1.1 直流輸電的定義與分類

1.1.1 定義

高壓直流輸電技術是指將輸送端的交流電變換為直流電，并且通過直流輸電線路進行輸送，然后在接收端又將直流電變換為交流電的技術，其目的是以直流的方式實現高電壓大容量電力的變換與傳輸。與交流輸電相比，直流輸電具有以下優點：

1）直流輸電系統沒有交流輸電系統功角穩定的問題，適合遠距離傳輸。

2）直流輸電一般采用雙極中性點接地方式，僅需要2根導線，而三相交流線路則需要3根導線，因此直流輸電線路造價低，距離越遠整體工程就越經濟，適合海底電纜和城市地下電纜輸電。

3）直流輸電系統能非同步（相位和頻率）連接兩個交流電網，不增加短路容量。

4）直流輸電的電流和傳輸功率可通過計算機系統改變換流器觸發角來實現，可控性更強，控制速度快，可有效支援交流系統。

5）直流輸電線路在穩態時沒有電容電流，不會發生電壓異常升高的現象，不需要并聯電抗補償。

6）直流輸電系統可方便地進行分期建設和增容擴建，有利于發揮投資效益。

然而，直流輸電與交流輸電相比技術更為復雜，而且需要增加更多的設備，如換流器、交流濾波器、無功補償裝置、平波電抗器和直流濾波器、各類交直流避雷器以及轉換直流接線方式用的金屬回路和大地回路直流轉換開關等，且大地回路運行時存在直流偏磁問題和電化學腐蝕等問題。但是，隨著高壓直流輸電技術的不斷改進，現代電網正逐漸成為交直流互聯電網。直流輸電的可靠運行與交流電網的強度、穩定水平密切相關，同時直流輸電優越的控制能力也可為交流電網的安全穩定提供有力的支持。

1.1.2 按結構分類

依據高壓直流輸電系統與交流電網的不同的連接模式、不同的換流技術和電壓等級可以有不同的分類方法。按照高壓直流輸電系統與交流電網的接口數量不同，可將其分為兩大類，即兩端直流輸電系統和多端直流輸電系統。

1.兩端直流輸電系統

兩端直流輸電系統主要由整流站、直流輸電線路和逆變站三部分連接兩端交流系統，電能從一個交流電網的一點導出，在送端整流站轉換成直流，通過架空線或電纜將直流電傳輸到受端逆變站再轉化成交流，最后進入另一個交流電網。它與交流電網只有兩個接口，因此是結構最簡單，技術最成熟，目前世界上最普遍采用的直流輸電系統。兩端直流輸電系統又可進一步分為點對點直流輸電系統和背靠背直流輸電系統（無直流輸電線路）。

（1）點對點直流輸電系統

圖1-1所示為點對點直流輸電系統結構示意圖，點對點直流輸電系統的兩個換流站中一個作為整流站（送端），另一個作為逆變站（受端）。點對點直流輸電系統又可以分為單極系統、雙極系統。單極直流輸電系統有正極性和負極性兩種。換流站出線端對地電位為正的稱為正極，為負的稱為負極。與正極或負極相連的輸電導線稱為正極導線或負極導線。單級直流架空線路通常采用負極性（即正極接地），這是因為正極導線的電暈電磁干擾和可聽噪聲均比負極導線的大；同時由于雷電大多為負極性，使得正極導線雷電閃絡的概率也比負極導線高。

1）點對點單極直流輸電系統。

點對點單極直流輸電系統根據接地方式，可繼續分為單極大地回線方式和單極金屬回線方式。

①單極大地回線方式。

如圖1-2a所示，單極大地回線方式的主要特點是利用一根導線和大地構成直流側的單極回路，兩端換流器均需要接地。以大地作為替代的方法雖然線路結構簡單、造價低，但是這種接線方式也有一定的缺點，比如運行的可靠性和靈活性較差、對接地電極要求較高使得接地極的投資增加。同時大地接線會對埋設于地下的金屬設施進行電化學腐蝕，還會使附近中性點接地變壓器產生直流偏磁（變壓器接地中性點間存在直流電位差）而造成變壓器磁飽和，因此該方法最常見于海底電纜直流工程中。

②單極金屬回線方式。

如圖1-2b所示，單極金屬回線方式是利用兩根導線構成直流側的單極回路，其中一根用低絕緣水平的導線（金屬返回線）替換大地回線，也避免了電化學腐蝕和變壓器磁飽和等問題。為了固定直流側的對地電壓和提高運行安全性，金屬返回線的一端接地，其不接地端的最高運行電壓即為最大直流電流在金屬返回線的壓降。這種方式的線路投資和運行費用均較上一種高，通常只在接地困難以及輸電距離較短的單極直流輸電工程中使用。

