高壓直流輸電未來會不會取代特高壓交流輸電? | 知乎問答精選

 

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高壓直流輸電未來會不會取代特高壓交流輸電?

2017年08月12日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 27 ℃ 次

【吳窮的回答(38票)】:

在現有技術條件下,高壓直流輸電無法取代特高壓交流輸電。這裡從高壓直流輸電的角度說明,特高壓交流不是很瞭解。

一、首先我們來看高壓直流輸電的特點:

  1. 換流器控制復造價高

  2. 直流輸電線路造價低,輸電距離越遠越經濟

  3. 沒有交流輸電系統的功角穩定問題適合遠距離輸電

  4. 適合海底電纜(海島供電、海上風電)和城市地下電纜輸電

  5. 能夠非同步(同頻不同相位,或不同頻)連接兩個交流電網,且不增加短路容量

  6. 傳輸功率的可控性強,控制速度快,可有效支援交流系統;

  7. 換流器大量消耗無功(注意這是對LCC-HVDC而言,VSC-HCDC整流側和逆變側均可獨立靈活控制無功,兩種系統差別下文將單獨說明。),且產生諧波

  8. 雙極不對稱大地回線運行時存在直流偏磁問題和電化學腐蝕問題(地電流危害);

  9. 不能向無源系統供電(依然是對LCC-HVDC系統而言),構成多端直流系統困難(由於直流沒有過零點,難以熄弧,所以現在缺少大容量直流斷路器,無法切除輸電線路的短路故障,從而限制了多端直流輸電的發展。最近ABB貌似把這個東西搞出來了,不明覺厲。)。

二、經濟問題:

高壓直流輸電主要是兩頭換流站貴,線路便宜。所以相較於交流輸電,距離越遠越經濟。

  • 架空線路等價距離約在640~960km

  • 地下電纜線路的等價距離為56~90km

  • 海底電纜線路的等價距離為24~48km

*交流輸電時電纜線路會與周邊介質(海水、土壤)形成一個較大的電容,影響電網的經濟穩定,直流輸電不存在這個問題。

三、電能質量:

直流輸電系統的主要缺點是存在諧波,特別是低次諧波(主要是LCC-HVDC,而VSC-HVDC最低次諧波頻率較高,濾波器可以有效消除這種高次諧波)。另一個不太突出的缺點是地電流

  • 諧波的危害
  1. 對鐵磁設備的影響。諧波造成額外的鐵耗導致發熱、振動和噪聲,降低了設備出力、效率及壽命;
  2. 對旋轉電機的影響:諧波造成轉矩脈動,轉速不穩;

  3. 對電力電容器的影響:諧波可能引起諧振過電壓;

  4. 對電力系統測控的影響:諧波使測量誤差增加,可能導致控制失靈,保護誤動;
  5. 三次諧波電流過大可能使中性線過流;

  6. 諧波疊加在基波上,使電氣應力增加,對各種電氣設備尤其是電容器的絕緣造成威脅;
  7. 諧波對通信線路造成干擾。
  • HVDC引起的變壓器直流偏磁(地電流)

現象直流輸電系統接地極流過較大電流時(如單極大地運行)會導致中性點接地變壓器產生直流偏磁現象。

後果導致鐵芯飽和,產生諧波,引起振動和噪聲,引起發熱,嚴重時損壞變壓器,引起保護誤動等。

四、電網安全:

  • 直流輸電對電網穩定的貢獻:
  1. 緊急功率支援:如交流電網出現大幅度功率缺額(聯絡線跳開、某些大電廠跳開等),HVDC 可以快速增加輸送功率或者快速潮流反轉。HVDC快速有效的潮流控制能力對於所連交流系統的穩定控制,交流系統正常運行過程中應對負荷隨機波動的頻率控制及故障狀態下的頻率變動控制都能發揮重要作用。
  • 直流輸電對電網的不利影響:

1.LCC-HVDC換相失敗:

概念:當逆變器兩個閥進行換相時,因換相過程未能進行完畢,或者預計關斷的閥關斷後,在反向電壓期間未能恢復阻斷能力,當加在該閥上的電壓為正時,立即重新導通,則發生了倒換相,使預計開通的閥重新關斷,這種現象稱之為換相失敗。

