直流输电与 FACTS技术

直流输电与FACTS技术
直流输电定义：
直流输电是指：将发电厂发出的交流电，经整流器变换成直流电输送至受电端，再用逆变器将直流电变换成交流电送到受端交流电网的一种输电方式。

主要应用于远距离大功率输电和非同步交流系统的联网，具有线路投资少、不存在系统稳定问题、调节快速、运行可靠等优点。

直流输电系统：主要由换流站（整流站和逆变站）、直流线路、交流侧和直流侧的电力滤波器、无功补偿装置、换流变压器、直流电抗器以及保护、控制装置等构成（见图）。

其中换流站是直流输电系统的核心，它完成交流和直流之间的变换。

为什么发展直流？
导线不但有电阻，还有电感。

较细的导线，电阻的作用超过电感.在输电功率大，输电导线横截面积大的情况下，对交流来说，感抗会超过电阻，但对稳定的支流则只有电阻，没有感抗。

输电线一般是架空线，但跨过海峡给海岛输电时要用水下电缆，穿过人口密集的城市输电时要用地下电缆，电缆在金属芯线的外面包着一层绝缘皮，水和大地都是导体，被绝缘皮隔开的金属芯线和水（或大地）构成了电容器。

在交流输电的情况下，这个电容对输电线路的末端（受电端）起旁路电容的作用，并且随着电缆增长而增大，旁路
电容会增大到交流几乎送不出去的程度。

这时交流输电已无实际意义，只能用直流输电，因为电容对稳定的直流不起作用。

目前，使用交流并网是绝大多数风电场并网的选择。

但是风电场通过交流并网目前普遍存在一些技术瓶颈：
首先，使用交流并网需要风电场和所连接的交流系统必须严格保持频率同步，而风机对并网处交流母线电压波动较为敏感。

现有运行经验表明，交流系统电压波动是风机退网的主要原因之一。

其次，在交流系统发生故障的情况下，风电场的稳定运行往往需要在母线出线端加装无功补偿装置，从而提高风场的故障穿越能力。

但这样一来加大了风电场投资，另外补偿装置对风机的最大风能捕捉及风机控制器本身，都有可能造成不利影响。

最后，对于海上风电场来说，如果使用交流电缆连接，当电缆长度超过一定数值后，需要很大的感性无功补偿装置，尤其是对于距离岸边较远的风电场来说，在线路中间进行无功补偿几乎没有可能。

而使用柔性直流输电电缆理论上没有距离限制，所以当超过一定的等价距离后，一般大于50~100千米，使用直流并网是最合理的选择。

直流输电优点：
(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。

(3)不存在系统稳定问题，可实现电网的非同期互联，而交流电力系统中所有的同步发电机都保持同步运行。

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。

(4)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。

(5)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。

(6)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。

(7)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。

直流发点应用：
直流输电目前主要用于5各方面：
①远距离大功率输电；
②联系不同频率或相同频率而非同步运行的交流系统；
③作网络互联和区域系统之间的联络线（便于控制、又不增大短路容量）；
④以海底电缆作跨越海峡送电或用地下电缆向用电密度高的大城市供电；
⑤在电力系统中采用交、直流输电线的并列运行，利用直流输电线的快速调节，控制、改善电力系统的运行性能。

直流输电发展前景：
随着电力电子技术的发展，大功率可控硅制造技术的进步、
价格下降、可靠性提高，换流站可用率的提高，直流输电技术的日益成熟，直流输电在电力系统中必然得到更多的应用。

当前，研制高压直流断路器、研究多端直流系统的运行特性和控制、发展多端直流系统、研究交直流并列系统的运行机理和控制，受到广泛的关注。

许多科学技术学科的新发展为直流输电技术的应用开拓着广阔
的前景，多种新的发电方式──磁流体发电、电气体发电、燃料电池和太阳能电池等产生的都是直流电，所产生的电能要以直流方式输送，并用逆变器变换送入交流电力系统；极低温电缆和超导电缆也更适宜于直流输电，等等。

今后的电力系统必将是交、直流混合的系统。

直流输电的发展也受到一些因素的限制。

首先，直流输电的换流站比交流系统的变电所复杂、造价高、运行管理要求高；其次，换流装置（整流和逆变）运行中需要大量的无功补偿，正常运行时可达直流输送功率的40～60％；换流装置在运行中在交流侧和直流侧均会
产生谐波，要装设滤波器；直流输电以大地或海水作回路时，会引起沿途金属构件的腐蚀，需要防护措施。

要发展多端直流输电，需研制高压直流断路器。