高壓直流輸電系統(tǒng)
發(fā)布時間：2006-05-06 作者：Gunnar Asplund, Lennart Carlsson
永遠的開拓先鋒
1954 年，當時歐洲的大多數(shù)地區(qū)都在忙于加大供電基礎設施建設，以滿足日益增長的用電需求，而此時在波羅的海沿岸，悄無聲息地發(fā)生了一件大事，并從此對電力輸送產(chǎn)生了長期的影響。4 年前，瑞典國家電力局要在瑞典大陸與 Gotland島之間建設世界第一條商業(yè)化的H V D C ( 高壓直流 ) 輸電線路。1954 年，這條線路投入運行。
今天，當 ABB 回顧其對 HVDC 技術的貢獻時倍感驕傲。自從鋪設了最初那條 90 公里長，功率為 20 MW的100 kV 海底電纜之后，ABB 已無可爭辯地在高壓直流輸電領域成為世界領導者。在全世界目前已建成的總?cè)萘砍^ 110,000 MW 的高壓直流輸電項目中，超過一半由 ABB提供。
十九世紀后期，隨著電燈進入了歐美家庭與工廠，對電力需求的快速增長使工程師和相關承包商忙于尋找發(fā)電和輸電的有效方法。這時，幾位先驅(qū)者在這一新技術方面已取得了一些進步——能夠在數(shù)公里之內(nèi)進行電力傳輸，這在當時已經(jīng)十分了不起——而在這時，人們?yōu)榭焖僭鲩L的電力需求找到了一個答案：水力發(fā)電。幾乎同時，人們開始尋找電力輸送的方法，試圖將這些廉價電力通過較遠的距離，輸送到用戶那里。
首先是直流，然后是交流歐美第一批電站提供的是低壓直流電， 但其采用的輸電系統(tǒng)效率極低。這是因為產(chǎn)生的電力很大一部分都損耗在電纜中了。交流電由于能夠很容易轉(zhuǎn)換成高壓電，電力損耗小得多，因此具有更高的效率，因而在這一階段，遠距離高壓交流(HVAC) 輸電占據(jù)了主導地位。1893 年，由于引進了三相輸電，HVAC (高壓交流) 得到了極大的發(fā)展。這時，已經(jīng)可以保證無脈動的平穩(wěn)電流了。
盡管在這場開發(fā)有效輸電方式的比賽中，直流電從一開始處于下風，但是工程師們從未放棄使用直流的想法。人們?nèi)匀辉趪L試，使用串聯(lián)直流發(fā)電機，然后在接收端使用串聯(lián)直流電機同軸運行，以此建立了一套高壓輸電系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)的確有效，但卻未能在商業(yè)應用上獲得成功。
交流占主導地位
由于交流系統(tǒng)不斷發(fā)展，而電廠距離大多數(shù)用戶生活工作的地方也越來越遠，因而人們建設了高架線路，其輸送的交流電壓也逐步增高。為了跨越水域的障礙，又開發(fā)出了水下電纜。
不管怎樣，這些輸電方式仍然存在一定的問題，特別是系統(tǒng)中電容和電感之間往復振蕩的無功功率所產(chǎn)生的問題。因而，電力系統(tǒng)規(guī)劃人員再一次把目光投向了直流輸電的可行性上。
當最終證明高壓直流輸電方式在技術上可行之后，人們在很長一段時間里，仍然一直懷疑它是否能夠在市場上與高壓交流相競爭。
回歸直流
過去，高壓直流輸電所遇到的首要的，也是最主要的障礙，便是缺乏能夠使高壓交流和高壓直流相互轉(zhuǎn)換的可靠而又經(jīng)濟的換流閥。很長一段時間，汞弧閥曾經(jīng)一直是研發(fā)的主要方向。20 世紀 20 年代末期以來，ABB 前身之一的瑞典阿西亞公司 (ASEA) 開始生產(chǎn)電壓達1,000 V 的靜態(tài)換流器和汞弧閥，人們于是一直在研究能否開發(fā)出電壓更高的換流閥。
這也促使人們開展了全新領域的研究，而在這些新領域中，當時沒有多少現(xiàn)成的技術經(jīng)驗可言。實際上，許多年來，一直有人在懷疑是否有可能針對各種各樣的問題找到最終的解決方法。當最終證明高壓直流輸電方式在技術上可行之后，仍然有人心存疑慮，懷疑它是否能夠在市場上成功地與高壓交流相競爭。
