直流输电原理

直流输电是电力系统中近年来迅速发展的一项新技术。主要应用于远距离大容量输电、电力系统联网、远距离海底电缆或大城市地下电缆送电、配电网络的轻型直流输电等方面。直流输电与交流输电相互配合，构成现代电力传输系统。随着电力系统技术经济需求的不断增长和提高，直流输电受到广泛的注意并得到不断的发展。与直流输电相关的技术，如电力电子、微 电子、计算机控制、绝缘新材料、光纤、超导、仿真以及电力系统运行、控制和规划等的发展 为直流输电开辟了广阔的应用前景。直流变为交流叫逆变，交流到直流叫整流，无论高压低压，原理是一样的。UPS里面是包含了整流和逆变两个过程，原理一样，但具体的过程以及数值和设定的参数有关。整流，全波整流电路就是利用二极管单向导通的特性，用4个二极管连成一个桥式整流电路，使输入端电是交流电流，其波形是正弦波，电流方向是交变的，而输出端波形电流变为同一方向，再经过滤波电路将波形滤掉之后可得到直流电。逆变是整流的逆过程，是通过晶闸管实现的，把直流电逆变成交流电的电路称为逆变电路。在特定场合下,同一套晶闸管变流电路既可作整流,又能作逆变。
　　直流输电由于自身的结构及性能，具有以下特点：
　　1）经济性
　　高压直流输电的合理性和适用性在远距离大容量输电中已得到明显的表现。由于直流输电线路的造价和运行费用比交流输电低，而换流站的造价和运行费用均比交流变电所要高。因此对于同样输电容量，输送距离越远，直流比交流的经济型越好。如下图可以看出当输电距离大于等价距离时，直流输电的经济性优势便可以体现出来，并且输电距离越远其经济性越好。在实际应用中，对于架空线路此等价距离为600~700km，电缆线路等价距离则可以降低至20~40km。
　　另一方面，直流输电系统的结构使得其工程可以按照电压等级或级数分阶段投资建设。这也同样体现了高压直流输电经济性方面的特点。
　　2）互联性　　交流输电能力受到同步发电机间功角稳定问题的限制，且随着输电距离的增大，同步机间的联系电抗增大，稳定问题更为突出，交流输电能力受到更大的限制。相比之下，直流输电不存在功角稳定问题，可在设备容量及受段交流系统允许的范围内，大量输送电力。
　　交流系统联网的扩展，会造成短路容量的增大，许多场合不得不更换断路器，而选择合适的断路器又十分困难。而采用直流对交流系统进行互联时，不会造成短路容量的增加，也有利于防止交流系统的故障进一步扩大。因此对于已经存在的庞大交流系统，通过分割成相对独立的子系统，采用高压直流互连，可有效减少短路容量，提高系统运行的可靠性。
　　直流输电所连的两侧电网无须同步运行，原因是直流输电不存在传输无功问题，两侧的系统之间没有无功的交换，也不存在交流系统中频率的问题。由于直流输电的这个特性，它可以实现电网的非同步互连。进而也可实现不同频率交流电网的互连，起到频率变换器的作用。
　　3）控制性
　　直流输电另一个重要特点是潮流快速可控，可由于锁链交流系统的稳定与频率控制。直流输电的换流器为基于电力电子器件构成的电能控制电路，因此其对电力潮流的控制迅速而精确。且对于双端直流输电而言，可迅速实现潮流的反转。潮流反转有正常运行中所需要的慢速潮流反转和交流系统发生故障需要紧急功率支援时的快速潮流反转。其迅速的潮流控制对于所连交流系统的稳定控制，交流系统正常运行过程中应对负荷随机波动的频率控制及故障状态下的频率变动控制都能发挥重要作用。
　　4）缺点
　　当然，直流输电也存在一系列的缺点。直流输电换流站的设备多、结构复杂、造价高、损耗大、运行费用高、可靠性也差。换流站的工作过程中会产生大量谐波，处理不当而流入交流系统的谐波就会对交流电网的运行造成一系列问题。因此必须通过设置大量、成组的滤波器消除这些滤波。其次传统的电网换相直流输电在传送有功功率的同时，会吸收大量无功功率，可达有功功率的50%—60%。需要大量的无功功率补偿设备及其相应的控制策略。另外，直流输电的接地极问题、直流断路器问题，都还存在一些没有很好解决的技术难点。
　　当受端交流系统的短路容量与直流输送容量之比小于2时，称为弱受端系统，这时为了控制受端电压的稳定性，保证直流输送的可靠运行，通常要增设调相机、静止无功功率补偿器或静止无功发生器，且应实现HVDC与这些补偿设备的协调控制。
　　由于上述直流输电自身的一系列的特点，使得直流输电有其适用的领域，接下来论述这些适于高压直流输电应用的领域。
　　1）海底电缆输电 从世界范围来看，直流输电工程的约三分之一为海底电缆送电。
　　2）长距离架空线输电 有研究工作表明，对于输送10GW、300km的电力，直流架空线路输送已开始占有优势，依据这一分析报告，适用直流架空线路的输电容量将占到全球总输电容量的26%以上。
　　BTB方式 BTB方式工程约占全世界直流工程的40%，主要用于在不增加交流电网短路容量的情况下，实现功率的融通和紧急功率支援。其以应用可分为交流系统互联或不同频率交流系统互联。如我国的灵宝工程（一般交流系统互联），日本国内工程（不同频率交流系统互联）。
　　4）短路容量对策 世界范围内，随着电力负荷的增加，电源及电网建设不断扩充，交流电网的规模越来越大。在这种情况下，短路故障发生的故障电流越来越大，直流输电作为限制短路电流的对策获得极大的关注。
　　①负荷供电：都市负荷集中地区供电，有时必须采用地下电缆送电。这种情况下，要求设备占空间小，短路电流过大时，断路器的选择就有困难，这时采用直流输电就表现出一定的优势。采用器件换相的轻型直流输电就更显示出直流输电的这一优点。
　　②系统分割：将已有的大规模交流系统分割为若干相对较小的独立运行的小系统，系统之间采用BTB等直流方法互联，可有效减少故障短路电流。这方面的工程实例还没有，但日本学者对日本的关西、中国、九州、四国的串行系统进行的研究表明，若通过在关西与中国、中国与九州、九州与四国、四国与关西间采用直流方式连接，将可大大抑制短路电流，并实现小系统向大系统的输电。