高压直流输电技术发展状况

1. 高压直流输电技术发展状况 中国电力科学研究院 曾南超

2. 内容提要 • 直流输电的发展史 • 直流输电之最 • 直流输电的特点 • 直流输电类型 • 世界直流输电的发展 • 我国直流输电的发展

3. 直流输电的发展史 • 输电最早用DC • 1882年 德国 2kV 1.5kW 57km 向慕尼黑国际展览会送电 • 1889年法国 125kV 20MW 230km 从Moutiers 到Lyon(里昂) DC发电机串联高压 后来被AC输电所代替（交流电机、变压器） • 1954年 高特兰岛（汞弧阀） 第一次商业运行 • 70年代后期汞弧阀被淘汰 • 72年 加拿大 伊尔河BTB 晶闸管阀 • 年增长率 1981 – 1998 2096MW/年 • 八十至九十年代，一系列500 kV级晶闸管阀高压直流输电工程投产，标志着直流输电技术的成熟。 • 现在，制造800kV直流系统设备，在技术上也是可行的。 • 目前投运的直流工程已有７０多个。使用的晶闸管元件参数已达 8kV、3kA以上。

4. 1、汞弧阀换流时期 1954年 － 1977年 共有12项汞弧阀工程投运 • 1954年 瑞典高特兰岛（汞弧阀） 第一次商业运行 20MW,100kV,96km海缆。 • 1977年 加拿大纳尔逊河1期 最后一项汞弧阀工程 汞弧阀制造技术复杂、价格昂贵、逆弧故障率高、可靠性较低、运行维护不便、污染环境，终被淘汰。

5. 2、晶闸管阀换流时期 1972年，从加拿大伊尔河晶闸管阀工程（320MW、80kV，BTB）起，进入了晶闸管阀工程时期。 高压大功率晶闸管器件用于直流输电换流阀，有效地改善了直流输电的运行性能和可靠性，促进了直流输电的发展。 随着微机控制保护、光电传输、网络、水冷、氧化锌避雷器等先进技术引入直流输电领域，促使直流输电技术迅速发展，成为现今交流输电的有力补充。

6. 3、新型半导体换流设备的应用 • 20世纪90年代以后，一种新型氧化物半导体器件 － 绝缘栅双极晶体管（IGBT）在工业驱动装置上得到广泛应用，并引入了直流输电领域。 • 1997年，第一个采用IGBT阀组成的电压源换流器的直流输电工业性试验工程（3 MW、10kV、10km）在瑞典投运。称之为柔性（轻型）直流输电。现已有9个这样的直流工程投运了。 • 由于目前IGBT单个元件功率小、损耗大，尚不宜大容量直流输电工程采用。 • 近期研制出的集成门极换相晶闸管（IGCT）、大功率碳化硅器件，可能在直流输电中会有很好的应用前景。这类器件单个元件功率大、电压高、损耗小、体积小、可靠性高，且是全控器件，用它们取代普通晶闸管，将有力地推动直流输电技术的发展。

7. 直流输电之最(已投运) • 最高电压 600kV 巴西 伊泰普 两个双极 • 最大容量2×3150MW 巴西 伊泰普 两个双极 • 最长架空线 1700km 南非 英加 － 沙巴 • 最长电缆 250km 瑞典 － 德国 波罗的海工程 • 电缆直流电压最高 450kV 瑞典 － 德国 波罗的海工程 • DC电缆容量最大 英法海峡 2000MW • BTB站容量最大 俄罗斯 － 芬兰 1065MW 三单元 • 12脉动桥换流容量最大 我国 三常、三广、三沪、贵广1。

8. 直流输电的特点1 • 优点： 1）与相同输送功率的交流线路相比，钢芯铝线省1/3，钢材省1/2 – 1/3，线路造价约为AC的2/3，需要的线路走廊还窄。 2）DC电缆输电：输送容量大，造价低，损耗小，不易老化，寿命长，输送距离不受限制。 3） 无同步稳定性问题（交流 P=E1E2sin/X12）,有利于长距离大容量送电。 4） 可异步运行。 5） Pd、换流器吸收的Q均可快速控制，可用以改善所连AC系统运行特性。 6） 可分期投资建设。 7） 电网管理方便。 8） 可隔离故障，有利于避免大面积停电。

