直流輸電技術發展

關鍵字：電力技術 直流輸電 發展情況
 

　　電力技術的發展是從直流電開始的，早期的直流輸電是不需要經過換流的直流輸電，即發電、輸電和用電均為直流電。如1882年在德國建成的57km向慕尼黑展覽會送電的直流輸電線路（2kV，1.5kW）；1889年在法國用直流發電機串聯而得到高電壓，從毛梯埃斯（Moutiers）到里昂（Lyon）的230km直流輸電線路（125kV，20MW）等，均為此種類型。隨著三相交流發電機，感應電動機和變壓器的迅速發展，發電和用電領域很快被交流電所取代。同時變壓器又可方便地改變交流電壓，從而使交流輸電和交流電網得到迅速的發展，并很快占據了統治地位。但在輸電領域直流具有交流輸電所不能取代之處，如遠距離海底電纜或地下電纜輸電，不同頻率電網之間的聯網或送電等。
   直流輸電的發展與換流技術（特別是高電壓、大功率換流設備）的發展有密切的關系。
   汞弧閥換流時期  1901年發明的汞弧整流管只能用于整流。1928年具有柵極控制能力的汞弧閥研制成功，它不但可用于整流，同時也解決了逆變問題。因此可以說大功率汞弧閥使直流輸電成為現實。從1954年世界上*個工業性直流輸電工程（哥特蘭島直流工程）在瑞典投入運行以后，到1977年Z后一個采用汞弧閥換流的直流輸電工程（納爾遜河1期工程）建成，世界上共有12項汞弧閥換流的直流工程投入運行，其中Z大的輸送容量為1440MW（美國太平洋聯絡線1期工程），Z高輸電電壓為±450kV（納爾遜河1期工程），Z長輸電距離為1362km（太平洋聯絡線）。這一時期可以稱為汞弧閥換流時期。由于汞弧閥制造技術復雜、價格昴貴、逆弧故障率高、可靠性較差、運行維護不便等因素，使直流輸電的應用和發展受到限制。
    晶閘管閥換流時期  20世紀70年代以后，電力電子和微電子技術的迅速發展，高壓大功率晶閘管的出現，晶閘管換流閥和計算機控制在直流輸電工程中的應用，有效地改善了直流輸電的運行性能和可靠性，促進了直流輸電技術的發展。晶閘管換流閥沒有逆弧故障，而且制造、試驗、運行、維護和檢修都比汞弧閥簡單而方便。1970年瑞典首先在哥特蘭島直流輸電工程原有的汞弧閥換流器上，擴建了直流電壓為50kV，輸送功率為10MW的晶閘管換流閥試驗工程。1972年世界上*項全部采用晶閘管換流的伊爾河直流背靠背工程在加拿大投入運行。從此以后世界上新建的直流輸電工程均采用晶閘管換流閥。與此同時，原來采用汞弧閥換流的直流工程也逐步被晶閘管換流閥所替代。從70年代起開始了直流輸電技術的晶閘管換流時期。在此期間，微機控制和保護、光電控制、水冷技術、氧化鋅避雷器等新技術在直流輸電工程中也得到了廣泛的應用。
    從1954年到1998年世界上已投入運行的直流輸電工程有57項，其中架空線路15項，電纜線路10項，架空線和電纜混合線路9項，背靠背直流工程23項。考慮到正在建設的直流工程，目前已運行和正在建設的直流工程共66項，其中架空線路20項（占30.3%），電纜線路10項（占15.2%），架空線和電纜混合線路11項（占16.6%），背靠背直流工程25項（占37.9%）。這些工程的總輸送容量為63674MW，其中架空線路單項工程的Z大容量為6000MW（已運行的為3150MW），Z高電壓為±750kV（已運行的為±600kV），Z長輸電距離為2414km（已運行的為1700km）。單項直流電纜工程的Z大容量為2800MW（已運行的為1000MW），Z高電壓為±500kV（已運行的為450kV），Z長輸電距離為670 km（已運行的為250 km）。單項背靠背工程Z大容量為1065MW。
    在這個時期直流輸電在遠距離大容量送電，電網互聯和電纜送電（特別是海底電纜送電）等方面均發揮了重大的作用。直流工程輸送容量的年平均增長率，在1960-1975年為460MW/年，1976-1980年為1500MW/年，1981-1998年為2096MW/年。
    新型半導體換流設備的應用  進入90年代以后，新型金屬氧化物半導體器件-絕緣柵雙極晶體管（IGBT）首先在工業驅動裝置上得到廣泛的應用。1997年3月世界上*個采用IGBT構成電壓源換流器的直流輸電工業性試驗工程，在瑞典中部投入運行，其輸送功率和電壓為3MW和10kV，輸送距離10km。由于這種換流器的功能強，體積小，可以減少換流站的濾波裝置，省去換流變壓器，簡化換流站結構，而稱之為輕型直流輸電（HVDC Light）。采用IGBT的電壓源換流器，具有關斷電流的能力，可以應用脈寬調制（PWM）技術進行無源逆變，解決了用直流輸電向無交流電源的負荷點送電的問題。在瑞典、澳大利亞和愛沙尼亞已有四項輕型直流輸電工程與制造廠簽訂了合同，計劃1999年和2000年建成。但IGBT損耗大，不利于大型直流工程的采用。今后集成門極換相晶閘管（IGCT）和碳化硅等新型半導體器件的開發，給直流輸電技術的發展將創造更好的條件。