[科普中国]-高压直流输电系统

高压直流输电系统是利用稳定的直流电具有无感抗，容抗也不起作用，无同步问题等优点而采用的大功率远距离直流输电系统。输电过程为直流。常用于海底电缆输电，非同步运行的交流系统之间的连络等方面。1

功能在一个高压直流输电系统中，电能从三相交流电网的一点导出，在换流站转换成直流，通过架空线或电缆传送到接受点；直流在另一侧换流站转化成交流后，再进入接收方的交流电网。直流输电的额定功率通常大于100兆瓦，许多在1000-3000兆瓦之间。

高压直流输电用于远距离或超远距离输电，因为它相对传统的交流输电更经济。

应用高压直流输电系统，电能等级和方向均能得到快速精确的控制，这种性能可提高它所连接的交流电网性能和效率，直流输电系统已经被普遍应用。

高压直流输电是将三相交流电通过换流站整流变成直流电，然后通过直流输电线路送往另一个换流站逆变成三相交流电的输电方式。它基本上由两个换流站和直流输电线组成， 两个换流站与两端的交流系统相连接。

直流输电线造价低于交流输电线路但换流站造价却比交流变电站高得多。一般认为架空线路超过600-800km，电缆线路超过40-60km直流输电较交流输电经济。随着高电压大容量可控硅及控制保护技术的发展，换流设备造价逐渐降低直流输电近年来发展较快。我国葛洲坝一上海1100km、±500kV，输送容量的直流输电工程，已经建成并投入运行。此外，全长超过2000公里的向家坝-上海直流输电工程也已经完成，于2010年7月8日投入运行。该线路是目前（截至2011年初）世界上距离最长的高压直流输电项目。1

主要优点优点是不增加系统的短路容量便于实现两大电力系统的非同期联网运行和不同频率的电力系统的联网;利用直流系统的功率调制能提高电力系统的阻尼，抑制低频振荡，提高并列运行的交流输电线的输电能力。它的主要缺点是直流输电线路难于引出分支线路绝大部分只用于端对端送电。加拿大原计划开发和建设五端直流输电系统现已建成三端直流输电系统。实现多端直流输电系统的主要技术困难是各种运行方式下的线路功率控制问题。目前， 一般认为三端以上的直流输电系统技术上难实现经济合理性待研究。2

主要设备包括换流器、换流变压器、平波电抗器、交流滤波器、直流避雷器及控制保护设备等。

换流器又称换流阀是换流站的关键设备，其功能是实现整流和逆变。目前换流器多数采用晶闸管可控硅整流管)组成三相桥式整流作为基本单元，称为换流桥。一般由两个或多个换流桥组成换流系统，实现交流变直流直流变交流的功能。

换流器在整流和逆变过程中将要产生5、7、11、13、17、19等多次谐波。为了减少各次谐波进入交流系统在换流站交流母线上要装设滤波器。它由电抗线圈、电容器和小电阻3种设备串联组成通过调谐的参数配合可滤掉多次谐波。 一般在换流站的交流侧母线装有5、7、11、13次谐波滤波器组。

单极又分为一线一地和单极两线的方式。直流输电一般采用双极线路，当换流器有一极退出运行时，直流系统可按单极两线运行，但输送功率要减少一半。2

节能探索自上世纪80年代以来，电力传输技术的发展步伐明显加快，提高传输能力的办法不断涌现，既有直流输电技术、柔性交流输电技术、分频输电技术等高新技术，同时也有对现有高压交流输电线路的增容改造技术，如升压改造、复导增容改造、交流输电线路改为直流输电技术等。直流输电，对于提高现有传输系统的传输能力，挖掘现有设备潜力，具有十分重要的现实意义，实施起来可收到事半功倍的效果。

经济性三大特性突出节能效果

从经济方面看，直流输电有以下三个主要优点：

首先，线路造价低，节省电缆费用。直流输电只需两根导线，采用大地或海水作回路只用一根导线，能够节省大量线路投资，因此电缆费用省得多。

其次，运行电能损耗小，传输节能效果显著。直流输电导线根数少，电阻发热损耗小，没有感抗和容抗的无功损耗，且传输功率的增加使单位损耗降低，大大提高了电力传输中的节能效果。

最后，线路走廊窄，征地费省。以同级500千伏电压为例，直流线路走廊宽仅40米，对于数百千米或数千千米的输电线路来说，其节约的土地量是很可观的。

除了经济性，直流输电的技术性也可圈可点。直流输电调节速度快，运行可靠。在正常情况下能保证稳定输出，在事故情况下可实现紧急支援，因为直流输电可通过可控硅换流器快速调整功率、实现潮流翻转。此外，直流输电线路无电容充电电流，电压分布平稳，负载大小不发生电压异常不需并联电抗。

