高压直流输电系统

发布时间：2006-05-06 作者：Gunnar Asplund, Lennart Carlsson

　　永远的开拓先锋
　　1954 年，当时欧洲的大多数地区都在忙于加大供电基础设施建设，以满足日益增长的用电需求，而此时在波罗的海沿岸，悄无声息地发生了一件大事，并从此对电力输送产生了长期的影响。4 年前，瑞典国家电力局要在瑞典大陆与 Gotland岛之间建设世界第一条商业化的H V D C ( 高压直流 ) 输电线路。1954 年，这条线路投入运行。
　　今天，当 ABB 回顾其对 HVDC 技术的贡献时倍感骄傲。自从铺设了最初那条 90 公里长，功率为 20 MW的100 kV 海底电缆之后，ABB 已无可争辩地在高压直流输电领域成为世界领导者。在全世界目前已建成的总容量超过 110,000 MW 的高压直流输电项目中，超过一半由 ABB提供。
　　十九世纪后期，随着电灯进入了欧美家庭与工厂，对电力需求的快速增长使工程师和相关承包商忙于寻找发电和输电的有效方法。这时，几位先驱者在这一新技术方面已取得了一些进步——能够在数公里之内进行电力传输，这在当时已经十分了不起——而在这时，人们为快速增长的电力需求找到了一个答案：水力发电。几乎同时，人们开始寻找电力输送的方法，试图将这些廉价电力通过较远的距离，输送到用户那里。
　　首先是直流，然后是交流欧美第一批电站提供的是低压直流电， 但其采用的输电系统效率极低。这是因为产生的电力很大一部分都损耗在电缆中了。交流电由于能够很容易转换成高压电，电力损耗小得多，因此具有更高的效率，因而在这一阶段，远距离高压交流(HVAC) 输电占据了主导地位。1893 年，由于引进了三相输电，HVAC (高压交流) 得到了极大的发展。这时，已经可以保证无脉动的平稳电流了。
　　尽管在这场开发有效输电方式的比赛中，直流电从一开始处于下风，但是工程师们从未放弃使用直流的想法。人们仍然在尝试，使用串联直流发电机，然后在接收端使用串联直流电机同轴运行，以此建立了一套高压输电系统。这样的系统的确有效，但却未能在商业应用上获得成功。
　　交流占主导地位
　　由于交流系统不断发展，而电厂距离大多数用户生活工作的地方也越来越远，因而人们建设了高架线路，其输送的交流电压也逐步增高。为了跨越水域的障碍，又开发出了水下电缆。
　　不管怎样，这些输电方式仍然存在一定的问题，特别是系统中电容和电感之间往复振荡的无功功率所产生的问题。因而，电力系统规划人员再一次把目光投向了直流输电的可行性上。
　　当最终证明高压直流输电方式在技术上可行之后，人们在很长一段时间里，仍然一直怀疑它是否能够在市场上与高压交流相竞争。