危害:

a) 換相失敗引起輸送功率中斷威脅系統安全穩定;

b) 交流系統短路時,電壓跌落可能引起多個換流站同時發生換相失敗,導致多回直流線路功率中斷,引起系統潮流大範圍轉移和重新分佈;

c) 影響故障切除後受端系統電壓恢復,進而影響故障切除後直流功率快速恢復,可能會威脅交流系統暫態穩定性。 2.諧波不穩定性:

概念:HVDC 引起的諧波不穩定是指在換流站附近有擾動時,諧波振蕩不易衰減甚至放大的現象,表現為交流母線電壓嚴重畸變。

危害:電流諧波放大幾倍甚至幾十倍;電壓嚴重畸變會導致換相失敗並使系統運行困難。

3.不對稱運行:在單極大地回線運行方式或者雙極兩端接地不對稱運行方式下,會有較大電(甚至為額定運行電流)經接地極流經大地。持續、長時間的大電流流過接地極會表現出三類效應:電磁效應、熱力效應、電化效應。

(1) 電磁效應:

a) 現象:直流電流注入大地,在極址土壤中形成恆定直流電流場,導致出現大地電位升高、跨步電壓、接觸電勢等。

b) 影響:影響依靠大地磁場工作的設施;對金屬管道、鎧裝電纜、具有接地 系統電氣設備產生負面影響;跨步電壓和接觸電勢影響人畜安全;電磁干擾。

(2) 熱力效應:

a) 直流電流作用下電極溫度升高,可能蒸發土壤水分,導電性能變差,電極將出現熱不穩定,嚴重時會使土壤燒結成幾乎不導電的玻璃狀,電極將喪失運行能力。

b) 影響電極溫升土壤參數:電阻率、熱導率、熱容率、濕度。

(3) 電化效應:

a) 大地中水與鹽類物質相當於電解液,當直流電流經大地返回時,在陽極上會產生氧化反應,使得電極及附近金屬發生電腐蝕;也會導致附近土壤中鹽類物質被電解。

4.時過電壓:

(1) 現象:超過正常電壓範圍,持續相對較長時間的不衰減或衰減慢的過電壓。(Temporary Overvoltage,TOV)

(2) 原因:造成換流站短時過電壓的根本原因是換流站安裝的大量無功補償電容器和濾波器;額定工況下,無功容量為額定輸送功率的 40%-60%, 甩負荷時引起無功消耗大幅下降甚至為零,剩餘的無功補償容量就會導致過電壓。

5.HVDC 引起的次同步振蕩(Subsynchronous Oscillation (SSO)):

(1) 概念:汽輪發電機軸系會與電力系統功率控制設備,如高壓直流輸電系統,靜止無功補償系統等,發生相互作用,產生的低於同步頻率的振蕩。

(2) 現象:在直流輸電整流站附近的汽輪發電機組,如果大部分功率通過直流輸電來輸送,且與交流大系統之間的聯繫又比較薄弱,容易引起次同 步振蕩(SSO)。

(3) 後果:導致機組大軸疲勞甚至斷裂,導致系統振蕩失穩。

  • 寫了這麼多不利影響,有點聳人聽聞的感覺。其實這些危害大都有解決方案,就是要多花點錢。總的來說就是讓系統變得更加複雜昂貴了。

五、介紹一下VSC-HVDC:

1.同LCC-HVDC比較:

2. VSC-HVDC的特點及應用場合:

(1) 優點:

a) 結構緊湊佔地小;

b) 無源系統供電/黑啟動;

c) 可聯絡弱交流系統;

d) 獨立的有功和無功控制;

e) 站間不用通訊;

f ) 無換相失敗問題;

g) 諧波小;

h) 易於實現多端直流。

(2) 缺點:

a) 系統損耗較大,每端1.6%(常規 0.8%);

b) 無法控制直流側故障電流(直流側故障只能跳交流側斷路器,也就是沒斷路器用,這個問題ABB似乎解決了);

c) 運行經驗尚不足,系統穩定性、可靠性仍有待檢驗

d) 全控器件容量普遍做不大。

六、總結:

由於是和特高壓交流輸電比較,竊以為VSC-HVDC不在考慮之列,故主要考查當下主流的採用半控型器件的LCC-HVDC的特性。

高壓直流輸電雖然輸送容量大且可以非同步並網,但由於其換流站成本高昂,控制複雜並不適合構成電力系統的骨架。高壓直流輸電更適用於不同區域網架之間的連接,以及遠距離大容量的電力輸送。而特高壓交流系統則適合作為大區域中樞,擔當網架的主幹。兩者優勢互補,各有分工。

