DC传输技术的优势:
经济上:
(1)线路成本低。架空输电线路,交流用三线,DC一般用两线,以大地或海水为回路时只需一线,可节省大量线路建设费用。对于电缆,由于绝缘介质的DC强度远高于交流电,如普通油浸纸电缆,DC的允许工作电压约为交流电的三倍,DC电缆的投资要少得多。
(2)年功率损耗小。仅使用两条架空DC输电线路,导线的电阻损耗比交流输电小;无感抗和容抗的无功损耗;没有趋肤效应,导体的横截面得到充分利用。此外,架空DC线路的“空间电荷效应”使其电晕损失和无线电干扰小于交流线路。因此,DC架空输电线路在初投资和年运行费用方面更为经济。
技术方面:
(1)不存在系统稳定性问题,可以实现电网异步互联,而交流电力系统中所有同步发电机保持同步运行。可以看出,在一定的传输电压下,交流输电的允许传输功率和距离受到网络结构和参数的限制,必须采取提高稳定性的措施,增加成本。然而,DC输电系统用于连接两个交流系统。因为DC线没有电抗,所以不存在这样的稳定性问题。因此,DC传输的传输容量和传输距离不受同步运行稳定性的限制,可以连接两个不同频率的系统,实现异步组网,提高系统的稳定性。
(2)限制短路电流。如果用交流电力线连接两个交流系统,短路容量会增加,甚至需要更换断路器或加装限流装置。而当两个交流系统通过DC输电线路连接时,DC系统的“恒流控制”会迅速将短路电流限制在额定功率,短路容量不会因为互联而增加。
(3)调节迅速,运行可靠。通过可控硅换流器,DC输电可以快速调节有功功率,实现“潮流逆转”(潮流方向的改变),保证正常情况下稳定输出,实现事故情况下音响系统对故障系统的紧急支持,以及抑制振荡阻尼和次同步振荡。当交流线路和DC线路并联运行时,如果交流线路短路,可以暂时增大DC传输功率,以减小发电机转子的加速度,提高系统的可靠性。
(4)电容器没有充电电流。DC线稳态时无容性电流,沿线电压分布稳定。无空载或轻载时,交流长线受端和中间电压异常升高,不需要并联电抗补偿。
(5)节省线路走廊。考虑同样的500 kV电压,一条DC输电线路的走廊为~ ~40 m,一条交流线路的走廊为~ ~50 m,前者的输电能力约为后者的两倍,即DC输电效率约为交流的两倍。
DC传输技术的缺点;
(1)转换器设备昂贵。这是制约DC变速器应用的主要原因。输送相同容量时,DC线单位长度的成本低于交流线。DC输电两端的换流设备成本比交流变电站贵得多。这就导致了所谓的“等效距离”问题。
(2)消耗更多的无功功率。一般每个换流站消耗的无功功率约为输电功率的40% ~ 60%,不需要工作补偿。
(3)谐波。变流器在交流侧和DC侧产生谐波电压和谐波电流,使电容器和发电机过热,变流器的控制不稳定,干扰通信系统。
(4)就技术和设备而言,DC波形没有零点,灭弧困难。目前还没有DC开关,但开关功能是通过锁定变换器的控制脉冲信号来实现的。如果多条DC线路汇聚在一个区域,一次故障也可能造成多个逆变站闭锁,而在多端供电方式下,无法单独切除事故线路,因此需要切除所有线路,对系统影响很大。
(5)在运行维护方面,DC线路污染更快,污闪更低,污染问题比交流线路更严重。与西方发达国家相比,我国目前的大气环境相对较差,DC线路的清洁和防污闪难度较大。由于设备故障和污染严重,DC线路的污闪率明显高于交流线路。
(6)不能使用变压器来改变电压等级。DC输电主要用于长距离大容量输电、交流系统间的异步互联和海底电缆输电。与DC输电相比,现有的交流500kV输电(经济输电容量1 000 kW,输电距离300~500km)已不能满足需要。只有提高电压水平,采用UHV输电方式,才能获得更高的经济效益。
UHV交流输电的主要优势:
(1)提高传输容量和传输距离。随着电网面积的扩大,电能的传输容量和传输距离也在不断增加。所需的电网电压水平越高,紧凑传输的效果越好。
(2)提高动力传输的经济性。传输电压越高,单位容量的价格越低。
(3)节省线路走廊和变电站的占地面积。一般来说,1条1150千伏输电线路可以替代6条500千伏输电线路。UHV传输的使用提高了走廊的利用率。
(4)降低线路的功率损耗。就我国而言,电压每提高1%,相当于每年增加500万千瓦的电力,500千伏输电的线损是1200千伏的5倍以上。
(5)有利于组网,简化网络结构,降低故障率。
UHV变速器的主要缺点:
UHV传输的主要缺点是系统的稳定性和可靠性不容易解决。从1965年到1984年,全球共发生6起交流电网崩溃事故,其中美国4起,欧洲2起。这些严重的大电网断瓦事故表明,交流互联的大电网存在安全稳定、事故连锁反应、大面积停电等难题。特别是UHV输电线路初期,主电网无法形成,线路带负荷能力低,集中供电带来了很大的稳定性问题。下级电网无法开环运行,导致无法有效降低受端电网短路电流,威胁电网安全运行。此外,UHV交流输电对环境有很大影响。
总结:
因为交流UHV和高压直流各有优缺点,可用于长距离大容量输电线路和大区域电网间的互联线路,两者各有优缺点。输电线路的建设主要考虑经济性,而互联线路要把系统的稳定性落实到位。随着技术的发展,双方的优势和劣势可能会相互转化。这两种传输技术将长期共存并激烈竞争。在超高压交流输电方面,如果在500kV电压等级采用750kV(运行电压800kV),由于两个电压之间距离较近,可能会出现电磁环网多、潮流控制困难、电网损耗大等问题。此外, 即使未来采用灵活的交流输电技术或紧凑型输电技术,输电能力的有限增加仍将难以满足电力系统长远发展的需要。综上所述,与750kV交流输电相比,UHV在大容量远距离输电和建设强大的国家电网方面具有一定的优势,在技术和设备上不存在难以克服的技术难题,在建设投资和运行上也比较经济。