2）點對點雙極直流輸電系統。

點對點雙極直流輸電系統的出線端對地處于相反極性是雙極直流輸電系統的接線方式，也是直流輸電工程中最常用的接線方式。該接線方式可分為雙極一端中性點接地方式、雙極兩端中性點接地方式和雙極金屬中線方式三種類型。

①雙極一端中性點接地方式。

如圖1-3a所示，雙極中性點接地方式只有一端換流器中性點接地，不能利用大地作為回路。在一極故障時也不能自動轉換為單極回線方式，必須同時停運雙極后，才能轉換為單極金屬回線方式。相對于雙極兩端中性點接地方式來說，其可靠性和靈活性都更低。其主要的優點是保證在運行時地中無電流流過。在實際工程中很少應用。

②雙極兩端中性點接地方式。

如圖1-3b所示，雙極兩端中性點接地方式的正負兩極通過導線連接在一起，兩端換流器的中性點接地，可將它看成是兩個獨立的單極大地回線方式的組合。在雙極對稱運行時，正負極線路對地電流相反，地中無電流流過或者只有小于額定1%的電流流過，可消除電化學腐蝕等問題。而在需要時，雙極可不對稱運行，此時地中的電流等于兩極電流之差。為了減小地中電流的影響，在運行中盡量采用雙極對稱運行方式，如果由于某種原因需要一個極降低電壓或電流運行，則可轉為雙極電壓或電流不對稱運行方式。

雙極兩端中性點接地方式的優點還包括：1）當其中一極發生故障時，應該閉鎖該極，非故障極正常運行，從而轉換成單極運行模式；2）當接地極發生故障時斷開接地極，可將故障端的換流器的中性點自動轉換到換流站的臨時接地點，同時斷開故障接地極，從而轉換成單極運行模式。這使得雙極兩端中性點接地方便檢修維護，也正是由于該系統的靈活性高、可靠性強，因此大多數直流輸電工程皆采用該接線方式。

③雙極金屬中線方式。

如圖1-3c所示，雙極金屬中線方式是在兩端換流器中性點之間增加一條低絕緣水平的金屬回線。它相當于兩個獨立運行的單極金屬回線方式。為了固定直流側設備的對地電位，通常中性線的一端接地，另一端中性點的最高運行電壓為流經金屬線的最大電流時的電壓降，這種運行方式地中無電流通過。當一極線路發生故障時，可自動轉化為單極金屬回線方式運行。而當換流站的一極發生故障需停運時，可先轉換為單極金屬回線方式，然后再轉換為單極雙導線并聯金屬回線方式，其靈活性和可靠性與雙極兩端中性點接地方式類似。但是由于使用三根導線組成的輸電系統，其線路結構較復雜，線路造價較高。通常在不允許地中流過直流電或很難選擇接地極建設場址時才會采用。

（2）背靠背直流輸電系統

如圖1-4所示，背靠背直流輸電系統連接兩個交流系統但是輸電長度為零的一個輸電系統，它的主要功能就是完成兩個交流電力系統的能量傳遞，因為交流系統的并網需要同相位、同頻率，所以背靠背主要運用于兩個異步運行（不同頻率或者頻率相同但異步）的交流電力系統之間的互聯，也稱為異步聯絡站或者直接稱為變頻站。背靠背直流輸電系統的整流端和逆變端設備安裝在一個站內，也稱為背靠背換流站。在該站內，整流器與逆變器的直流側通過平波電抗器相連，其交流側則分別與各自的被連電網相連，從而形成兩個交流電網的聯網。背靠背直流輸電系統的主要特點為：

1）因無直流輸電線路，直流側損耗小，可選擇低電壓、大電流設備。

2）可充分利用大截面晶閘管的通流能力。

3）直流側設備（換流變壓器、換流閥、平波電抗器）也因直流電壓低而使其造價相應降低。

4）由于整流器和逆變器裝設在一個閥廳內，直流側諧波不會對通信線路造成干擾，因此可省去直流濾波器，并減小平波電抗器的電感值。

由于上述因素，使背靠背直流輸電系統換流站的造價比兩端直流輸電系統換流站的造價降低15%。

2.多端直流輸電系統

兩端直流輸電技術只能完成點對點的直流功率傳送，當目標工程需要實現多個交流系統間的直流互聯傳送時，需要建立多條直流輸電線路，這樣直流輸電線路將失去其在造價以及運行費用上的優勢。