事實上,在我國特高壓電網建設中,將以 1000kV 交流特高壓輸電為主形成特高壓電網骨幹網架,實現各大區電網的同步互聯;± 800kV 特高壓直流輸電則主要用於遠距離、中間無落點、無電壓支撐的大功率輸電工程。

參考文獻:

  • 機械工業出版社《高壓直流輸電原理與運行》第2版 ——韓民曉、文俊、徐永海

  • 「內參」《高壓直流輸電總結》——陳偉彪(某學長留下的神總結,本文大量引用,感謝學神拯救我的直流輸電考試)

【李躍竟的回答(27票)】:

它們是不同方向的輸電技術,沒有可比性。打個外行人能聽得懂的比方,客運方面,綜合時間成本與金錢成本,汽車在200kM內的運輸最有優勢,火車在500kM內的運輸最有優勢,飛機在800kM以上最有優勢,輪船速度最慢,但是在有些條件下,你又不得不用它。它們共同構成了客運體系,不存在誰取代誰的問題。

高壓直流輸電的優點在於不消耗無功功率,降低了輸電的線損,同時使海底遠距離電纜的敷設成為可能,缺點同樣明顯:技術起步晚,不成熟,換流閥功耗也不低,最重要的,換流站的成本遠遠高於同等電壓等級,同等輸電容量的變電站。

也就是說,在直流輸電線路上節省下來的電費,又花到換流站裡去了……

所以,只有當輸電距離超過800KM時,直流輸電才有優勢,才能比交流省錢。所以,直流輸電有個嚴重的缺陷:只能點對點傳輸電能,對線路經過的地方提供不了電能——因為換流站太貴了……他主要的應用場景是大型水電站將電力輸送到遠方電網中去、海底電纜以及比較特殊的背靠背工程。前兩方面南網都涉及到了,一方面是雲南電網近年來建設的大型水電站送電至廣東電網工程,另一方面是海南電網與南網的並網工程。

交流的缺點是長距離輸電會額外提供我們不需要的無功功率,這種容升效應會將電路末端電壓升高,需要並聯高壓電抗器來消耗無功功率,將電壓降到額定值,這一來一去不僅增加了變電站的建設成本,也大大增加了線損。在海底電纜中,交流還會和海水(導體)進行無功交換,導致交流無法再通過海底電纜將電能輸送到對岸。

交流的優點是技術成熟度高,可靠,還能接入當地電網,所以當要建設高壓電時,不可能繞開交流。

所以,直流主要負責大型電源與遠方電網點對點、海底電網的連接以及大電網之間的聯接及隔絕,交流負責高壓電網這個面的建設,它們不存在競爭取代關係。

如果題注感興趣的話,可以關注一下介於直流和交流之間的柔性輸電技術。

【fuli的回答(4票)】:

第一次被邀請,謝邀,沐浴更衣後回答~

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首先擺結論,國網公司不想,本人想

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首先,前面回答問題的都沒有看懂題目,題主問的是取代「特高壓交流輸電」。目前全國已建成的特高壓交流輸電(交流1000kV)的只有兩條,在建的有兩三條,所以其實並不存在歷史遺留問題,更不和用電設備設備有關,因為那涉及到配網。

其次,擺直流優缺點。

優點:

1、直流輸電技術特別適合大功率、遠距離輸電,對於輸電距離超過1000km,輸送容量達1億的西電東送工程,採用直流輸電是最經濟合理的方案。根據國外資料提供的數據,目前直流輸電的等價距離在600-900km之間。錯略的說,當輸電距離超過等價距離後,採用直流輸電比採用交流輸電經濟;

2、直流聯網後,不會對被連交流系統的短路電流水平產生影響;

3、採用直流聯網就從網絡結構上根除了產生低頻震盪的可能;

4、可在網絡結構上隔斷交流故障的傳遞,避免發生連鎖反應,是在網絡結構上預防發生大面積停電事故的有效措施。

缺點:太貴,運行維護複雜,經驗少。

再次,擺交流優缺點

優點:交流聯網構成大電網,作為一個同步電網,抗擊風險的能力更強

缺點:容易發生更大範圍的電網事故,難以調度,同時設備同樣昂貴,運行維護經驗同樣少。

最後,對比

1、原理機制:交流聯網是同步聯網,當做是同一個網,對事故容忍閾度高,但更容易發生更大事故;

直流是異步聯網,是兩張網,可以隔離故障,而且因為調節速度快,更容易降低事故影響;

