特高压交直流输电的优缺点对比

特高压交直流输电的优缺点对比一、直流输电技术的优点1.经济方面：（1）线路造价低。对于架空输电线，交流用三根导线，而直流一般用两根，采用大地或海水作回路时只要一根，能节省大量的线路建设费用。对于电缆，由于绝缘介质的直流强度远高于交流强度，如通常的油浸纸电缆，直流的允许工作电压约为交流的3倍，直流电缆的投资少得多。（2）年电能损失小。直流架空输电线只用两根，导线电阻损耗比交流输电小；没有感抗和容抗的无功损耗；没有集肤效应，导线的截面利用充分。另外，直流架空线路的“空间电荷效应”使其电晕损耗和无线电干扰都比交流线路小。所以，直流架空输电线路在线路建设初投资和年运行费用上均较交流经济。2.技术方面：（1）不存在系统稳定问题，可实现电网的非同期互联。由此可见，在一定输电电压下，交流输电容许输送功率和距离受到网络结构和参数的限制，还须采取提高稳定性的措施，增加了费用。而用直流输电系统连接两个交流系统，由于直流线路没有电抗，不存在上述稳定问题。因此，直流输电的输送容量和距离不受同步运行稳定性的限制，还可连接两个不同频率的系统，实现非同期联网，提高系统的稳定性。（2）限制短路电流。如用交流输电线连接两个交流系统，短路容量增大，甚至需要更换断路器或增设限流装置。然而用直流输电线路连接两个交流系统，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。（3）调节快速，运行可靠。直流输电通过可控硅换流器能快速调整有功功率，实现“潮流翻转”（功率流动方向的改变），在正常时能保证稳定输出，在事故情况下，可实现健全系统对故障系统的紧急支援，也能实现振荡阻尼和次同步振荡的抑制。在交直流线路并列运行时，如果交流线路发生短路，可短暂增大直流输送功率以减少发电机转子加速，提高系统的可靠性。（4）没有电容充电电流。直流线路稳态时无电容电流，沿线电压分布平稳，无空、轻载时交流长线受端及中部发生电压异常升高的现象，也不需要并联电抗补偿。（5）节省线路走廊。按同电压500kV考虑，一条直流输电线路的走廊～40m，一条交流线路走廊～50m，而前者输送容量约为后者2倍，即直流传输效率约为交流2倍。二、直流输电技术的不足：（1）换流装置较昂贵。这是限制直流输电应用的最主要原因。在输送相同容量时，直流线路单位长度的造价比交流低;而直流输电两端换流设备造价比交流变电站贵很多。这就引起了所谓的“等价距离”问题。（2）消耗无功功率多。一般每端换流站消耗无功功率约为输送功率的40％～60％,需要无功补偿。（3）产生谐波影响。换流器在交流和直流侧都产生谐波电压和谐波电流，使电容器和发电机过热、换流器的控制不稳定，对通信系统产生干扰。（4）就技术和设备而言，直流波形无过零点，灭弧困难。目前缺乏直流开关而是通过闭锁换流器的控制脉冲信号实现开关功能。若多条直流线路汇集一个地区，一次故障也可能造成多个逆变站闭锁，而且在多端供电方式中无法单独地切断事故线路而需切断全部线路，从而会对系统造成重大冲击。（5）从运行维护来说，直流线路积污速度快、污闪电压低，污秽问题较交流线路更为严重。与西方发达国家相比，目前我国大气环境相对较差，这使直流线路的清扫及防污闪更为困难。设备故障及污秽严重等原因使直流线路的污闪率明显高于交流线路。（6）不能用变压器来改变电压等级。直流输电主要用于长距离大容量输电、交流系统之间异步互联和海底电缆送电等。与直流输电比较，现有的交流500kV输电（经济输送容量为1000MW,输送距离为300~500km）已不能满足需要，只有提高电压等级，采用特高压输电方式，才能获得较高的经济效益。三、特高压交流输电的主要优点：（1）提高传输容量和传输距离。随着电网区域的扩大，电能的传输容量和传输距离也不断增大。所需电网电压等级越高，紧凑型输电的效果越好。（2）提高电能传输的经济性.输电电压越高输送单位容量的价格越低。（3）节省线路走廊和变电站占地面积。