多端直流輸電系統是指含有三個及三個以上換流站，以及連接換流站之間的高壓直流輸電線路所組成的直流輸電系統，其最顯著的特點在于能夠實現多電源供電、多落點受電，還可以聯系多個交流系統或者將交流系統分成多個獨立運行的電網，該方法提供了一種比兩端直流輸電更為靈活的輸電方式。

多端直流輸電系統中的換流站，既可以作為整流站運行，也可以作為逆變站運行，前提是以整流站運行的換流站總功率與以逆變站運行的總功率必須相等。多端直流輸電系統按換流站接入直流輸電線路的方式可分為串聯型和并聯型兩種類型。

（1）串聯型

如圖1-5所示，串聯型多端直流輸電系統指的是換流站之間進行串聯連接，各換流器均在同一直流電流下運行，直流線路只在一處接地，換流站之間的功率分配主要靠改變直流電壓來實現。在串聯型多端直流輸電系統中，各換流站之間的有功功率調節和分配主要是靠改變換流站的直流電壓來實現，一般由一個換流站承擔整個串聯電路中直流電壓的平衡，同時該換流站也起到調節閉環中的直流電流的作用。在換流站需要改變潮流方向時，串聯方式下的直流輸電系統只需改變換流器的觸發角，原來的整流站（或逆變站）變為逆變站（或整流站）運行不需改變換流器直流側的接線，潮流反轉操作靈活便捷。當某一換流站發生故障時，可投入其旁通開關，使其退出運行，其余的換流站經自動調整后，仍能繼續運行，不需要用直流斷路器來斷開故障。當某一段直流線路發生瞬時故障時，需要將整個系統的直流電壓降到零，待故障消除后，直流系統可自動再起動。當一段直流線路發生永久性故障時，則整個多端系統需要停運，而且串聯型的直流側電壓較高，在運行中的直流電流也較大，因此其經濟性不如并聯型好。

（2）并聯型

并聯型多端直流輸電系統指的是各換流站之間進行并聯連接，各換流器均在同一直流電壓下運行，換流站之間的有功調節和分配主要是靠改變換流站的直流電流來實現。由于并聯型系統在運行中保持直流電壓不變，負荷的減小是通過降低直流電流來實現，因此其系統損耗小，運行經濟性也好。并聯型多端直流輸電系統可進一步分為圖1-6a所示的分支形并聯型多端直流輸電系統和圖1-6b所示的閉環形并聯型多端直流輸電系統。

由于并聯型具有上述優點，因此目前已運行的多端直流輸電系統多采用并聯型。與串聯型不同，并聯型的主要缺點是換流站需要改變潮流方向時，除了改變換流器的觸發角，使原來的整流站（或逆變站）變為逆變站（或整流站）以外，還必須將換流器直流側兩個端子的接線倒換過來接入直流網絡才能實現，因此并聯型不適合潮流變化頻繁的換流站。另外，并聯型多端直流輸電系統在運行時，當其中某一換流站發生故障需退出時，需要用直流斷路器來斷開故障的換流站。

1.1.3 按換流技術分類

根據換流站所用換流技術的不同，直流輸電系統可分為常規直流輸電系統、柔性直流輸電系統和混合直流輸電系統。

如圖1-7a所示，常規直流輸電系統含有兩個換流站，且兩個換流站均是基于電網換相換流器（Line-Commuted Converter, LCC）設計的。LCC的特點是電能的單向傳輸。

柔性直流輸電系統既可以是點對點結構，也可以是多端結構。如圖1-7b所示，柔性直流輸電系統中的所有換流站均是基于電壓源型換流器（Voltage Source Converter, VSC）設計的。VSC的特點是電能的雙向傳輸。

如圖1-7c所示，混合直流輸電系統結合了LCC的經濟優勢和VSC的技術優勢，其中整流站采用LCC設計，而逆變站采用VSC設計。

1.1.4 按電壓等級分類

雖然直流輸電至今沒有像交流輸電系統那樣形成電壓等級的序列，但業界通常以±800kV作為高壓直接輸電系統的界限。輸電電壓在±800kV以下的為高壓直流輸電系統，±800kV及以上的為特高壓直流輸電系統。例如，我國剛剛投運的昆柳龍直流輸電系統即為世界首個±800kV的特高壓混合直流輸電工程。