按照相關物理定律導出的數(shù)學方程式，人們能夠精確設計出旋轉(zhuǎn)電機和變壓器，但汞弧閥的設計卻在很大程度上依賴于經(jīng)驗性知識。正因如此，試圖通過加大陰陽極之間的距離以提高充滿汞蒸汽電子管之中電壓的努力一次又一次地失敗了。
1929 年，通過在陽極與陰極之間插入一個柵極的方法，終于解決了這一問題。這一創(chuàng)新方法很快就獲得了專利，并且被認為是此后所有高壓汞弧閥開發(fā)研究的基礎。在那段時間領導相關研究工作的 Uno Lamm博士，也因此獲得了“HVDC 之父”的榮譽稱號。
Gotland 線路
此時，進行實際試驗的時機總算成熟了。1945 年，阿西亞公司與瑞典國家電力局一起，在 Trollh.ttan 建立了一座試驗站，距離實驗站不遠就有一座重要的發(fā)電廠可以供應電力。還有一條 50 公里長的電力線路可供使用。
接下來幾年的試驗結果，使得瑞典國家電力局 1950 年訂購了有關設備，用來架設世界上第一條 HVDC輸電線路。這條線路建造在波羅的海之中的 Gotland 島與瑞典大陸之間。按照這一訂單，公司集中精力開發(fā)汞弧閥和高壓直流電纜，同時還啟動了換流站其它部件的設計工作。這一系列的努力，促成了多個項目的設計開發(fā)，其中包括變壓器、電抗器、開關柜和保護與控制設備。原有交流系統(tǒng)技術中只有少量技術可以應用在新型直流系統(tǒng)上。因此，有必要開發(fā)全新的技術。ErichUhlmann 博士和 Harry Forsell 博士在盧德維卡率領的專家組開始解決這些極為復雜的問題。由此，為 Gotland輸電系統(tǒng)開發(fā)提出一個理念。
直至今天，這一理念基本上仍然保持不變，依然非常成功！
由于 Gotland 是一個島嶼，而輸電線路必須途經(jīng)一片水域，因此有必要制造一條能夠承載直流電的海底電纜。從 1895 年開始使用的浸漬紙絕緣層的“經(jīng)典”電纜能夠承載 10 kV交流電，人們發(fā)現(xiàn)這種電纜具有進一步發(fā)展的潛力。不久在此基礎上，就開發(fā)出 100 kV 直流電纜了！經(jīng)過 4 年的努力創(chuàng)新，功率為 20 MW的 200 A，100 kV 的 Gotland 高壓直流輸電線路，終于在 1954 年投入了運行。從此，開創(chuàng)了電力傳輸?shù)囊粋€嶄新時代。
最初的 Gotland 線路的成功運行了28 年，最后于 1986 年停用。與此同時，在該島與瑞典大陸之間，于1983 年和 1987 年又分別建造了兩條電力等級更高的新線路。
早期 HVDC 項目
20 世紀 50 年代初，英國和法國的電力管理當局計劃鋪設一條跨越英吉利海峽的輸電線路。當時就選定了高壓直流輸電方式，而這也是 ABB 贏得的第二個 HVDC 輸電線路的訂單——該線路的額定功率為160 MW。
這些早期項目的成功，在世界范圍內(nèi)引起了很大關注。上世紀 60 年代，相繼建設了幾條 HVDC 輸電線路：瑞典與丹麥之間的 Konti Skan線路，日本的 Sakuma 線路 (帶有50 / 60Hz 變頻器)，新西蘭的北島至南島線路，意大利 Sardinia 線路，以及加拿大的溫哥華島線路。
對汞弧閥持續(xù)不斷的開發(fā)確保了其可靠性，從而使其在一些項目中一直運行了 40 多年。
A B B 所建造的最大規(guī)模汞弧閥HVDC 輸電線路位于美國的 PacificIntertie 項目 [1]。最初安裝調(diào)試時為1,440 MW，后來功率升級到 1,600MW，電壓為 ±400 kV，其北端位于俄勒岡州的達拉斯，而南端則處于舊金山盆地最北處的 Sylmar。這一項目是與通用電氣公司共同承建的，并于 1970 年初投入使用。
