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高压直流输电与新能源建设

摘要

面对十分严苛的减排任务，和我国能源资源与负荷中心极不均衡的分布态势，以及能源需求的增长与常规发电能力有限这一矛盾，本文先后分析了我国能源分布的特点及新能源需求、高压直流输电的技术优势、“欧美中”三地区高压直流输电与新能源建设的规划和发展，提出了：

以高压直流输电为核心，建设能远距离、大容量、高可控性、强兼容性的输电网络，利用其消纳我国分散的新能源发电资源，并加强各大区网间的联系，优化发电资源配置的同时，提高系统稳定性。

此外，本文还就上述设想，综合考虑我国实际资源与负荷分布、已有电网构架、目前技术水平等方面，给出具体的未来直流输电网络拓扑结构，为我国未来电网的规划和建设提供参考。

关键词：

高压直流输电，新能源建设，智能电网

ABSTRACT

Inthefaceofaverystringentemissionreductiontask,andChina'senergyresourcesandloadcenterisextremelyunevendistributionsituation,aswellasthecontradictionbetweenthegrowthofenergydemandandthelimitedpowergenerationcapacity,thispaperhasanalyzedthecharacteristicsofChina'senergydistributionandnewenergydemand,technicalcharacteristicsofHVDCtransmissionsystem,andtheplanningwithdevelopmentofHVDCwithnewenergyconstructioninthreeregionsofEurope,America,andChina.Basedontheaboveandputforwardaplan:

takingthehighvoltageDCtransmissionasthecore,buildapowertransmissionnetwithlongdistance,largecapacity,highcontrollabilityandcompatibility.weusethisnettotakeChina'sscatterednewenergyresources,strengthenthelinksbetweenthemajorregionalnetwork,optimizetheallocationofpowergenerationresources,andimprovethestabilityofthesystem.Inaddition,toprovidereferencefortheplanningandconstructionofthefuturepowergridinChina,thispaperalsoontheaboveideas,considertheactualresourceandloaddistributioninourcountry,existinggridarchitecture,technicallevelatpresentandsoon,givingthespecifictopologyofthefutureDCtransmissionnetwork.

KEYWORDS:

HVDC,newenergyconstruction,smartgrid

目录

摘要……………………………………………………………………Ⅰ

ABSTRACT……………………………………………………………………Ⅱ

第1章前言…………………………………………………5

第2章我国能源分布特点及新能源需求…………………6

2.1我国能源的分布特点………………………………………6

2.2我国对新能源建设的需求…………………………………6

2.3新能源建设措施的设想……………………………………7

第3章高压直流输电的技术特点……………………………7

3.1高压直流输电概述……………………………………………7

3.2HVDC在新能源建设中的优势…………………………………8

3.3HVDC对新能源建设的意义……………………………………10

第4章欧、美、中HVDC与新能源建设的规划和发展…………10

第5章分析与建议………………………………………………………11

5.1分析结果………………………………………………………11

5.2我国高压直流输电与新能源建设的建议…………………11

5.3设想直流电网拓扑结构的意义………………………………13

第6章结论………………………………………………………14

参考文献……………………………………………………………………15

附录……………………………………………………………………16

致谢……………………………………………………………………18

第一章前言

随着社会和经济的发展，能源需求进一步增加，能源变得愈发珍贵，能源问题亦更加突出【1】，中国乃至世界均面临着能源结构的战略性调整【2】，新能源的利用能有效补充世界能源资源的不足。

此外，随着能源的供求矛盾突出，能源资源的优化配置和高效利用也变得愈加重要。

这些不但催生了发电技术的变革，促进新能源技术的发展，也影响了未来电网输配电技术的发展。

由于风能、太阳能等新能源发电的间歇性、随机性特点，以及电力系统的自身消纳能力的技术限制等问题，导致出现“弃风”、“弃光”等现象。

为了适应未来能源格局的深刻变化，需在电网侧加快新型汇集及送出技术的研发【3】。

世界各国各地区正积极规划建设能充分利用新能源电力的智能超级电网【4】，而高压直流输电（HVDC）可以充分利用各种能源资源的互补特性及现有的交直流输配电设备，实现广域大范围内能源资源的优化配置、大规模新能源电力的可靠接入、现有电力系统运行稳定性的提升，学生认为这些都使其在智能电网下的新能源建设中发挥重要作用。

本文以下：

就对我国能源分布特点及对新能源的需求进行分析，结合HVDC技术的特征及其电网的研究现状，对比分析欧、美、中三地区高压直流输电与新能源建设的规划与发展。

最后本文基于以上讨论，在考虑电网发展的各个阶段的同时，结合大规模新能源接入条件，给出了我国未来高压直流电网构建的建议，以期为新能源并网、大容量远距离输电、提高电力资源的优化配置能力提供参考。