　　回归直流
　　过去，高压直流输电所遇到的首要的，也是最主要的障碍，便是缺乏能够使高压交流和高压直流相互转换的可靠而又经济的换流阀。很长一段时间，汞弧阀曾经一直是研发的主要方向。20 世纪 20 年代末期以来，ABB 前身之一的瑞典阿西亚公司 (ASEA) 开始生产电压达1,000 V 的静态换流器和汞弧阀，人们于是一直在研究能否开发出电压更高的换流阀。
　　这也促使人们开展了全新领域的研究，而在这些新领域中，当时没有多少现成的技术经验可言。实际上，许多年来，一直有人在怀疑是否有可能针对各种各样的问题找到最终的解决方法。当最终证明高压直流输电方式在技术上可行之后，仍然有人心存疑虑，怀疑它是否能够在市场上成功地与高压交流相竞争。
　　按照相关物理定律导出的数学方程式，人们能够精确设计出旋转电机和变压器，但汞弧阀的设计却在很大程度上依赖于经验性知识。正因如此，试图通过加大阴阳极之间的距离以提高充满汞蒸汽电子管之中电压的努力一次又一次地失败了。
　　1929 年，通过在阳极与阴极之间插入一个栅极的方法，终于解决了这一问题。这一创新方法很快就获得了专利，并且被认为是此后所有高压汞弧阀开发研究的基础。在那段时间领导相关研究工作的 Uno Lamm博士，也因此获得了“HVDC 之父”的荣誉称号。
　　Gotland 线路
　　此时，进行实际试验的时机总算成熟了。1945 年，阿西亚公司与瑞典国家电力局一起，在 Trollh.ttan 建立了一座试验站，距离实验站不远就有一座重要的发电厂可以供应电力。还有一条 50 公里长的电力线路可供使用。
　　接下来几年的试验结果，使得瑞典国家电力局 1950 年订购了有关设备，用来架设世界上第一条 HVDC输电线路。这条线路建造在波罗的海之中的 Gotland 岛与瑞典大陆之间。按照这一订单，公司集中精力开发汞弧阀和高压直流电缆，同时还启动了换流站其它部件的设计工作。这一系列的努力，促成了多个项目的设计开发，其中包括变压器、电抗器、开关柜和保护与控制设备。原有交流系统技术中只有少量技术可以应用在新型直流系统上。因此，有必要开发全新的技术。ErichUhlmann 博士和 Harry Forsell 博士在卢德维卡率领的专家组开始解决这些极为复杂的问题。由此，为 Gotland输电系统开发提出一个理念。
　　直至今天，这一理念基本上仍然保持不变，依然非常成功！
　　由于 Gotland 是一个岛屿，而输电线路必须途经一片水域，因此有必要制造一条能够承载直流电的海底电缆。从 1895 年开始使用的浸渍纸绝缘层的“经典”电缆能够承载 10 kV交流电，人们发现这种电缆具有进一步发展的潜力。不久在此基础上，就开发出 100 kV 直流电缆了！经过 4 年的努力创新，功率为 20 MW的 200 A，100 kV 的 Gotland 高压直流输电线路，终于在 1954 年投入了运行。从此，开创了电力传输的一个崭新时代。
　　最初的 Gotland 线路的成功运行了28 年，最后于 1986 年停用。与此同时，在该岛与瑞典大陆之间，于1983 年和 1987 年又分别建造了两条电力等级更高的新线路。
　　早期 HVDC 项目
　　20 世纪 50 年代初，英国和法国的电力管理当局计划铺设一条跨越英吉利海峡的输电线路。当时就选定了高压直流输电方式，而这也是 ABB 赢得的第二个 HVDC 输电线路的订单——该线路的额定功率为160 MW。
　　这些早期项目的成功，在世界范围内引起了很大关注。上世纪 60 年代，相继建设了几条 HVDC 输电线路：瑞典与丹麦之间的 Konti Skan线路，日本的 Sakuma 线路 (带有50 / 60Hz 变频器)，新西兰的北岛至南岛线路，意大利 Sardinia 线路，以及加拿大的温哥华岛线路。