一般来说，一回1150kV输电线路可代替6回500kV线路。采用特高压输电提高了走廊利用率。（4）减少线路的功率损耗,就我国而言,电压每提高1％,每年就相当于新增加500万kW的电力,500kV输电比1200kV的线损大5倍以上。（5）有利于连网，简化网络结构，减少故障率。四、特高压输电的主要缺点：特高压输电的主要缺点是系统的稳定性和可靠性问题不易解决。自1965-1984年世界上共发生了6次交流大电网瓦解事故，其中4次发生在美国，2次在欧洲。这些严重的大电网瓦解事故说明采用交流互联的大电网存在着安全稳定、事故连锁反应及大面积停电等难以解决的问题。特别是在特高压线路出现初期，不能形成主网架，线路负载能力较低，电源的集中送出带来了较大的稳定性问题。下级电网不能解环运行，导致不能有效降低受端电网短路电流，这些都威胁着电网的安全运行。另外，特高压交流输电对环境影响较大。总结：输电线路的建设主要考虑的是经济性，而互联线路则要将系统的稳定性放在第一位。在超高压交流输电方面，若在500kV电压等级上采用750kV（最高运行电压800kV），有可能因两级电压相距太近，会造成电磁环网多、潮流控制困难、电网损耗大等问题，而且，即使今后采用灵活交流输电技术或紧凑型输电技术，输电容量的有限增加仍难以满足电力系统长远发展的需要。综上所述，与750kV交流输电相比较，特高压在大容量远距离输电和建设全国的坚强电网方面具有一定的优势，在技术和设备上并无不可逾越的技术难题，在建设投资和运行上也较为经济。高压直流输电虽然输送容量大且可以非同步并网，但由于其换流站成本高昂，控制复杂并不适合构成电力系统的骨架。高压直流输电更适用于不同区域网架之间的连接，以及远距离大容量的电力输送。而（特）高压交流系统则适合作为大区域中枢，担当网架的主干。两者优势互补，各有分工。事实上，在我国特高压电网建设中,将以1000kV交流特高压输电为主形成特高压电网骨干网架，实现各大区电网的同步互联；±800kV特高压直流输电则主要用于远距离、中间无落点（难以引出分支线路，换流站昂贵）、无电压支撑的大功率输电工程。中国科学院院士、中国电科院研究员周孝信指出，直流输电和交流输电只能互补，不能互相取代。他介绍，直流输电只具有输电功能、不能形成网络，类似于“直达航班”，中间不能落点，定位于超远距离、超大容量“点对点”输电。直流输电可以减少或避免大量过网潮流，潮流方向和大小均能方便地进行控制。但高压直流输电必须依附于坚强的交流电网才能发挥作用。交流输电则具有输电和构建网络双重功能，类似于“公路交通网”，可以根据电源分布、负荷布点、输送电力、电力交换等实际需要构成电网。中间可以落点，电力的接入、传输和消纳十分灵活，定位于构建坚强的各级输电网络和经济距离下的大容量、远距离输电，广泛应用于电源的送出，为直流输电提供重要支撑。一、首先我们来看高压直流输电的特点：1.换流器控制复杂，造价高；2.直流输电线路造价低，输电距离越远越经济；3.没有交流输电系统的功角稳定问题，适合远距离输电；4.适合海底电缆（海岛供电、海上风电）和城市地下电缆输电；5.能够非同步（同频不同相位，或不同频，或不同电压等级）连接两个交流电网，且不增加短路容量；6.传输功率的可控性强，控制速度快，可有效支援交流系统；7.换流器大量消耗无功（注意这是对LCC-HVDC而言，VSC-HCDC整流侧和逆变侧均可独立灵活控制无功，两种系统差别下文将单独说明。），且产生谐波；8.双极不对称大地回线运行时存在直流偏磁问题和电化学腐蚀问题（地电流危害）；9.不能向无源系统供电（依然是对LCC-HVDC系统而言），构成多端直流系统困难（由于直流没有过零点，难以熄弧，所以现在缺少大容量直流断路器，无法切除输电线路的短路故障，从而限制了多端直流输电的发展。最近ABB貌似把这个东西搞出来了，不明觉厉。）。二、经济问题：高压直流输电主要是两头换流站贵，线路便宜。所以相较于交流输电，距离越远越经济。