總而言之，ABB 一共建造了 8 條使用汞弧閥的 HVDC 系統(tǒng)，總功率達到 3,400 MW。盡管這些項目中的許多線路都已經(jīng)使用可控硅閥進行替代或者升級，但仍有一些線路至今仍在運行，已經(jīng)使用了 40 多年！20 世紀 60 年代前半段，人們對半導體應用技術的興趣十分強烈，這使可控硅閥開發(fā)工作得以不斷繼續(xù)，人們希望以此代替汞弧閥。1967 年春天，Gotland 高壓直流線路使用了一臺可控硅閥來替換一臺汞弧閥， 這也是首次將這類產(chǎn)品投入到 HVDC 輸電線路商業(yè)運行之中。經(jīng)過整整一年的試驗，瑞典國家電力局為每一座換流站訂購了一整套可控硅閥組，同時將輸電能力提高了 50 %。
幾乎與此同時，Gotland 項目的海底電纜也進行了測試， 這些電纜在 100 kV 電壓下運行沒有任何問題，新試驗因此想要測試是否能夠在 150 kV 等級的電壓條件下正常運行——因為這是承擔更大負荷所需的電壓等級。試驗證明這樣做是可行的，從此該電纜的運行電應力就達到了 28 kV/mm，而這目前依然是大型 HVDC 電纜項目的世界標準。新的可控硅閥組與兩臺已有的汞弧閥組進行串聯(lián)連接，從而將輸電電壓由 100 kV 提高到 150 kV。這種功率更大的系統(tǒng)于 1970 年春季投入使用——這為 Gotland 輸電線路又增添了一項“世界第一”。
隨著可控硅閥的出現(xiàn)， 使換流站得到了簡化，于是在隨后的 HVDC線路中全都應用了半導體技術。其它一些公司也加入到這一領域。
Brown Boveri (BBC公司) ——后來與阿西亞公司合并為 ABB ——于 20 世紀 7 0 年代中期與西門子公司和AEG 公司共同合作，建造了莫桑比克和南非之間的 1,920 MW CahoraBassa HVDC 線路。這個團隊隨后又繼續(xù)建設了位于加拿大的 2,000 MWNelson River 2 輸電線路，這一項目首次采用了水冷式 HVDC 閥。
20 世紀 70 年代后期，還有一些新項目建成投入使用。這些項目包括：挪威和丹麥之間的 Skagerrak 線路，剛果的 Inga—Shaba 線路，以及美國的 CU 項目。
Pacific Intertie 線路于 20 世紀 80 年代進行了兩次擴容改造，每次都使用了可控硅換流器以提高輸電能力，最終達到了功率為 3,100 MW 的±500 kV 高壓直流線路。自從 2004 年裝備了可控硅換流器之后，Sylmar終端站一直滿負荷運行。
依泰普 (Itaipu) 項目——新的里程碑1979 年，阿西亞 PROMON 聯(lián)合體獲得了巴西依泰普水電站 6,300 MWHVDC 線路的合同，這也是 20 世紀HVDC 輸電方面最大的合同。1984 年至 1987 年期間，這一項目分階段建成并投入運行。該項目向圣保羅市供應了大部分電力，在整個巴西的電力規(guī)劃中也起到了關鍵作用。依泰普項目規(guī)模龐大，技術復雜程度高，出現(xiàn)了眾多的困難和挑戰(zhàn)，應該說這一項目開創(chuàng)了現(xiàn)代化 HVDC新時代。ABB 在完成這一項目的過程中所獲得的寶貴經(jīng)驗，極大幫助了公司贏得之后的眾多 HVDC 訂單。依泰普項目規(guī)模龐大，技術復雜程度高，出現(xiàn)了眾多的困難和挑戰(zhàn)，應該說這一項目開創(chuàng)了現(xiàn)代化 HVDC 新時代。
毫無疑問，上世紀八十年代末九十年代初，最具挑戰(zhàn)性的 HVDC 項目是 2,000 MW 的魁北克——新英格蘭線路。這一項目是世界范圍內(nèi)第一套大規(guī)模多終端 HVDC 輸電系統(tǒng)。
HVDC 電纜的發(fā)展
隨著換流站功率的提高，HVDC 電纜的輸電能力和電壓等級也必須相應提高。