第二章我国能源分布的特点及新能源需求

2.1我国能源分布的特点

我国能源资源与能源需求呈现逆向分布的显著特点。

煤炭、水能、石油、天然气等资源主要集中在西部地区，占据了80%以上的煤炭和水力资源。

而东部沿海的京、津、沪、粤等11个省市经济比较发达，且人口集中，能源消耗超过全国的75%【5】。

结合文献【6-8】给出我国主要能源资源分布图：

图1我国风能资源分布图2我国太阳能资源分布

图3我国天然气资源分布图4我国石油资源分布

2.2我国对新能源建设的需求

目前我国能源发展遇到了：

人均能源资源少,供需有差距、能耗强度高且效率低、结构不良,污染严重等问题【9】。

而在未来，随着我国经济的进一步发展，能源的需求将会越来越大，一次能源的供应会越来越少，且常规发电能力有限。

此外，为完成到2020年非化石能源占一次能源消费总量的15%左右，以及到2020年我国单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40-45%这两个目标，发展和建设风、光、地热等新能源就迫在眉睫。

2.3新能源建设措施的设想

结合前文学生认为：

针对我国对新能源需求巨大，而能源资源分布与负荷分布又极不对称这一问题，就电网建设而言，拥有长距离、大容量、高可控性、高兼容性输电能力的输电网络是值得着重实验和研究的。

第三章高压直流输电的技术特点

3.1高压直流输电概述

高压直流输电（high-voltagedirectcurrent，HVDC），是利用稳定的直流电具有无感抗，容抗也不起作用，无同步问题等优点而采用的大功率远距离直流输电。

是将三相交流电通过换流站整流变成直流电，然后通过直流输电线路送往另一个换流站逆变成三相交流电的输电方式【10】。

高压直流输电原理图如下：

图5HVDC原理图

（注：

换流器（整流或逆变）：

将交流电转换成直流电或将直流电转换成交流电的设备。

换流变压器：

向换流器提供适当等级的不接地三相电压源设备。

平波电抗器：

减小注入直流系统的谐波，减小换相失败的几率，防止轻载时直流电流间断，限制直流短路电流峰值。

滤波器：

减小注入交、直流系统谐波的设备。

无功补偿设备：

提供换流器所需要的无功功率，减小换流器与系统的无功交换。

）

3.2HVDC在新能源建设中的优势

此外，和交流输电相比，高压直流输电有着自己独特的优势，主要有【11-14】：

图6HVDC与交流电网损耗对比图

1）高压直流输电在长距离输电上损耗更低，所占用的输电走廊面积更小。

（符合电源分散化的要求，尤其针对我国新能源资源分布与负荷分布距离较远这一问题。

）

2）可实现长距离的电缆输电，而这在交流输电上是不可行的。

（学生认为这里应该是“几乎不可行”。

）

3）实现不同额定频率或相同额定频率交流系统之间的非同步互联，增加与之并列运行的交直流系统的稳定性。

4）高压直流输电易于快速控制，使系统稳定性增强。

（这也有利于电源形式多样化，便于提升更灵活有效的并网技术，把各种形式的发电电源纳入电网中。

）

5）对有功和无功功率进行控制。

尤其是柔性直流输电，可实现有功和无功功率大范围的精确控制，控制更加灵活。

（利于电能资源的合理分配，且抑制新能源电厂的电压波动，进而提高并网系统的暂态稳定性，大幅改善新能源并网性能。

）。

6）柔性直流输电无需换相电源，适用于各种电源和负荷的接入。

（这一点在独立分布式电源并网方面能起到很大的作用）

7）直流输电线路稳态运行时无电容电流，线路部分无需无功补偿。

8）相同输电能力，DC的投资要少。

图7DC与AC投资费用对比

以上红字注释部分，都是高压直流输电能在新能源建设方面发挥重要作用的优良特性，下面学生结合文献【1】，整理出电网的发展阶段，从而进一步说明高压直流输电，对于未来新能源电厂建设、新能源发电并网、新能源电力远距离输送等起到的重要作用。

学生整理给出电网发展阶段图如下：

图8电网发展阶段与新能源建设

3.3HVDC对新能源建设的意义

结合上图以及前文，学生认为：

高压直流输电与传统交流输电相比，在新能源建设方面有着独特的优势，且在电网发展的第二、三、四、五阶段，高压直流输电都发挥着重要作用。

故可以这样认为，在目前的能源形式下，HVDC构成的输电网络正是我国需要的拥有长距离、大容量、高可控性输电能力、适合新能源建设的输电网络，而高压直流输电也是解决目前我国新能源建设中所存在问题的有力措施。