提升空间大功率电力电子器件将改善直流输电性能

直流输电最核心的技术集中于换流站设备，换流站实现了直流输电工程中直流和交流相互能量转换，除在交流场具有交流变电站相同的设备外，还有以下特有设备：换流阀、控制保护系统、换流变压器、交流滤波器和无功补偿设备、直流滤波器、平波电抗器以及直流场设备，而换流阀是换流站中的核心设备，其主要功能是进行交直流转换，从最初的汞弧阀发展到现在的电控和光控晶闸管阀。

晶闸管用于高压直流输电已有很长的历史。近10多年来，可关断的晶闸管、绝缘门极双极性三极管等大功率电子器件的开断能力不断提高，新的大功率电力电子器件的研究开发和应用，将进一步改善新一代的直流输电性能、大幅度简化设备、减少换流站的占地、降低造价。

远距离输电优势明显

发电厂发出的交流电通过换流阀变成直流电，然后通过直流输电线路送至受电端再变成交流电，注入受端交流电网。业内专家一致认为。高压直流输电具有线路输电能力强、损耗小、两侧交流系统不需同步运行、发生故障时对电网造成的损失小等优点，特别适合用于长距离点对点大功率输电。

其中，轻型直流输电系统采用可关断的晶闸管、绝缘门极双极性三极管等可关断的器件组成换流器，使中型的直流输电工程在较短输送距离也具有竞争力。

此外，可关断器件组成的换流器，还可用于向海上石油平台、海岛等孤立小系统供电，未来还可用于城市配电系统，接入燃料电池、光伏发电等分布式电源。轻型直流输电系统更有助于解决清洁能源上网稳定性问题。2

高压直流供电技术应用现状1、高压直流供电技术的应用情况

我国对高压直流供电技术的应用主要体现在，中国电信公司在使用并且推广高压直流供电技术，并且电信公司与电源系统的开发商在不断的研究高压直流电源，如今，这种供电方式已经被相关部门广泛的应用。虽然高压直流电源可以选择多种电压，但是依然没有后端设备厂商的大力支持。在选择供电电压的时候一定要确保整个供电系统可以正常的运作，高压直流供电技术中存在的问题不断的解决，高压直流供电技术就会得到飞快的发展。

2、影响高压直流供电技术发展的因素

随着通信行业不断发展的同时，对供电电源的要求也越来越多。高压直流电源的应用比较广泛，但是高压直流电源的发展依然有很多制约的因素：

1）后端设备对高压直流供电技术的影响

虽然在很多行业中高压直流电源可以满足后端设备电源的基本需求，但是高压直流电源的标准不是后端设备要求的标准电源，这样整个系统在运行过程中就会出现一定的风险，其主要表现在以下方面。

（1）技术风险

虽然使用高压直流供电的后端设备比较多，但是根据高压直流电源的试点运行状况分析，会存在部分设备不支持高压直流电源的现象，而设备是否支持高压直流电源的检测，只有通过运行才可以检测出来，但是检测需要一定的时间，因此，在检测结果出来以前会存在很多风险。

（2）法律风险

在使用高压直流电源的时候后端设备发生故障，对于运营商是不利的，在面临极大的风险考验的同时，高压直流电源的使用很可能会造成合同双方陷入法律纠纷之中。

2）电源系统的定型以及数量对高压直流供电技术的制约

因为高压直流供电技术没有相关的技术标准体系，虽然在很多部门已经得到了广泛的应用，但是依然缺乏对高压直流电源的技术引导、使用经验，所以就出现了高压直流供电产品没有最终定型的状况，而高压直流供电的产品的数量也不能确定。

3）相关的配套器件对高压直流供电技术发展的制约

在高压直流供电系统中，虽然有很多配套器件都是很常见的，但是还会存在一些比较罕见的器件，例如，熔断器、断路器等配电元件。高压直流供电对电压的要求很大，因此对这些器件的要求也很高，这些器件在市场上是不经常看见的，对高压直流供电技术的发展带来了障碍。

4）监控系统对高压直流供电技术发展的制约

高压直流供电技术如果想在动力环境监控系统大规模的应用，那么对技术的要求就会很高，开关电源没有困难，但是配套的电池组是很难实现。因为到目前为止，还没有可以提供专用电池监控系统的供应商。

3、高压直流供电技术的发展前景

很多中国电信公司在逐渐的发展服务器与交流电源相兼容的240V直流电压。电信公司根据供电安全第一的理念，在逐渐的实现节能、用电产品可以兼容的发展目标，在这个过程中，中国电信选择了高压直流电源作为设备的供电电源。相关报告显示，电信公司的数据电源市场中，高压直流电源的数量已经完全超过传统不间断供电的电源，并且决定在未来的发展中还要继续扩大高压直流电源的应用范围。与此同时，不同的通信企业，也在努力的促进高压直流电源的发展速度，这些企业把高压直流电源中直接引入到定制的服务器中，这样高压直流电源将会推动高压直流电源的发展，因此，可以说高压直流电源有着很强的发展前景，并且高压直流供电在逐步的代替传统的不间断供电电源。3

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所