迄今為止，輸電能力最大的 HVDC水下電纜，其額定功率為 700 MW到 800MW，額定電壓為 450kV 到500 kV。最遠的輸電距離為 2008 年投入使用的位于挪威和荷蘭之間 580公里長的 NorNed 線路。
今日 HVDC
1954 年建設的 Gotland 線路非常成功，而今天所建造的大多數(shù) HVDC換流站仍然采用了原有的Gotland 線路的原理。20 世紀 70 年代初，換流站設計引入了可控硅閥，從而第一次發(fā)生了較大的變化。起初，這些可控硅閥采用空冷技術，并且設計為室內(nèi)安裝，但不久就開始使用油冷技術，室外安裝和油絕緣的閥。現(xiàn)在，所有的 HVDC 閥都使用水冷方式 [2]。
對于現(xiàn)代化大規(guī)模 HVDC 輸電線路而言，一個很好的范例是 ABB 為中國三峽水電站安裝的線路。
1995 年，ABB 向市場推出了新一代的 HVDC 換流站：HVDC 2000 型 [3]。HVDC 2000 型的開發(fā)，滿足了更加嚴格的電力抗干擾要求，能夠在抗短路能力不足的情況下提供較好的動態(tài)穩(wěn)定性，可以克服安裝空間的限制，還能夠縮短交貨時間。HVDC 2000 型的關鍵特性是使用了電容換流器 (CCC)。實際上，這是1954 年以來，對 HVDC 系統(tǒng)基本技術的第一次根本性改變！
HVDC 2000 型還包含了 ABB 的其它創(chuàng)新技術，如連續(xù)調(diào)諧交流濾波器 (ConTune)、有源直流濾波器、室外空氣絕緣 HVDC 閥，以及全數(shù)字化的 MACH2 TM 控制系統(tǒng)。
第一個帶有 CCC 和室外整流閥的HVDC 2000 項目，是在巴西——阿根廷 HVDC 連接線路上的 Garabi2,200MW HVDC 背靠背換流站。2008 年，Cahora Bassa 線路上位于南非的 Apollo 換流站安裝了新型的室外空氣絕緣 HVDC 閥。
迄今為止，輸電能力最大的HVDC 水下電纜額定功率為700MW 到 800MW，其額定電壓為 450kV 到 500kV。
UHVDC (特高壓直流)
截至目前，功率為 2,000MW 以上的大型 HVDC 輸電線路，其電壓范圍大多設計在 ±500 到 600kV 之間。但對于正在中國和印度興建的巨型水力發(fā)電站而言，這樣的等級還不足以在大約 2,000 公里的距離進行輸電。在這些輸電線路中， 一對雙極的輸電量必須要達到 5,000 至8,000 MW。考慮到投資、損耗和技術限制等因素，± 800kV 的 UHVDC(特高壓直流) 證明是最佳選擇。這樣一來就需要對換流站設備開展重大的研發(fā)工程。ABB 已經(jīng)開發(fā)出了用于新的直流電壓等級的設備，并且對其進行了長時間測試。ABB目前正在中國建設一條世界最長的特高壓輸送線路，向家壩到上海的±800kV HVDC 輸電項目，功率為6,400 MW。這條長達 2,071 公里的輸電線路將于 2010 年到 2011 年期間投運。
HVDC Light. ( 輕型高壓直流 )過去 50 年，HVDC 技術已經(jīng)發(fā)展為一種成熟的技術，并能夠以很小的損耗可靠地進行遠距離電力輸送。這就出現(xiàn)了一個疑問：未來的技術開發(fā)應該走向何處？
人們設想，HVDC 的發(fā)展將會再次從工業(yè)傳動中獲得啟發(fā)。電壓源換流器 (VSC) 很久以前就已經(jīng)取代了可控硅，在 VSC 中的半導體既可以開啟又可以關閉。這些特點已經(jīng)為工業(yè)傳動系統(tǒng)帶來了許多好處，而且人們也發(fā)現(xiàn)這樣的技術還可以用于輸電系統(tǒng)。然而，HVDC 采用電壓源換流器并不是件容易的事。不單單是閥，而是整個技術都要完全改變。在自行開發(fā) VSC 換流器的過程中，A B B 認識到絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，比其它半導體元器件更具發(fā)展前途。首先是控制方面，IGBT只需很少電力，就使串聯(lián)連接成為可能。但對于 HVDC 來講，需要把大量的 IGBT 串聯(lián)起來，而工業(yè)傳動則無需如此。
