中国为什么要大力发展特高压直流输电?
发布时间:2020-11-20
出品:科普中国
制作:蓝巾(科学有段子)
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  2005年,三峡工程输变电线路的建设,使中国一跃成为世界第一的高压直流输电国家。

  

  三峡电站

  图片来源国家电网报

  看过上一篇的读者一定还记得,因为长途输电中损耗过大,直流输电在美国败给了交流输电。那么,既然交流输电更有优势,为什么当今我们国家要大力发展特高压直流输电,还不小心成了世界第一?

  还是那个老问题:输电过程中的损耗。不过,这次却成了交流电的劣势

东山再起的直流输电系统

  上一篇我们说到直流的损耗比交流大,因此才会被淘汰。但需要注意的是,前面比较的是低电压的直流(例如110V)和高电压的交流(例如4000V)在输送相同功率时的损耗。但是,当直流和交流(有效值)电压相同时,直流输电系统的损耗会小于交流。这是为什么呢?

  通过交流系统输送电能时,因为电容和电感的存在,会使电压和电流的相位(可以理解为正弦波到达波峰时的时间)有一些差异,这就使传输的功率包含了两个部分——有功功率和无功功率

  其中有功功率可以用来做功,例如点亮灯泡、驱动电机。但是,为了传输和直流系统一样的有功功率,交流系统还需要额外传输一定比例的无功功率,这就造成了交流线路上的电流要比直流线路大。而交流线路因电阻发热造成的损耗自然也就更多了。

  其实,直流的优势还不止这个,还有系统扩容的难度更低。电力系统是要不断发展,如果想扩大容量,就需要在系统中加入更多的发电机,或者将几个系统并联起来。要做到这一点,首先需要两个系统的电压是一样的,下面,我们可以看看直流和交流系统分别需要满足什么条件。

  对于交流电,电压至少满足三个参数,才能并联:幅值——电压的大小,频率——电压的周期,相位——电压是否在同一时刻达到最大值。

  这还只是单相交流电。我们目前使用的三相交流电系统,还存在相序问题,就是各相电压达到最大值的先后顺序。再涉及到电压与电流的相位关系,还有更复杂的功角平衡问题,一个比一个令人头大。这一系列限制条件一旦有一项不符合,就可能造成系统的波动,严重的会导致整个系统崩溃——也就是停电。

  

  三相交流电的相位关系

  图片来源原创

  

  简单省事的直流电

  图片来源原创

  对于直流电,只有一个参数:就是幅值,也就是电压的数值。这个参数相同,两个系统就可以并列。所以直流系统还可以充当交流系统的粘合剂,把两个由于系统稳定性而不适合联网或参数不同不能联网的交流系统,通过直流高压来实现非同步联网(背靠背)。如果有一天,中国(频率50Hz)和美国(频率60Hz)电网连起来了,那一定是通过直流连接的。

  还有,直流输电更省成本输送同样的功率,我们用的三相交流系统,需要三根导线,而直流只要两根(正负极)。这就节约了大量的空间,也简化了杆塔结构。要知道输电走廊的宽度和杆塔成本,在电力线路成本上占了不小的比例。

  而且交流电还有个直流电没有的臭脾气——集肤效应。一根导线上的交流电电流密度,总是表现为外围大中间小,也就是说,导线中间部分是白白浪费的。人们为了解决这个问题,采用了分裂导线的方法(分裂导线还有其他作用,例如减小电抗,降低电晕损耗,提高可靠性等),也增加了工艺的复杂程度。

  

  集肤效应:图中颜色代表沿导线方向电流密度,左图为直流,电流密度均匀分布,右图为交流,电流主要集中在导线外围区域。

  图片来源原创

  另外,与交流输电相比,直流输电还有限制系统的短路电流、调节速度快等优点。

爱迪生被冤枉了吗?

  说了这么多好处,那前面爱迪生的直流系统被淘汰了,难道是被冤枉了?并不是。

  我们说的这些优势,都是建立在当代高压直流系统(例如特高压直流≥±800kV)与同等级交流系统的比较上的。爱迪生那个时代,直流电仅仅只有110V,线路损耗上,根本不能跟当时已经达到4000V的交流输电系统相提并论。

  那现代的直流电又是怎么达到这么高的电压呢?难道有了直流变压器?当然没有这种变压器,今天也没人能给直流电升压!但人们发明了直流交流转换的方法,先给交流电升压,然后通过换流阀将交流电转变为直流电(整流)。如果要降压,也先要把直流电转变为交流电(逆变)。

  如果说交流电的普及离不开变压器,直流电的普及就离不开完成整流逆变过程的换流阀。这些器件的可靠性和价格是限制直流电力系统最主要的因素。

高压时代,交流电就此没落了吗?

  那么,直流电崛起,是否标志着交流电要没落了呢?

  我想不会。

  首先,毕竟直流电要改变电压,还是要先转换成交流电。而且前面所说的优点,都是直流系统在输电过程中体现出来的。我们说过电力系统还包括发电和用电等部分,在这些地方交流还是有着不可取代的优势。

  例如发电方面,现代电力系统常用的汽轮发电机,其装机容量一般在300MW-1000MW之间,输出电流可达上万安培,如果采用直流发电机,电刷上是无法承受如此大电流的。且一旦发生故障,如此高的直流电流也很难切断,但交流电则可以在电流过零时较轻松将之切断

  用电方面,交流电动机结构简单、成本低的优势仍然是直流电机无法取代的,尤其是在大功率电机方面。

  最后让我们再来回顾这一过程,最初直流电力系统的独领风骚,是因为交流电力设备的落后造成。一旦技术条件成熟,交流电便因长距离输电优势而取代了直流电力系统,而直流电则苦于无法升压而被淘汰。

  事实上,高压直流系统比高压交流系统在长距离输电上的成本更低,当今,随着电力电子技术的成熟,直流输电再次崛起,与交流输电共同构成了高效经济的电网系统。

  百年前,爱迪生和特斯拉为了不同的理念而争斗,百年间,两种电力系统相继崛起。今天,这一争斗早已画上句号,但并未以任意一方的胜利而告终。随着技术的发展,交流直流已经融为一体,共同为人类的电力事业服务,不知二位泉下有知,作何感想。

中国科学院科普云平台技术支持,中国科学院计算机网络信息中心运行
文章内容仅为作者观点,不代表中国科普博览网、中国科普博览网运行单位、中国科普博览网主办单位的任何观点或立场。
关闭