9. 直流输电与交流输电的建设费用比较

10. 直流输电的特点2 缺点： 1）换流站：设备多，结构复杂，造价高，损耗较大，对运行人员要求高。 2） 产生AC、DC谐波。 3） 需40% - 60% 无功补偿。 4） 单极大地回线运行时，地电流引起的问题。 正常运行方式应是双极平衡运行，尽量减小地电流（<1％In）

11. 世界直流输电的发展 　集中地区　　　　用　　途 • 北美地区 　　美国　　　长距离输电、电网互联 　　加拿大　　长距离输电 • 西欧地区　 　　　　　　　海缆输电、国际联网 • 亚太地区 　　印度　　　长距离输电、电网互联 　　日本　　　电网互联 　　中国　　　长距离输电、电网互联

12. 美国的直流输电工程 1）远距离输电工程 投运年份 • 太平洋联线（Pacific Intertie） 70 • 斯魁尔比尤特（Square Butte） 77 • CU工程 79 • 魁北克－新英格兰（Quebec – New England） 86 • 英特蒙顿（Intermountain） 86 2）联网工程 • 戴维德 （David A. Hamil） 77 • 伊迪康尼（Eddy County） 83 • 欧克兰宁（Oklaunion） 84 • 黑水河（Blackwater） 85 • 海盖特（Highgate） 85 • 迈尔斯城（Miles City） 85 • 希尼（Sidney）87

13. 加拿大的直流输电工程 1）远距离输电工程 投运年份 • 温哥华 （Vancouver） 68 • 纳尔逊河双极1 （Nelson River 1） 73 • 纳尔逊河双极2 （Nelson River 2） 85 • 魁北克－新英格兰（Quebec – New England） 86 2）联网工程 • 伊尔河 （Eel River） 72 • 查图圭（Chateaguay） 84 • 马达瓦斯加 （Madawaska） 85 • 麦克尼尔（McNeill） 89

14. 欧洲地区的直流输电工程 1）直流海缆工程 投运年份 • 高特兰1（Gotland1） 54 • 英法海峡（Cross Channel） 61 • 康梯－斯堪1（Konti-Skan1） 65 • 斯卡格拉克（Skagerrak） 77 • 高特兰2（Gotland12） 87 • 康梯－斯堪2（Konti-Skan 2） 88 • 撒科意（SACOI ） 88 • 芬诺－斯堪（Fenno-Skan） 89 • 波罗的海（Baltic Cable） 94

15. 欧洲地区的直流输电工程 2）陆地联网 投运年份 • 维柏格（Vyborg） 81 • 德尔罗尔（Duemrohr） 83 • 艾深里西（Etzenricht） 93 • 维也纳东南（Vienna South-East） 93 3）大城市供电 • 金斯诺斯（Kingsnorth） 76

16. 其他地区的直流输电工程 1）南美洲地区 投运年份 • 阿卡瑞（Acaray） 81 • 伊泰普双极1（Itaipu1） 86 • 伊泰普双极2（ Itaipu12） 87 • 加勒比（Garabi） 2000 2）非洲地区 • 卡布拉巴萨（Cabora Bassa） 79 • 英加－沙巴（Inga-Shaba） 82 3）澳洲地区 • 新西兰南北岛（Inter-Island） 65

17. 其他地区的直流输电工程 4）亚洲地区 投运年份 印度 • 温地亚恰尔（Vindhyachal） 89 • 席乐鲁－巴索（Sileru-Barssor） 89 • 钱德拉布尔－伯德（Chandrapur-Padghe） 91 • 里罕德－德里（Rihand-Delhi） 92 • 东南联络（East-South Interconnection） 2003 日本 • 佐久间（Sakuma） 65 • 新信浓（Shin-Shinano） 77 • 北本线（Hokkaido-Honshu） 80 • 纪伊水道（Kii Channel） 2000 南韩 • 釜山－济州岛（Haenan-Cheju） 97