　　对汞弧阀持续不断的开发确保了其可靠性，从而使其在一些项目中一直运行了 40 多年。
　　A B B 所建造的最大规模汞弧阀HVDC 输电线路位于美国的 PacificIntertie 项目 [1]。最初安装调试时为1,440 MW，后来功率升级到 1,600MW，电压为 ±400 kV，其北端位于俄勒冈州的达拉斯，而南端则处于旧金山盆地最北处的 Sylmar。这一项目是与通用电气公司共同承建的，并于 1970 年初投入使用。
　　总而言之，ABB 一共建造了 8 条使用汞弧阀的 HVDC 系统，总功率达到 3,400 MW。尽管这些项目中的许多线路都已经使用可控硅阀进行替代或者升级，但仍有一些线路至今仍在运行，已经使用了 40 多年！20 世纪 60 年代前半段，人们对半导体应用技术的兴趣十分强烈，这使可控硅阀开发工作得以不断继续，人们希望以此代替汞弧阀。1967 年春天，Gotland 高压直流线路使用了一台可控硅阀来替换一台汞弧阀， 这也是首次将这类产品投入到 HVDC 输电线路商业运行之中。经过整整一年的试验，瑞典国家电力局为每一座换流站订购了一整套可控硅阀组，同时将输电能力提高了 50 %。
　　几乎与此同时，Gotland 项目的海底电缆也进行了测试， 这些电缆在 100 kV 电压下运行没有任何问题，新试验因此想要测试是否能够在 150 kV 等级的电压条件下正常运行——因为这是承担更大负荷所需的电压等级。试验证明这样做是可行的，从此该电缆的运行电应力就达到了 28 kV/mm，而这目前依然是大型 HVDC 电缆项目的世界标准。新的可控硅阀组与两台已有的汞弧阀组进行串联连接，从而将输电电压由 100 kV 提高到 150 kV。这种功率更大的系统于 1970 年春季投入使用——这为 Gotland 输电线路又增添了一项“世界第一”。
　　随着可控硅阀的出现， 使换流站得到了简化，于是在随后的 HVDC线路中全都应用了半导体技术。其它一些公司也加入到这一领域。
　　Brown Boveri (BBC公司) ——后来与阿西亚公司合并为 ABB ——于 20 世纪 7 0 年代中期与西门子公司和AEG 公司共同合作，建造了莫桑比克和南非之间的 1,920 MW CahoraBassa HVDC 线路。这个团队随后又继续建设了位于加拿大的 2,000 MWNelson River 2 输电线路，这一项目首次采用了水冷式 HVDC 阀。
　　20 世纪 70 年代后期，还有一些新项目建成投入使用。这些项目包括：挪威和丹麦之间的 Skagerrak 线路，刚果的 Inga—Shaba 线路，以及美国的 CU 项目。
　　Pacific Intertie 线路于 20 世纪 80 年代进行了两次扩容改造，每次都使用了可控硅换流器以提高输电能力，最终达到了功率为 3,100 MW 的±500 kV 高压直流线路。自从 2004 年装备了可控硅换流器之后，Sylmar终端站一直满负荷运行。
　　依泰普 (Itaipu) 项目——新的里程碑1979 年，阿西亚 PROMON 联合体获得了巴西依泰普水电站 6,300 MWHVDC 线路的合同，这也是 20 世纪HVDC 输电方面最大的合同。1984 年至 1987 年期间，这一项目分阶段建成并投入运行。该项目向圣保罗市供应了大部分电力，在整个巴西的电力规划中也起到了关键作用。依泰普项目规模庞大，技术复杂程度高，出现了众多的困难和挑战，应该说这一项目开创了现代化 HVDC新时代。ABB 在完成这一项目的过程中所获得的宝贵经验，极大帮助了公司赢得之后的众多 HVDC 订单。依泰普项目规模庞大，技术复杂程度高，出现了众多的困难和挑战，应该说这一项目开创了现代化 HVDC 新时代。
　　毫无疑问，上世纪八十年代末九十年代初，最具挑战性的 HVDC 项目是 2,000 MW 的魁北克——新英格兰线路。这一项目是世界范围内第一套大规模多终端 HVDC 输电系统。
　　HVDC 电缆的发展
　　随着换流站功率的提高，HVDC 电缆的输电能力和电压等级也必须相应提高。
　　迄今为止，输电能力最大的 HVDC水下电缆，其额定功率为 700 MW到 800MW，额定电压为 450kV 到500 kV。最远的输电距离为 2008 年投入使用的位于挪威和荷兰之间 580公里长的 NorNed 线路。
　　今日 HVDC
　　1954 年建设的 Gotland 线路非常成功，而今天所建造的大多数 HVDC换流站仍然采用了原有的Gotland 线路的原理。20 世纪 70 年代初，换流站设计引入了可控硅阀，从而第一次发生了较大的变化。起初，这些可控硅阀采用空冷技术，并且设计为室内安装，但不久就开始使用油冷技术，室外安装和油绝缘的阀。现在，所有的 HVDC 阀都使用水冷方式 [2]。

　　对于现代化大规模 HVDC 输电线路而言，一个很好的范例是 ABB 为中国三峡水电站安装的线路。
　　1995 年，ABB 向市场推出了新一代的 HVDC 换流站：HVDC 2000 型 [3]。HVDC 2000 型的开发，满足了更加严格的电力抗干扰要求，能够在抗短路能力不足的情况下提供较好的动态稳定性，可以克服安装空间的限制，还能够缩短交货时间。HVDC 2000 型的关键特性是使用了电容换流器 (CCC)。实际上，这是1954 年以来，对 HVDC 系统基本技术的第一次根本性改变！
　　HVDC 2000 型还包含了 ABB 的其它创新技术，如连续调谐交流滤波器 (ConTune)、有源直流滤波器、室外空气绝缘 HVDC 阀，以及全数字化的 MACH2 TM 控制系统。
　　第一个带有 CCC 和室外整流阀的HVDC 2000 项目，是在巴西——阿根廷 HVDC 连接线路上的 Garabi2,200MW HVDC 背靠背换流站。2008 年，Cahora Bassa 线路上位于南非的 Apollo 换流站安装了新型的室外空气绝缘 HVDC 阀。
　　迄今为止，输电能力最大的HVDC 水下电缆额定功率为700MW 到 800MW，其额定电压为 450kV 到 500kV。
　　UHVDC (特高压直流)
　　截至目前，功率为 2,000MW 以上的大型 HVDC 输电线路，其电压范围大多设计在 ±500 到 600kV 之间。但对于正在中国和印度兴建的巨型水力发电站而言，这样的等级还不足以在大约 2,000 公里的距离进行输电。在这些输电线路中， 一对双极的输电量必须要达到 5,000 至8,000 MW。考虑到投资、损耗和技术限制等因素，± 800kV 的 UHVDC(特高压直流) 证明是最佳选择。这样一来就需要对换流站设备开展重大的研发工程。ABB 已经开发出了用于新的直流电压等级的设备，并且对其进行了长时间测试。ABB目前正在中国建设一条世界最长的特高压输送线路，向家坝到上海的±800kV HVDC 输电项目，功率为6,400 MW。这条长达 2,071 公里的输电线路将于 2010 年到 2011 年期间投运。