2、電能質量:電壓,頻率,波形三方面。特交流線路,無功變化大,更難控制電壓,頻率無影響,直流諧波多。

3、電網安全,是否方便調度:特高壓交流對小事故容忍度高,但容易有大事故。特高壓直流方便調度,因為分開兩張網,獨立調度,這也是很多專家反對特高壓交流的原因之一。

4、綜合經濟:直流優點已闡述。

5、政治因素:國網想通過交流全國聯網,獲得更大的調度權和管理權,避免被拆分(直流聯網屬於異步聯網),這也是很多專家反對特高壓交流,不反對特高壓直流的原因之一。

【張弛的回答(2票)】:

謝邀。

簡單的來說應該是不會取代的,各有利弊。交流技術成熟,聯網更方便,更加經濟。直流技術適合遠距離、大容量輸電,但是換流站噪音很大,且只能點對點輸電。

更加詳細的問題可以參考@嚴同老師的答案。zhihu.com/question/2073

【林顛趴的回答(2票)】:

在可預見的未來不會,再遠的未來就很難說清楚了。目前兩者各有專長,就像WIFI和移動網絡一樣,離開誰都過不好。

讓我們來複習一下文俊老師的《高壓直流輸電》吧。

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一、HVDC與UHVAC優缺點對比:

1.技術層面上

HVDC與交流系統聯網後,有利於改善交流系統的穩定性,但其換流器產生大量諧波。諧波治理是關鍵。

2.可靠性

通過強迫停運率、電能不可用率等可靠性指標的對比,HVDC與UHVAC的可靠性相當。

3.經濟性

建設成本:這裡就想起了文老師說過的等價距離的概念,HVDC與HVAC總投資費用相等時,輸電線路的長度,也就是以下:

運行成本:HVDC運行損耗小,但換流器無功消耗量大。

二、HVDC的適用場合:二、HVDC的適用場合:

  • 高電壓、遠距離、大容量輸電;
  • 跨海送電;
  • 不同額定頻率電網的聯網或相同額定頻率電網的非同步聯網(輸電);
  • 由地下電纜向大城市供電;
  • 交流系統互聯或者配電網增容時,作為限制短路容量的措施之一;
  • 配合新能源輸電。

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所以,目前來看高壓直流輸電在可預見的未來會不會取代特高壓交流輸電。

參考:

文俊老師的《高壓直流輸電》PPT

韓民曉,文俊等編著.高壓直流輸電原理與運行.北京:機械工業出版社,2009

【烏黑黑的回答(3票)】:

高電壓課本。。高電壓課本。。

【鵬鵬的回答(0票)】:

第二次瀉藥啦~又開心了!我專業都快忘完了,不從數學上分析了,就淺顯的聊聊吧,大家就當休閒~不專業,業餘,夜娛!

交流輸電提高了電壓,電流就小了,這樣輸電線路的導線就可以細啦,而且路上的電阻損失的電能也少了,特高壓超高壓輸電簡直好極了!可是問題在於電壓提高了,那麼對材料的耐壓就有很高的要求,包括防雷,檢修等等,要求相當高!

直流電當年處於下風就是因為無法長距離輸電!導線長距離輸送直流電,導線和地面相當於一個大大的電容!而且當時可控硅技術也不發達,直流電的電壓變換比較困難!交流電就方便多了,兩個不同的線圈往硅鋼片上一套,電壓隨便調!

現在可控硅技術非常好了,你看看你的手機充電器就知道了,從前大塊頭的充電器,現在可以做成麻將牌大小!而且直流電不用調相調頻等等那麼煩人!

如果直流輸電線路也建成了,太陽能發電成本會不會更低了?因為不用做交直變換啦!

我記得咱們國家不是上馬了一個直流輸電項目麼?

三十年河東三十年河西,誰知道呢,萬一超導體常溫實現了,用一節南孚電池送電給你聽收音機也不是沒有可能,看技術發展方向吧!

胡說八道的,望海涵,望再邀!