架空线路等价距离约在640~960km地下电缆线路的等价距离为56~90km海底电缆线路的等价距离为24~48km*交流输电时电缆线路会与周边介质（海水、土壤）形成一个较大的电容，影响电网的经济稳定，直流输电不存在这个问题。三、电能质量：直流输电系统的主要缺点是存在谐波，特别是低次谐波（主要是LCC-HVDC,而VSC-HVDC最低次谐波频率较高，滤波器可以有效消除这种高次谐波）。另一个不太突出的缺点是地电流。谐波的危害：1.对铁磁设备的影响。谐波造成额外的铁耗导致发热、振动和噪声，降低了设备出力、效率及寿命；2.对旋转电机的影响：谐波造成转矩脉动，转速不稳；3.对电力电容器的影响：谐波可能引起谐振过电压；4.对电力系统测控的影响：谐波使测量误差增加，可能导致控制失灵，保护误动；5.三次谐波电流过大可能使中性线过流；6.谐波叠加在基波上，使电气应力增加，对各种电气设备尤其是电容器的绝缘造成威胁；7.谐波对通信线路造成干扰。HVDC引起的变压器直流偏磁（地电流）：现象：直流输电系统接地极流过较大电流时（如单极大地运行）会导致中性点接地变压器产生直流偏磁现象。后果：导致铁芯饱和，产生谐波，引起振动和噪声，引起发热，严重时损坏变压器，引起保护误动等。四、电网安全：直流输电对电网稳定的贡献：1.紧急功率支援：如交流电网出现大幅度功率缺额（联络线跳开、某些大电厂跳开等），HVDC可以快速增加输送功率或者快速潮流反转。HVDC快速有效的潮流控制能力对于所连交流系统的稳定控制，交流系统正常运行过程中应对负荷随机波动的频率控制及故障状态下的频率变动控制都能发挥重要作用。直流输电对电网的不利影响：1.LCC-HVDC换相失败：概念：当逆变器两个阀进行换相时，因换相过程未能进行完毕，或者预计关断的阀关断后，在反向电压期间未能恢复阻断能力，当加在该阀上的电压为正时，立即重新导通，则发生了倒换相，使预计开通的阀重新关断，这种现象称之为换相失败。危害：a)换相失败引起输送功率中断威胁系统安全稳定；b)交流系统短路时，电压跌落可能引起多个换流站同时发生换相失败，导致多回直流线路功率中断，引起系统潮流大范围转移和重新分布；c)影响故障切除后受端系统电压恢复，进而影响故障切除后直流功率快速恢复，可能会威胁交流系统暂态稳定性。2.谐波不稳定性：概念：HVDC引起的谐波不稳定是指在换流站附近有扰动时，谐波振荡不易衰减甚至放大的现象，表现为交流母线电压严重畸变。危害：电流谐波放大几倍甚至几十倍；电压严重畸变会导致换相失败并使系统运行困难。3.不对称运行：在单极大地回线运行方式或者双极两端接地不对称运行方式下，会有较大电（甚至为额定运行电流）经接地极流经大地。持续、长时间的大电流流过接地极会表现出三类效应：电磁效应、热力效应、电化效应。（1）电磁效应：a)现象：直流电流注入大地，在极址土壤中形成恒定直流电流场，导致出现大地电位升高、跨步电压、接触电势等。b)影响：影响依靠大地磁场工作的设施；对金属管道、铠装电缆、具有接地系统电气设备产生负面影响；跨步电压和接触电势影响人畜安全；电磁干扰。（2）热力效应：a)直流电流作用下电极温度升高，可能蒸发土壤水分，导电性能变差，电极将出现热不稳定，严重时会使土壤烧结成几乎不导电的玻璃状，电极将丧失运行能力。b)影响电极温升土壤参数：电阻率、热导率、热容率、湿度。（3）电化效应：a)大地中水与盐类物质相当于电解液，当直流电流经大地返回时，在阳极上会产生氧化反应，使得电极及附近金属发生电腐蚀；也会导致附近土壤中盐类物质被电解。4.短时过电压：（1）现象：超过正常电压范围，持续相对较长时间的不衰减或衰减慢的过电压。（TemporaryOvervoltage，TOV）（2）原因：造成换流站短时过电压的根本原因是换流站安装的大量无功补偿电容器和滤波器；额定工况下，无功容量为额定输送功率的40%-60%，甩负荷时引起无功消耗大幅下降甚至为零，剩余的无功补偿容量就会导致过电压。5.HVDC引起的次同步振荡（SubsynchronousOsci