　　HVDC Light. ( 轻型高压直流 )过去 50 年，HVDC 技术已经发展为一种成熟的技术，并能够以很小的损耗可靠地进行远距离电力输送。这就出现了一个疑问：未来的技术开发应该走向何处？
　　人们设想，HVDC 的发展将会再次从工业传动中获得启发。电压源换流器 (VSC) 很久以前就已经取代了可控硅，在 VSC 中的半导体既可以开启又可以关闭。这些特点已经为工业传动系统带来了许多好处，而且人们也发现这样的技术还可以用于输电系统。然而，HVDC 采用电压源换流器并不是件容易的事。不单单是阀，而是整个技术都要完全改变。在自行开发 VSC 换流器的过程中，A B B 认识到绝缘栅双极晶体管(IGBT)，比其它半导体元器件更具发展前途。首先是控制方面，IGBT只需很少电力，就使串联连接成为可能。但对于 HVDC 来讲，需要把大量的 IGBT 串联起来，而工业传动则无需如此。
　　1994 年，ABB 将开发工作集中到如何在项目中应用 VSC 换流器的问题上，为此把二台以 IGBTs 为基础的换流器使用到一套小规模 HVDC 线路上，并启用了位于瑞典中部一条原有的 10 公里长的交流线路作为试验项目。

　　1996 年底，有关设备经过实验室综合测试之后，就被安装到现场中，并开始进行实际运行条件下的测试。1997 年，世界上第一台 VSCHVDC 输电系统，即 HVDC Light.(轻型高压直流) [4]，开始在瑞典的Hellsjn 与 Grngesberg 之间输送电力。
　　与此同时，用户已经订购了 11 套这样的系统，其中的 8 套现已在世界各地投入了商业运行。
　　HVDC Light 的优势之一是提高了稳定性，并且直流系统的两端可以对无功功率进行控制。另外，它还能够在很低的短路电流水平下运行，甚至还具备黑启动能力。
　　1997 年，世界上第一台 VSCHVDC 输电系统——HVDCLight，开始在瑞典的 Hellsj?n与Gr?ngesberg 之间输送电力。起初，HVDC Light 是用于地下或水下电缆输电的一种技术，并且为此特别开发了 HVDC Light 电缆。这样的 HVDC Light 电缆使用聚脂材料制造，因此非常坚固耐用，能够在不利的铺设条件甚至容易造成损坏的环境里使用。挤出成型电缆还使得现在用于陆地上铺设长距离的 HVDC 输电线路也变得更加经济。位于澳大利亚的 180 公里长的Murraylink 线路项目就是一个 HVDCLight 的例子。
　　将海上风力发电场的电力连接到德国 Nord E.ON 1 项目，以及从挪威(陆地) 向海上石油与天然气开采平台供电的 Troll 和 Valhall 线路都是很有意义的应用实例，在这些项目中，对于 HVDC Light 换流器的基本要求是重量轻、占用空间少，对HVDC Light 电缆的要求也是如此 [4]。位于纳米比亚的 Caprivi Link 是第一条使用直流架空输电方式的 HVDCLight 输电线路。这条线路现正在安装之中，预计到 2009 年开始输送电力。HVDC Light 技术的这种适应性将大大拓宽其应用领域。
　　下一个 50 年又会怎样 ？
　　从 Got land 输电线路开始至今，HVDC 输电已经走过了一条漫长的道路。那么它的未来又将怎样呢 ？纳米比亚 Caprivi Link 是第一条使用直流架空线输电方式的HVDC Light 输电线路。
　　UHVDC 已经出现了，在 ±800kV 条件下输送超过 6,000 MW 的输电线路正在建造之中。这样的电压等级将主要用于从遥远的水电站进行大规模的电力输送。有可能还会使用更高的电压，但这又要求进行大量的开发工作。
　　笔者预计，除最大电力等级之外，未来 HVDC Light 将会在市场中逐渐替代可控硅整流技术。与传统的HVDC 相比，VSC 技术的换流站损耗较高，这一缺陷将在几年内被逐渐克服。在直流架空线路上使用HVDC Light 技术，也使直流电缆打破了现有的使用限制。
　　然而，对于 HVDC Light 最令人感兴趣的展望还在于其具有建立多终端系统甚至是直流电网的潜力。从长远来看，这将为远距离输电的交流电网提供一个“备用”方案。对于那些原来设计以储备为目的，且不适宜远距离交流输电的电压等级的电网，这一点很有吸引力。