18. 直流输电类型 • 两端直流输电 长距离大容量输电 • 多端直流输电 （意大利本土－科西嘉岛－撒丁岛； • 加拿大魁北克－美国新英格兰（詹姆斯湾－底斯坎通－桑地旁） 增加灵活性 高压大容量直流开关问题 • 背靠背直流输电 异步联网、非同步联网 • 柔性直流输电 全控器件（GTO，IGBT） 容量问题

19. 柔性直流输电 柔性（轻型）直流输电技术采用由IGBT或GTO组成的电压源换流器（VSC）技术，在受端无需外部交流电网提供换相电压，所需无功功率是可控的，无需大量无功补偿设备。IGBT或GTO是全控型器件，开关频率高，功率因数高，且不会发生换相失败。目前，它们的工作电压还比晶闸管低，只用于低电压、小功率的直流输电线路。

20. 柔性直流输电 • ABB、西门子公司都在开发 ABB （HVDC Light）, 西门子（HVDC Plus） • 97年3月 第一个柔性直流输电在瑞典中部投运 IGBT， 3MW, 10kV, 10km • 2005年已建成9个工程(瑞典、澳大利亚、挪威、丹麦、美国) • 最大容量330MW（美国 Cross Sound±150 kV , 40km, 2002年8月）

21. 国外直流设备主要供货商 • ABB 约占６０％ • SEIMENS 主要是BTB工程 • AREVA（前身是阿尔斯通）

22. ABB直流工程分布

23. 西门子直流工程分布

24. 直流输电技术的发展 1）应用领域 作为交流输电有力的补充（长距离大容量输电；联网；特殊条件下的输电） 2）技术上的发展 • 设计标准化、系列化 每一高压直流输电工程都是根据其接入系统的具体要求量身定做的，包括其额定直流功率、额定直流电压、性能要求等重要参数都是按照接入系统的具体要求，优化选取的，还远没有交流设备那样标准化、系列化。规范化有利于设备设计、制造，降低设备成本、降低工程造价，促进直流输电发展。

25. 直流输电技术的发展 • 换流阀 应用更高参数的晶闸管，减少阀元件数； 应用新型器件 光直接触发 日本三菱、德国西门子 电容换相技术（CCC）瑞典ABB 改善换流站无功特性，减少无功消耗 强迫换相技术 柔性直流输电技术 减小换流站无功消耗 防止换相失败 户外式结构 提高可靠性，降低成本。 • 滤波器 连续调谐 改善性能 有源型 减少占地

26. 直流输电技术的发展 • 直流控制保护 硬件集成度进一步提高 提高系统可靠性 软件编程图示化、人机界面更友好 在线监测 自检功能提高、远方诊断 主机实时操作系统 • 多端直流输电更加灵活、经济。 应用控制技术 意大利本土－科西嘉－撒丁岛 拉地松－ 尼可来－桑地旁 开发直流断路器，形成直流网络。 • 特高压直流技术±800kV 、±1000kV

27. 我国的直流输电工程

28. 我国直流输电的发展 一、研究阶段 • 1963年 中国电科院 　　　闸流管6脉动物理模拟 1kV, 5A • 1974年 西高所 BTB 6脉动晶闸管换流站 8.5kV, 200A, 1.7MW • 1977年 杨树浦电厂 － 九龙变 23kV旧 AC电缆改6脉动直流输电试验工程 31kV, 150A, 4.65MW, 8.6km 二、工程阶段 自１９８７年舟山直流工程开始

