高壓直流輸電入地電流在交流電網(wǎng)分布的應(yīng)用探討

劉　珅

（西安電力高等?？茖W(xué)校，陜西 西安 710032）

高壓直流輸電入地電流在交流電網(wǎng)分布的應(yīng)用探討

劉珅

（西安電力高等?？茖W(xué)校，陜西 西安 710032）

調(diào)查研究顯示，現(xiàn)如今，我國(guó)在探知高壓直流輸電入地電流在交流電網(wǎng)中的分布類型及方式，大都是通過(guò)利用計(jì)算機(jī)仿真模擬來(lái)完成的。仿真模擬的過(guò)程就是，先借助事先得到的一些數(shù)據(jù)，整理電網(wǎng)的信息，然后再建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，最后利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行直流分布的仿真模擬。本文對(duì)交流電網(wǎng)和高壓直流輸電進(jìn)行了簡(jiǎn)要地介紹，分析了高壓直流輸電對(duì)交流電網(wǎng)的影響，并且以廣東電網(wǎng)為例，詳細(xì)闡述了如何利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，了解高壓直流輸電入地電流在交流電網(wǎng)中的分布。

高壓直流輸電；計(jì)算機(jī)仿真；交流電網(wǎng)

自第一座大型的交流電站成立后，交流電就逐步取代了直流電在人們生活中的應(yīng)用。但是到了20世紀(jì)50年代，新型的直流輸電技術(shù)即高壓直流輸電開(kāi)始出現(xiàn)并迅速發(fā)展起來(lái)，它具有很多高壓交流輸電技術(shù)沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，比如說(shuō)，可以長(zhǎng)距離輸電；不同的電網(wǎng)之間能夠互相連接等等。不過(guò)，在單極大地回線運(yùn)行時(shí)，入地電流在電壓變化較大的電站之間運(yùn)轉(zhuǎn)就會(huì)產(chǎn)生很大的感應(yīng)電壓，在這種情況下，直流電壓就很有可能通過(guò)某種方式流入變壓器，最后進(jìn)入電網(wǎng)并以一種特定的方式分布其中。這不僅會(huì)影響到變壓器的正常運(yùn)行，還極有可能破壞附近的交流系統(tǒng)，無(wú)法保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行。所以，我們就高壓直流輸電中的入地電流在交流電網(wǎng)中的分布規(guī)律進(jìn)行研究，具有非常大的必要性。

1.交流電網(wǎng)的現(xiàn)狀

在費(fèi)郎蒂設(shè)計(jì)出了交流電站之后，交流電在人們的日常生活中得到了廣泛地應(yīng)用，它之所以能夠在短時(shí)間內(nèi)走進(jìn)人們的生活，原因大致可以分為3點(diǎn)。其一是，交流發(fā)電機(jī)利用電磁感應(yīng)的原理，將大自然賜予我們的水流能、風(fēng)能等等可持續(xù)性發(fā)展的能源，轉(zhuǎn)化為生活所需的電能；其二，與直流變電站相比，交流變電站所需的費(fèi)用會(huì)少很多，在造價(jià)上更為低廉；其三，交流電可以直接通過(guò)變壓器進(jìn)行升壓和降壓，這給電力的配送帶來(lái)了極大的方便。

雖然交流電的獲取與配送有著很多的優(yōu)點(diǎn)，但是，凡事都有利與弊，交流電也存在著很多的缺點(diǎn)，這個(gè)同樣也可以概括為3個(gè)主要方面。一方面，交流電在運(yùn)輸過(guò)程中，會(huì)受到距離的限制。在進(jìn)行交流輸電時(shí)，除了會(huì)有因?yàn)閷?dǎo)線的電阻消耗一部分能源之外，還會(huì)有交流感抗的消耗，這就在很大程度上限制了交流電的傳輸距離；另一方面，交流電的年耗能非常巨大。交流電在使用過(guò)程中，除了阻抗會(huì)消耗一部分的功率，電抗的能耗問(wèn)題也很嚴(yán)重，這就造成了很多能源的浪費(fèi)；最后一點(diǎn)，交流電的兩端系統(tǒng)需要同時(shí)運(yùn)行。交流電在傳輸?shù)倪^(guò)程中，還會(huì)在兩端的傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生電流的相位差，這時(shí)，如果不同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)系統(tǒng)，就可能造成設(shè)備的損耗，甚至造成大面積的停電現(xiàn)象。

