我国地域辽阔,电力资源及负荷分布不平衡,要求通过远距离输电、网络互联达到有限资源的最佳利用。目前电网主要是交流网络,直流输电技术也趋于成熟,那么我国电网应采用何种方式的互联呢?
一、交直流联网方式优缺点对比
1、大型电网采用直流互联的优点有:
(1)直流联网方式输送容量大,输送距离远,同时输送容量和输送距离不受同步运行稳定性的限制,对于架空线路,直流互联输送的功率约为交流输电功率的1.5倍,同时由于输送容量提高,因而在输送相同容量的电能时,所需要的输电线路数目减少,杆塔以及占地面积均减少;
(2)直流联网方式功率和能量损耗小,直流线路的功率损耗比交流线路小1/3,同时由电晕引起的无线电干扰也比交流线路小得多;
(3)通过直流输电系统连接两个交流输电系统时,交流系统不必同步运行,因此可以实现不同频率或相同频率不同步运行的两个交流系统的连接;
(4)通过直流互联线路互相联系的交流系统各自的短路容量不会因互联而显著增大;
(5)交流互联线路故障意味着100%的功率损失,但对于双极运行的直流输电而言,线路故障意味着50%的功率损失,因而双极运行的直流互联系统的可靠性可以与两回交流互联系统相当;
(6)直流线路在正常运行时,由于电压恒定不变,导线间没有电容电流,因而不需要并联电抗补偿,线路中电流也是恒指不变,也没有电感电流,因而不需要串联电容补偿;
(7)电网的发展规模总是由小到大,区域互联送变电的容量和电压等级也同样是由较小到较大,由较低到较高发展,不可能按最终规模一次建成,直流互联可以分期建设和增容扩建相对交流互联方式更加灵活;
(8)直流输电技术在开发利用新能源、新发电方式以及新储能方式等方面,是一种有效的手段。
由于直流换流站造价较高,因此直流互联对于跨大区互联优势更加明显;同时由于电力电子设备的大量接入,系统谐波含量增加;直流电压没有自然过0,因此直流断路器的制造比较复杂;以大地作为回路的单极运行方式大地回流会产生腐蚀,同时对交流系统产生一定的影响。
与直流互联相比,采用交流互联,特别是超特高压交流互联同样具有输送容量大,输送距离远,输电损耗小等优点,与直流互联相比,交流互联的主要优点体现在:采用交流互联不会引入谐波污染,同时交流系统更容易实现变压。
2、大型电网采用交流互联缺点主要有:
(1)大规模交流系统互联需要同步运行,因此系统变得更加复杂,运行难度更大,且更易发生连锁故障;
(2)交流线路一相发生故障时,如在短时间内没有恢复,则三相将被切除,因此功率损失较大,系统可靠性较差;
(3)联网系统使得短路容量和故障电流增加;
(4)采用交流互联在一定程度上降低系统阻尼,给系统带来新的问题,如低频振荡。
采用直流互联的优点与交流互联的缺点相对,上面简要列出部分采用交流互联所带来的问题,其余部分不再赘述。
二、如果我国要实现全国联网,将采用何种联网方式?
首先,我国一次能源分布不均衡:2/3的煤炭资源在北方,80%的水资源在西部,因而能源中心距离东部负荷中心有800km到3000km远。为此,一方面可以将一次能源直接运输到负荷中心,另一方面对于水资源,以及光伏、风能等新能源依然需要输电线路来输送。这决定了我国必须走远距离大规模输电的的道路。
基本上按地理的位置分片我国形成北、中、南3个跨区互联电网,北、中、南之间再进行有限的互联,从而建成全国统一的联合电网。随着三峡工程的建成,如何实现全国联网引起广大电力科研工作者的探讨。实现全国联网需要重点考虑技术、安全、管理和建设等方面的需求。
对跨大区电网的互联具体分析如下:(1)技术上采用交流联网,虽然可以采用一定的措施限制短路电路,但是该措施实现较复杂,同时全国联网必然会形成跨大区电磁环网、交流大环网以及出现难以控制的环流,而采用直流输电不仅不会增加短路电流,也不存在大区电磁环网、交流大环网和环流,从这一角度来看直流联网较交流好;(2)安全上,如果全国采用交流同步联网,在电网故障时,系统很难保持安全稳定运行,尤其是发生跨大区的连锁故障时,为防止事故规模的进一步扩大,各电网不仅不能互相支援,而且需要切断联络线来保持自身的安全。相反,如果采用直流互联只要再设计时保证换流站和逆变站接入点交流电网的短路容量和电压支撑以及多回并联送电的逆变站之间有足够的电气距离,就不会发生跨大区电网的安全问题以及连锁故障,同时可以在不危机自身安全的前提下提供紧急支援;(3)管理上,采用交流联网方式,全国很难实现统一调度、分级管理,国际上也没有可以借鉴的经验,如果采用直流联网方式根据葛-沪直流的经验,国调可以通过计算机监控系统实现对各大区电网的监测和调度;(4)建设上,前苏联跨大区采用交流互联,形成330kV、500kV和750kV并列联网的不合理格局,不仅存在电磁环网,而且送电功率不均、事故时功率转移等缺点,而不同电压等级、不同容量的直流线路并联运行,不会出现上述问题。同时直流联网可以分阶段、按发展规模分期建设,既经济又安全。
从上述分析可以清楚地看出跨大区电网的互联采用直流联网更具优势,但也有学者认为直流的稳定性好主要是依赖于电力电子设备快速的调节电压幅值和相位以满足系统稳定性的要求,或者快速的将直流线路从交流系统断开,并快速使非故障线路增加功率,所有这些得益于电力电子技术在电力系统中的应用,如果将电力电子技术与交流输电系统结合,其性能价格将大大优于直流,因此全国联网应采用电力电子设备逐步武装的超特高压交流联网方式,而不排除局部联网采用直流互联或背靠背联网方式。
综合上述分析,我认为交流输电固有的一些缺点并不是电力电子技术可以完全应对和解决的,同时高压交流输电在减少输电损耗,增加输电容量和输送距离等方面没有高压直流输电要明显。但同时考虑到直流输电换流器成本较高,经济上需要考虑等价距离的因素,我个人认为全国互联采用直流联网方式为主,当然不排除某些地区交流联网方式的存在,而在区域之间采用交流联网方式的总体格局。