29. 1. 已投运的高压直流工程 • 舟山直流工程 舟山高压直流工程是我国第一个试验性小容量跨海高压直流输电工程，也是第一个具有完全自主知识产权的高压直流输电工程。此工程于1987年建成，额定直流电压为－100kV、额定直流电流0.5kA、额定输送直流功率50MW。 直流线路西起浙江穿山半岛，跨海东至舟山岛，全长54km，其中包括海缆线路13km。其换流阀为水冷空绝缘型晶闸管阀，每极6脉动双重阀，每阀由192只耐压2.5kV/2.0kV的晶闸管串联而成。换流变压器为3相3绕组型。直流控制保护系统是基于小规模数字集成电路构建的。 此工程的投产为缓解当时舟山岛用电紧张的局面发挥了重要作用。

30. 舟山工程地理位置

31. 1. 已投运的高压直流工程 (2) 葛南直流工程 葛南高压直流工程是我国第一个西电东送的长距离、大容量高压直流输电工程。两端换流站设备由当时的瑞士BBC公司和德国西门子公司联合供货，直流线路则自建。 此工程于1990年8月双极投产，额定直流电压为500kV、额定直流电流1.2kA、额定输送直流功率1200MW。直流线路西起湖北宜昌、东至上海南桥，全长1045km。 其换流阀为水冷空绝缘型晶闸管阀，每极12脉动四重阀，每阀由120只耐压5.5kV的晶闸管串联而成。换流变压器为单相3绕组型。此工程的直流控制保护系统是以BBC公司开发的PHSC系统为基础构建的（站控为P13系统）。 PHSC系统是一种多处理器总线结构，代表了二十世纪八十年代初期的先进技术水平。 2005年5月,对其直流控制保护系统进行了改造，用南瑞继保公司生产的MACH2系统替换了原来的PHSC系统。

32. 葛南直流工程南桥站

33. 1. 已投运的高压直流工程 (3) 溗泗直流工程 溗泗高压直流工程是我国第一个应用引进技术自己建设的跨海高压直流输电工程。此工程于2003年建成，额定直流电压为50kV、额定直流电流0.6kA、额定输送直流功率60MW。 直流线路西起上海，跨海东至溗泗岛，全长66km，其中包括海缆线路60km。 其换流阀为水冷空绝缘型晶闸管阀，每极6脉动二重阀，每阀由45只耐压3.6kV的晶闸管串联而成。换流变压器为单相3绕组型。直流控制保护系统是许继公司在引进的PHCS技术的基础上研制的。 此工程的投产为缓解溗泗岛用电紧张的局面发挥了重要作用。

34. 1. 已投运的高压直流工程 （4）天广直流工程 天广高压直流工程是我国第二个西电东送的长距离、大容量高压直流输电工程。两端换流站设备由德国西门子公司供货，直流线路则自建。 此工程于2001年6月双极投产，额定直流电压为500kV、额定直流电流1.8kA、额定输送直流功率1800MW。 直流线路西起广西天生桥、东至广州北郊，全长960km。 其换流阀为水冷空气绝缘型晶闸管阀，每极12脉动四重阀，每阀由84/78只耐压8.0kV的晶闸管串联而成。换流变压器为单相3绕组型。此工程的直流控制保护系统是以SIEMENS公司开发的SIMADYN D系统为基础构建的（站控为SIMATIC S5系统）。 SIMADYN D系统也是一种多处理器总线结构，具有当时的先进技术水平。

35. 1. 已投运的高压直流工程 （5）三常直流工程 三常高压直流工程是我国第三个西电东送的长距离、大容量高压直流输电工程。两端换流站设备主要由瑞典 ABB公司供货，直流线路则自建。 此工程于2003年5月双极投产，额定直流电压为500kV、额定直流电流3kA、额定输送直流功率3000MW。 直流线路西起湖北宜昌、东至江苏常州，全长860km。 其换流阀为水冷空绝缘型晶闸管阀，每极12脉动二重阀，每阀由90/84只耐压7.2kV的晶闸管串联而成。换流变压器为单相2绕组型。此工程的直流控制保护系统是以ABB公司开发的MACH 2系统为基础构建的。 MACH 2系统是一种以当代PC机为核心的开放式控制系统，其系统集成度、自检覆盖率都很高，具有当今的先进技术水平。