2.高壓直流輸電

在交流電的使用進(jìn)行到一個(gè)階段之后，人們逐漸發(fā)現(xiàn)了很多無(wú)法解決的問(wèn)題，因此，又想到了用高壓直流輸電來(lái)代替交流電的使用。尤其是我國(guó)的土地面積非常大，含有豐富的能源，但是資源的分布極不均勻。比如說(shuō)，有2/3的水資源分布在西南西北地區(qū)；60%的煤炭資源分布在人口稀疏的西部地區(qū)。那些耗電量巨大的東部、中部以及南部地區(qū)占有的資源非常短缺，所以說(shuō)，我國(guó)對(duì)于直流輸電的研究工作極度重視。功夫不負(fù)有心人，在1980年左右，我國(guó)終于順利建成了第一座高壓直流輸電路線，這個(gè)線路跨度100km，最大輸電容量高達(dá)500MW，這是我國(guó)直流輸電史上最重要的工程之一。而到了1990年，第一條雙極直流輸電工程開(kāi)始施工并很快投入使用，相比于之前的500MW，這條雙極直流輸電的輸電容量達(dá)到了1200MW，解決了長(zhǎng)距離輸電的難題，使直流電與交流電搭配共同輸電成為可能。2005年，我國(guó)的第一個(gè)換流站開(kāi)始投入使用，它的輸電量、輸電電流以及交流電壓都達(dá)到了從未有過(guò)的高度，從此實(shí)現(xiàn)了高壓直流輸電在交流電網(wǎng)中的應(yīng)用。

3.高壓直流輸電在交流電網(wǎng)中的應(yīng)用

高壓直流輸電可以不用考慮兩端的交流系統(tǒng)中的相位差問(wèn)題，而且它只傳送有功功率，不會(huì)因?yàn)樽杩购碗娍瓜膫魉偷馁Y源。交流電網(wǎng)則可以很方便地運(yùn)用由其他能源轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的電能，在升壓與降壓上有高壓直流輸電沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)。所以將兩者結(jié)合起來(lái)，就可以在很大的程度上節(jié)約不可再生的能源。下面我們就針對(duì)高壓直流輸電在交流電網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行分析介紹。

3.1提高穩(wěn)定性

如上所述，由于交流電網(wǎng)兩端的系統(tǒng)需要同步進(jìn)行，所以穩(wěn)定性能特別差，而高壓直流輸電因?yàn)椴挥每紤]相位差的問(wèn)題，具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。根據(jù)優(yōu)劣互補(bǔ)的原理，用直流輸電把兩個(gè)交流系統(tǒng)連接到一起，這樣不僅可以把有功功率和無(wú)功功率分隔開(kāi)，保障功率的利用率，還能在其中的某一個(gè)電網(wǎng)短路的情況下，利用直流線路將其隔離開(kāi)，做到不影響其他電網(wǎng)的正常工作，最終避免因此而導(dǎo)致大面積停電的現(xiàn)象發(fā)生。

3.2減少輸電功率的損耗

眾所周知，交流電網(wǎng)因?yàn)橛须娍购妥杩沟木壒?，?huì)消耗掉大量的輸送功率，而高壓直流輸電不考慮那些無(wú)功功率的影響。所以兩者結(jié)合之后，就可以減少甚至避免短路容量的增加，削弱對(duì)斷路器的影響，有利于長(zhǎng)距離輸電的進(jìn)行。

3.3提高可控性

交流電網(wǎng)中的傳送功率大小和方向都是不可控制的因素，與之相反，高壓直流輸電的傳送功率是特別容易控制的。這樣結(jié)合之后，就可以嚴(yán)格按照之前設(shè)定好的參數(shù)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行控制，減少兩端交流系統(tǒng)對(duì)于功率傳送的限制作用，方便了兩個(gè)電網(wǎng)之間的電能輸送。