【韓培良的回答(0票)】:

謝邀。絕對不會。

我從應用的方面來解釋吧。不管是高壓直流還是高壓交流,最重要的是用電設備。需求決定的傳輸方式的。所以咱們就拿最常用的電機說說吧。首先,直流電機需要硬件換向器,所以存在天然的劣勢,生產也困難。但是直流電機也有優勢,就是控制簡單。咱們再來說說交流電機,雖然控制複雜,但是生產簡單。而且交流電機已經能夠實現精確的控制。所以,直流電機只能使用在某些特定的場合,但是交流電機卻是越來越重要。很多其他設備,對電流流向的沒有必要的要求,哪有何必非得換成直流輸電呢?從用電設備上考慮,直流輸電不會取代交流輸電。

【張晗的回答(0票)】:

我不能肯定許多年後直流能不能徹底代替交流,但技術的革新就是要把不可能變為可能。但目前直流輸電對於短距離來說成本還是偏高的,主要考慮一個等價距離的問題。就目前的情況來說交流和直流共存的局面將會是一個長期的現狀,二者相輔相成,互有優缺點,目前還沒有誰取代誰的趨勢。其實說到底還是看政策啊,政策支持誰,誰就能取代誰,有點混亂了,如今不看技術是否成熟,而是看liyi相關者是誰,我是不是要被那個了…

【徐jay的回答(0票)】:

謝謝邀請

個人不喜歡百度貼數據、貼文章,手敲簡潔一點的話盡量說清楚。

首先很同意

@潘魯渝 @李躍竟

兩位的說法。

其中,潘魯渝已經分條把交直流特高壓的基本對比說的很清楚了~

目前幾位同志主要在對比交直流特高壓作為輸電通道的意義。

稍微需要補充的是,交流特高壓有一個先天性的特點,可以作為主網絡構架存在!

這個非常重要,且不論現在是否需要,但這個先天性的屬性,決定了其未來發展的可能性。

展開說

回顧7、80年代,地區電網以220kV為主構架。500kV作為輸電通道存在。

隨著工業和城市發展,220kV主網架不在滿足需要,短路電流超標、網架容量不夠。

500kV開始逐步提上議程。

而現在基本都是500kV作為地區電網主網架。

同樣也出現了一些當年220kV的問題。

那麼就出現了1個可能性:未來1000kV交流作為主網架。

這裡不去分析可能性是多大,目前的性價比如何。

這些在未來的發展道路上會越來越清晰。

大膽預計,未來國內可能會產生數個大區域的1000kV主網架。

±800kV 直流,±1100kV直流作為輸電大通道,以及網架不同步聯網手段。

目前華東地區,皖電東送南半環已經建成,浙福工程接近尾聲,淮南-南京-上海北半環已經核准。

1000kV主網架環網已經逐步建立起來。

華北地區(不是狹義的華北,這裡包括了內蒙、陝西)(目前獲批 錫盟-山東1000kV交流。可能在今年或者明年獲批,蒙西-天津南,榆橫-濰坊,2條1000kV大通道。形成2縱1橫的交叉1000kV網架。國網公司也在進一步試圖將該網架填實。

預測在華東環網構成之後,將是華北片區大網、以及可能的華中地區目字型網絡。

說了很多廢話,簡單的說就是:

交直流特高壓在輸電上各有優劣

交流特高壓存在成為區域主網架的可能性

不會誰取代誰,而是協同發展

【知乎用戶的回答(0票)】:

不會替代。

簡單說,800公里內,直流沒有優勢。直流是為避免系統事故和超遠距離輸電的有效補充。

其實我更樂於看到無線輸電的突破性創新。

【陳翔宇的回答(0票)】:

謝邀

你可以看看我的這個問題,直流組網難點在哪裡?

你把這個問題的答案變化著看一下,就能解決你的疑問了……

【王爸爸的回答(0票)】:

從取代來說。我任認為不可能。首先直流電的確產生的阻尼小。可以節省很多電能。但是高壓輸電使用交流電更加容易操控,更加穩定。直流電不容易操控。而且使用的上許多都是交流電的電器!

【林木的回答(0票)】:

大膽預計,未來國內可能會產生數個大區域的1000kV主網架。

±800kV 直流,±1100kV直流作為輸電大通道,以及網架不同步聯網手段。

【lingdakong的回答(0票)】:

特高壓交流和特高壓直流就像男人和女人,誰也離不開誰。

建設以特高壓為主幹網絡的堅強智能電網。

【李呢的回答(0票)】:

這裡不去分析可能性是多大,目前的性價比如何。

這些在未來的發展道路上會越來越清晰

【韓歌的回答(0票)】:

目前華東地區,皖電東送南半環已經建成,浙福工程接近尾聲,淮南-南京-上海北半環已經核准。

1000kV主網架環網已經逐步建立起來。

標籤:-電力傳輸 -電力系統 -交流電 -直流輸電


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