路中，空載電容電流極為可觀。而在直流輸電線路中，由于電壓波動很小，基本上沒有電容電流加在電纜上。
 

　　(3)采用直流輸電時，線路兩端交流系統不需同步運行，而交流輸電必須同步運行。采用遠距離交流輸電時，交流輸電系統兩端電流的相位存在顯著差異；并網的各子系統交流電的頻率雖然規定為50Hz，但實際上常產生波動。這兩種因素導致交流系統不同步，需要用復雜而龐大的補償系統和綜合性很強的技術加以調整，否則就可能在設備中形成強大的環流而損壞設備，或造成不同步運行而引起停電事故。采用直流輸電線路將兩個交流系統互連時，其兩端的交流電網可以按各自的頻率和相位運行，不需進行同步調整。
 

　　(4)高壓直流輸電控制方便、速度快，發生故障的損失比交流輸電的小。兩個交流系統若用交流線路互連，則當一側系統發生短路時，另一側要向故障側輸送短路電流。因此，將使兩側系統原有斷路器切斷短路電流的能力受到威脅，需要更換斷路器。若用直流輸電將兩個交流系統互連，由于采用可控硅裝置，電路功率能迅速、方便地進行調節，直流輸電線路向發生短路的交流系統輸送的短路電流不大，故障側交流系統的短路電流與沒有互連時幾乎一樣。因此不必更換兩側原有開關及載流設備。
 

　　(5)在高壓直流輸電工程中，各極是獨立調節和工作的，彼此沒有影響。所以，當一極發生故障時，只需停運故障極，另一極仍可輸送至少50%的電能。但在交流輸電線路中，任一相發生性故障，必須全線停電。
 

　　高壓直流輸電也有其缺點：
 

　　(1)直流換流站比交流變電站的設備多、結構復雜、造價高、損耗大、運行費用高；
 

　　(2)諧波較大；
 

　　(3)直流輸電工程在單極大地回路方式下運行時，入地電流會對附近的地下金屬體造成一定腐蝕，竄入交流變壓器的直流電流會使變壓器噪聲增加;
 

　　(4)若要實現多端輸電，技術比較復雜。
 

　　由上可見，高壓直流輸電具有線路輸電能力強、損耗小、兩側交流系統不需同步運行、發生故障時對電網造成的損失小等優點，特別適合用于長距離點對點大功率輸電。而采用交流輸電系統便于向多端輸電。交流與直流輸電配合，將是現代電力傳輸系統的發展趨勢。