1994 年，ABB 將開發(fā)工作集中到如何在項目中應用 VSC 換流器的問題上，為此把二臺以 IGBTs 為基礎的換流器使用到一套小規(guī)模 HVDC 線路上，并啟用了位于瑞典中部一條原有的 10 公里長的交流線路作為試驗項目。
1996 年底，有關設備經(jīng)過實驗室綜合測試之后，就被安裝到現(xiàn)場中，并開始進行實際運行條件下的測試。1997 年，世界上第一臺 VSCHVDC 輸電系統(tǒng)，即 HVDC Light.(輕型高壓直流) [4]，開始在瑞典的Hellsjn 與 Grngesberg 之間輸送電力。
與此同時，用戶已經(jīng)訂購了 11 套這樣的系統(tǒng)，其中的 8 套現(xiàn)已在世界各地投入了商業(yè)運行。
HVDC Light 的優(yōu)勢之一是提高了穩(wěn)定性，并且直流系統(tǒng)的兩端可以對無功功率進行控制。另外，它還能夠在很低的短路電流水平下運行，甚至還具備黑啟動能力。
1997 年，世界上第一臺 VSCHVDC 輸電系統(tǒng)——HVDCLight，開始在瑞典的 Hellsj?n與Gr?ngesberg 之間輸送電力。起初，HVDC Light 是用于地下或水下電纜輸電的一種技術，并且為此特別開發(fā)了 HVDC Light 電纜。這樣的 HVDC Light 電纜使用聚脂材料制造，因此非常堅固耐用，能夠在不利的鋪設條件甚至容易造成損壞的環(huán)境里使用。擠出成型電纜還使得現(xiàn)在用于陸地上鋪設長距離的 HVDC 輸電線路也變得更加經(jīng)濟。位于澳大利亞的 180 公里長的Murraylink 線路項目就是一個 HVDCLight 的例子。
將海上風力發(fā)電場的電力連接到德國 Nord E.ON 1 項目，以及從挪威(陸地) 向海上石油與天然氣開采平臺供電的 Troll 和 Valhall 線路都是很有意義的應用實例，在這些項目中，對于 HVDC Light 換流器的基本要求是重量輕、占用空間少，對HVDC Light 電纜的要求也是如此 [4]。位于納米比亞的 Caprivi Link 是第一條使用直流架空輸電方式的 HVDCLight 輸電線路。這條線路現(xiàn)正在安裝之中，預計到 2009 年開始輸送電力。HVDC Light 技術的這種適應性將大大拓寬其應用領域。
下一個 50 年又會怎樣 ？
從 Got land 輸電線路開始至今，HVDC 輸電已經(jīng)走過了一條漫長的道路。那么它的未來又將怎樣呢 ？納米比亞 Caprivi Link 是第一條使用直流架空線輸電方式的HVDC Light 輸電線路。
UHVDC 已經(jīng)出現(xiàn)了，在 ±800kV 條件下輸送超過 6,000 MW 的輸電線路正在建造之中。這樣的電壓等級將主要用于從遙遠的水電站進行大規(guī)模的電力輸送。有可能還會使用更高的電壓，但這又要求進行大量的開發(fā)工作。
筆者預計，除最大電力等級之外，未來 HVDC Light 將會在市場中逐漸替代可控硅整流技術。與傳統(tǒng)的HVDC 相比，VSC 技術的換流站損耗較高，這一缺陷將在幾年內(nèi)被逐漸克服。在直流架空線路上使用HVDC Light 技術，也使直流電纜打破了現(xiàn)有的使用限制。
然而，對于 HVDC Light 最令人感興趣的展望還在于其具有建立多終端系統(tǒng)甚至是直流電網(wǎng)的潛力。從長遠來看，這將為遠距離輸電的交流電網(wǎng)提供一個“備用”方案。對于那些原來設計以儲備為目的，且不適宜遠距離交流輸電的電壓等級的電網(wǎng)，這一點很有吸引力。