第四章欧、美、中HVDC与新能源建设的规划和发展

下面，学生就结合文献【1】，对比整理欧洲、美国、中国三个地区的高压直流输电与新能源建设的规划与发展，如下表所示：

表欧、美、中HVDC与新能源建设的规划和发展对比表

地区

建设规划

意义

HVDC发挥的作用

欧洲

利用欧洲北部海域丰富的风能和潮汐能资源，将非洲北部撒哈拉地区和中东地区丰富的太阳能和风能送到欧洲。

加强欧盟各国电力网络的联系，促进电力市场竞争，提高电力资源的优化配置能力，而且将广泛应用风能、太阳能等各种新能源，有助于欧盟实现温室气体的减排目标。

实现高质量的新能源并网、大容量远距离输电、

把电力能源从相对偏僻的地区输送到人口众多的电力消费区等。

美国

把各地分散的发电设施和大规模光伏发电基地连接起来，同时利用高压直流输电把位于美国西南部阳光充足地区的大规模太阳能发电基地和其它地区连接起来。

加强互联，形成统一的智能电网，加强电能资源的配置能力，并且充分纳入可再生新能源发电技术，建设清洁能源，提高效率。

在强化各区域电网互联、远距离电力输送、电力资源优化配置和新能源纳入等方面发挥重要作用。

中国

西部、北部和东南沿海地区的风电资源；西部和北部的太阳能资源；西部、北部的煤炭资源；西南部水力资源与东部沿海的负荷连接起来。

缓解我国能源分布和电力消费呈逆向分布、各种发电能源分布不均等问题。

把各种电力能源有效纳入到统一电网中，提高电力资源的优化配置能力。

将把华中、华东和华北电网通过交、直流互联，形成统一的同步电网。

通过对比分析，学生总结出：

积极规划建设能充分利用新能源电力的智能超级电网，是各国电网发展的重要课题。

而高压直流输电因其可大容量、远距离传输，且操控性、兼容性好，使得其在各国未来电网规划中，都起到如下重要作用：

a.加强区域网互联；

b.实现各地新能源并网；

c.实现大规模远距离输电，优化电力资源配置。

故学生认为，参考其他国家智能电网规划中高压直流输电与新能源建设的实践经验与实施技术，综合考虑我国：

实际资源与负荷分布、已有电网构架、目前技术水平等方面，将为我国智能电网建设规划打下较为坚实的基础。

第五章分析与建议

5.1分析结果

总结前文，给出分析结果如下：

1）面对国际环保义务和国内能源形势，我国能源结构急需优化，新能源的建设与发展迫在眉睫。

2）我国能源资源与电力负荷呈逆向分布，需要拥有大容量、远距离输送能力且可控性、兼容性好的输电技术来缓解这一问题。

3）高压直流输电因其固有的技术特点及在新能源建设中的优势，是解决上述问题的重要措施，将在未来电网发展的各阶段发挥其作用。

4）参考欧、美智能电网中，高压直流输电和新能源建设的规划、实验数据资料、实践经验，综合考虑我国国情，对于我国未来电网规划具有重要意义。

5.2我国高压直流输电与新能源建设的建议

结合我国国情及直流电网技术的应用前景，学生参考文献【3】给出一种未来我国电网发展的愿景：

利用VSC-HVDC（voltagesourcedconverterhighvoltagedirectcurrent）输电技术将西南地区丰富的水能、三北地区丰富的太阳能和风能、东部沿海地区丰富的风能汇集并连接成多个区域直流电网，减小新能源发电的间歇性及不稳定性。

利用LCC-HVDC（ line-commutatedconverterhighvoltagedirectcurrent）输电技术及DC/DC直流电压变换技术将区域直流电网输出的大规模电力送往中东部负荷中心区域，实现全国范围内的资源优化配置。

将各大区电网通过特高压交直流输电线路互联，从而形成覆盖全国的交直流输电骨干网架，如下图所示：

图9我国未来电网的愿景

为实现上述愿景，进一步给出一种考虑大规模新能源接入的高压直流电网拓扑结构如图10所示：

图10直流电网的拓扑结构图

上述电网具有如下特点：

1）含有多个直流电压等级；（对应一定的输送功率和输送距离应有最合理的线路电压。

）

2）集成了VSC-HVDC和LCC-HVDC两种直流输电方式；（综合两种技术方式的优点。

）

3）具有网络化（即“网孔”）结构，冗余度高，系统可靠性高；（这是其拓扑结构特点所造成的，即“网孔结构”使得电网间节点与节点之间关系更为紧密，联系更多。

）

4）含有对称单极和双极2种直流系统结构（运行方式丰富、控制手段灵活）；

5）大大加强了互联交流系统的运行稳定性。

5．3设想直流电网拓扑结构的意义

由此可见，该设想直流电网充分利用了LCC-HVDC和VSC-HVDC各自的优点，并利用DC/DC电压变换器，实现大规模陆上和海上新能源发电基地的可靠接入，最大限度的大范围消纳新能源电力、减小波动功率注入对电网的影响；同时可以充分地利用现有交直流输配电设备，实现交直流电网（注：