36. 1. 已投运的高压直流工程 （6）三广直流工程 三广高压直流工程是我国第四个长距离、大容量高压直流输电工程。两端换流站设备由瑞典 ABB公司供货，直流线路则自建。此工程于2004年5月双极投产，额定直流电压为500kV、额定直流电流3kA、额定输送直流功率3000MW。 直流线路北起湖北荆州、南至广东惠州，全长940km。 其换流阀为水冷空绝缘型晶闸管阀，每极12脉动二重阀，每阀由90/84只耐压7.2kV的晶闸管串联而成。换流变压器为单相2绕组型。 此工程的直流控制保护系统也是以ABB公司开发的MACH 2系统为基础构建的，与三常直流工程的直流控制保护系统基本相同，设计略有改进。

37. 1. 已投运的高压直流工程 （7）贵广一回直流工程 贵广一回高压直流工程是我国第五个长距离、大容量高压直流输电工程，也是第四个西电东送的高压直流输电工程。两端换流站设备由德国西门子公司供货，直流线路则自建。 此工程于2004年12月双极投产，额定直流电压为500kV、额定直流电流3kA、额定输送直流功率3000MW。直流线路西起贵州安顺、东至广州肇庆，全长940km。 其换流阀为水冷空绝缘型晶闸管阀，每极12脉动四重阀，每阀由78只耐压8.0kV的光触发晶闸管串联而成。换流变压器为单相2绕组型。 此工程的直流控制保护系统也是以SIEMENS公司开发的SIMADYN D系统为基础构建的，与天广直流工程的直流控制保护系统基本相同，设计略有改进。

38. 1. 已投运的高压直流工程 （8）灵宝背靠背直流工程 灵宝背靠背直流工程是我国第二个应用引进技术自己建设的背靠背高压直流输电工程。此工程于2005年6月建成，额定直流电压为120kV、额定直流电流3kA、额定输送直流功率360MW。此换流站西侧接入西北330 kV电网、东侧接入华中220kV电网，是我国利用背靠背直流技术实现地区电网互联的示范工程、也是检验引进技术成果的示范工程。 其换流阀为水冷空绝缘型晶闸管阀，单极12脉动四重阀，西北侧采用 ABB技术，电触发型，每阀由24只耐压7.2kV的晶闸管串联而成；华中侧采用西门子技术，光触发型，每阀由22只耐压8.0kV的晶闸管串联而成。 此工程的直流控制保护系统有两套，其中一套是以引进的SIEMENS公司开发的SIMADYN D系统为基础构建的，另一套直流控制保护系统则是以引进的ABB公司开发的MACH 2系统为基础构建的。两套直流控制保护系统轮流投入运行。

39. 1. 已投运的高压直流工程 （9）三沪直流工程 三沪高压直流工程是我国第六个长距离、大容量高压直流输电工程。也是第五个西电东送的高压直流输电工程。两端换流站设备由瑞典 ABB公司和国内相应厂家组成联合体供货，直流线路则自建。 此工程于2006年12月双极投产，额定直流电压为500kV、额定直流电流3kA、额定输送直流功率3000MW。 直流线路西起湖北宜昌、东至上海，全长约1048km。 其换流阀为水冷空绝缘型晶闸管阀，每极12脉动二重阀，每阀由90/84只耐压7.2kV的晶闸管串联而成。换流变压器为单相2绕组型。 此工程的直流控制保护系统也是以ABB公司开发的MACH 2系统为基础构建的，与三常直流工程的直流控制保护系统基本相同，设计略有改进。

40. 1. 已投运的高压直流容量 我国已投运的高压直流输电容量（MW） 1 舟山 50 1987 2 葛南 1200 1990 3 天广 1800 2001 4溗泗602003 5 三常 3000 2003 6 三广 3000 2004 7 贵广1 3000 2004 8 灵宝 360 2005 9 三沪 3000 2006 共计 15470 已成为直流输电大国!