3.4減少費(fèi)用開(kāi)支

通常，電量輸送都是在比較大的工程中，而大型的工程肯定會(huì)有錯(cuò)綜復(fù)雜的線路。在單純的交流電網(wǎng)的線路中，一般是用三相電來(lái)進(jìn)行電量的輸送，會(huì)有很大的費(fèi)用支出，相比于交流電網(wǎng)中的線路，高壓直流輸電就簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)很多。因?yàn)閱?、雙直流輸電只需要幾根導(dǎo)線就可以完成，再加上線路的數(shù)量少、寬度低，所以在整個(gè)工程中都不會(huì)由于線路問(wèn)題有很大的花銷。這樣在進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，線路越長(zhǎng)，節(jié)約的費(fèi)用就越多。

3.5故障發(fā)生的可能性減小

如果兩個(gè)交流系統(tǒng)用交流的線路進(jìn)行連接，那么在其中的一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，另一個(gè)系統(tǒng)就要發(fā)送短路的電路給它，這樣容易造成兩個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)出現(xiàn)破壞。與之不同的是，高壓直流輸電可以通過(guò)可控硅的裝置，快速便捷的調(diào)整電路中的輸出功率，不會(huì)向已經(jīng)出現(xiàn)短路現(xiàn)象的線路輸送短路電流，更不會(huì)影響電路開(kāi)關(guān)的正常使用。

4.應(yīng)用實(shí)例

上面已經(jīng)針對(duì)高壓直流輸電與交流電網(wǎng)結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了分析，不過(guò)很多工作人員都不清楚直流電在其中的分布情況，為了能夠?qū)ζ溆幸粋€(gè)更好地了解，下面就以廣東電網(wǎng)為例，介紹一下高壓直流輸電入地電流在交流電網(wǎng)中的應(yīng)用。廣東電網(wǎng)已經(jīng)建成了5個(gè)高壓直流輸電系統(tǒng)，采用單極大地回線的方式傳送電能，而在廣東的475個(gè)變電站中，有40多個(gè)變電站采用抑制直流分布的措施減少高性能設(shè)備的使用。目前，位于廣東的各個(gè)電網(wǎng)站點(diǎn)都是利用計(jì)算機(jī)仿真軟件，來(lái)核實(shí)錄制的電網(wǎng)信息是否屬實(shí)。利用計(jì)算機(jī)仿真軟件還可以預(yù)測(cè)不同的直流工程的分布情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，交流電網(wǎng)的規(guī)模越大，變電站的分布就會(huì)相對(duì)密集一些，而直流在所有的線路中所占的比例也就越大。不過(guò)利用仿真系統(tǒng)勘測(cè)的結(jié)果也會(huì)有一定的誤差，比如說(shuō)，接地運(yùn)行的110kW系統(tǒng)會(huì)影響220kW網(wǎng)絡(luò)的直流分布，不過(guò)500kW系統(tǒng)的直流分布情況不會(huì)發(fā)生大的改變。現(xiàn)如今，并沒(méi)有一套完全準(zhǔn)確的方法可以對(duì)高壓直流輸電入地電流在交流電網(wǎng)中的分布情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，所以只能對(duì)變壓器的參數(shù)、110kW系統(tǒng)的運(yùn)行方式以及中性點(diǎn)串聯(lián)設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格地控制，避免由此而引起大的誤差。

結(jié)語(yǔ)

隨著人們生活水平的大幅度提升，人們對(duì)于電量的需求也越來(lái)越大，而如何將可再生的資源轉(zhuǎn)換成日常生活所需的電能，成了我國(guó)亟需解決的問(wèn)題之一。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，交流電網(wǎng)可以將風(fēng)能、水流能轉(zhuǎn)化為電能，但是在電能的傳輸過(guò)程中會(huì)造成極大的浪費(fèi)，而高壓直流輸電能夠把有用功和無(wú)用功分離開(kāi)，增大電量傳送的利用率，所以將兩者結(jié)合起來(lái)，就可以解決交流電網(wǎng)中的很多缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)國(guó)家對(duì)于遠(yuǎn)距離輸電的要求，進(jìn)而使得人口密集但資源不充沛的地區(qū)，用電難的問(wèn)題得到緩解。

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