是不同类型和不同电压等级的）之间的连接和故障隔离，为我国未来电网的研究和规划提供参考。

第六章结论

本文对我国能源结构、HVDC技术特征、“欧美中”三地区HVDC与新能源建设规划发展情况进行了综合分析，得出：

为了应对国际环保任务和国内严峻的能源形式，研究发展HVDC与新能源建设是刻不容缓的。

针对主要矛盾，本文结合文献给出了我国HVDC与新能源建设的发展愿景和拓扑结构：

即通过高压直流输电，在加强各大电网间联系的同时，把各地分散的新能源发电资源与我国重要负荷相连。

此外，提出的直流电网拓扑结构，因其结构的特性以及直流输电的优良性能，能在提高运行方式的丰富性、操作的可控性、系统的稳定性方面发挥重要作用，为我国未来电网规划与建设提供参考。

参考文献

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1-6页.

[2]周孝信，陈树勇，鲁宗相．电网与电网技术的发展与展望—试论三代电网[J]．中国电机工程学报，2013，33（22）：

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[3]姚良忠,吴婧,王志冰,李琰,鲁宗相.未来高压直流电网发展形态分析[J].中国电机工程学报,2014,34:

6007-6020页.

[4]ChaunceyStarr．Nationalenergyplanningforthecentury：

TheContinentalSuperGrid[J]．Nuclearnews，2002，45

（2）：

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[5]汤广福,庞辉,贺之渊.先进交直流输电技术在中国的发展与应用[J].中国电机工程学报,2016,07:

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[6]“世界及中国风能资源分布”[Online]Available:

[7]“中国各省份太阳能资源分布图”[Online]Available:

[8]“中国石油天然气资源状况及未来供求形势析”[Online]Available:

[9]周志强.中国能源现状、发展趋势及对策[J].能源与环境,2008,06:

9-10页.

[10]严同.高压直流输电系统[A].电力系统设计随笔,2015.

[11]RyanHughM．Highvoltageengineeringandtesting（2ndedition）[M]．London：

TheInstitutionofElectricalEngineers，2001．

[12]ArrillagaJos．Highvoltagedirectcurrenttransmission（2ndedition）[M]．London：

TheInstitutionofElectricalEngineers，1998．

[13]赵畹君．高压直流输电工程技术[M]．北京：

中国电力出版社，2004．

[14]“WHYHVDC”[Online]Available:

附录

1.译名对照

HVDC（highvoltagedirectcurrent）

高压直流输电

VSC-HVDC（voltagesourcedconverterhighvoltagedirectcurrent）

基于电压源换流器的高压直流

LCC-HVDC（ line-commutatedconverterhighvoltagedirectcurrent）

基于电网换相换流器的高压直流

（SuperGrid）

超级电网

DC/DC

直流电压变换技术

2.数据图表

表中国风能资源较丰富的省区

省区

风能资源（10,000kW）

省区

风能资源（10,000kW）

内蒙古

6178

山东

394

新疆

3433

江西

293

黑龙江

1723

江苏

238

甘肃

1143

广东

195

吉林

638

浙江

164

河北

612

福建

137

辽宁

606

海南

64

图1我国石油资源储量状况

图2我国天热气资源储量状况

致谢

两年前，学生有幸转专业至电气1309班，师从我校柔性直流输电研究所文俊教授。

在短短两年的时间里，学生从文老师那除了学习到了广阔的专业基础知识外，更多的是扎实严谨的学术作风以及对社会生活的无限热爱。

在这里，我要感谢我的恩师文俊教授，在学生学习“电力电子技术”及“直流输电技术”课程时，不厌其烦地为学生答疑解惑。

在学生生活遇到迷茫和困惑时给予学生鼓励、关怀、以及指导。

学生还要感谢我校输配电系统研究所刘其辉教授，在新能源发电、我国新能源建设、以及新能源数据资料查找方面为学生提供的解读和帮助。

感谢那些被我引用的论文的作者，是你们奠定了重要的研究基础。

直流输电课程到此就结束了，可学生对直流输电相关的理论学习还远没有结束，在这之后，我将继续保持高度的学习热情，不辜负大家的期望！

最后，再次感谢我的恩师文俊教授和所有支持、帮助、关心我的老师和同学，谢谢大家！

2016年6月10日星期五

涌新于北京华电第五教学楼