41. 东北 华北 西北 灵宝 三常 葛南 华东 华中 溗泗 西藏 舟山 三上 南方 贵广1 台湾 三广 已投运的高压直流输电工程 天广

42. 国产化比例

43. 2.在建的高压直流工程 (1) 贵广二回直流工程 贵广二回高压直流工程是我国第七个长距离、大容量高压直流输电工程。也是第六个西电东送的高压直流输电工程。两端换流站设备由国内相应厂家联合德国西门子公司供货，直流线路则自建。 此工程计划于2007年双极投产，额定直流电压为500kV、额定直流电流3kA、额定输送直流功率3000MW。 直流线路西起贵州兴仁、东至广东深圳，全长约1000km。 其换流阀为水冷空绝缘型晶闸管阀，每极12脉动四重阀，每阀由78只耐压8.0kV的光触发晶闸管串联而成。换流变压器为单相2绕组型。 此工程的直流控制保护系统也是以SIEMENS公司开发的SIMADYN D系统为基础构建的，与贵广一回直流工程的直流控制保护系统基本相同，设计略有改进。

44. 2.在建的高压直流工程 （2）东北－华北背靠背直流联网工程 东北－华北背靠背高压直流联网工程（高岭换流站）计划于2008年九月投产。本期工程额定直流功率2×750MW，额定直流电流3kA，两个12脉动±125kV、750MW背靠背换流单元。 目前正在紧张施工。 这将是我国第一个大容量背靠背直流联网工程。也是目前世界上容量最大的背靠背换流站。通过此工程，东北电网和华北电网将实现异步联网。

45. 2.在建的高压直流工程 （3）中俄直流背靠背联网工程 中俄直流背靠背联网工程（黑河换流站）于2007年7月26日正式开工，计划于2008年12月投产。本期额定直流功率750MW，额定直流电流3kA。建设一个750MW背靠背换流单元。 此工程目前正在紧张施工。 通过此工程，东北电网和俄罗斯远东电网电网将实现异步联网，主要是从俄罗斯进口电力。

46. 2.在建的高压直流工程 (4) 云南－广东第1回特高压直流工程 此工程计划2009年单极投运，2010年双极投运。目前正开展设备制造工作。这是我国第一个长距离、大容量特高压直流输电工程。也是第七个西电东送的高压直流输电工程。 额定直流电压为800kV、额定直流电流3.125kA、额定输送直流功率5000MW。 直流线路西起云南昆西北换流站，东至广东省增东换流站，全长约1450km。

47. 2.在建的高压直流工程 (5) 向家坝－上海特高压直流工程 此工程计划2010年单极投运，2011年双极投运。目前尚未正式开工，正开展换流站设备招投标工作。这是我国第二个长距离、大容量特高压直流输电工程。也是第八个西电东送的高压直流输电工程。 额定直流电压为800kV、额定直流电流4kA、额定输送直流功率6400MW。 直流线路西起四川宜宾，东至上海南汇，全长约2034km。

48. 1. 在建的高压直流工程容量 我国在建的高压直流输电容量（MW） 1 贵广2 3000 2007 2 高岭 1500 2008 3 黑河 750 2008 4云广150002010 5 向上 6400 2011 共计 16650

49. 黑河 东北 华北 高岭 西北 西藏 华东 华中 向－上 南方 台湾 云广1 贵广2 在建的高压直流输电工程

50. 3.近期将开工的直流工程 (1) 呼盟－辽宁直流工程 此工程计划近期开工。这是我国第八个长距离、大容量高压直流输电工程。 额定直流电压为500kV、额定直流电流3kA、额定输送直流功率3000MW。 直流线路西起内蒙呼盟、东至辽宁沈阳，全长约908km。 通过此工程，内蒙地区的富裕能源将源源不断地送往东北工业基地。