供電系統(tǒng)中交流與直流傳輸方式的利弊分析.doc

上海交通大學電子信息與電氣工程學院供電系統(tǒng)中交流與直流傳輸方式的利弊分析F0403012 孫逸翔 5040309349 授課教師 張峰摘要：交流高壓輸電和直流高壓輸電是現(xiàn)今兩種較為成熟的遠距離輸電模式。前者已經(jīng)有了很長的發(fā)展歷史，技術(shù)相對成熟，在人們的日常生活中得到廣泛應(yīng)用；后者自五十年代起，開始被人們重視，在海底電纜等情況下相較交流輸電有著無可替代的優(yōu)勢。本文針對兩種輸電方式的原理和利弊做出一定的分析和討論，并結(jié)合國家重大工程運用現(xiàn)有的基電知識進行大致的了解和研究。并在最后對二者的發(fā)展前途進行了科學的展望。關(guān)鍵詞：高壓直流，高壓交流，有功功率，無功功率，變壓器，耦合，整流，濾波，換流，三峽水利樞紐概述編寫說明編寫目的：通過對于交流和直流供電系統(tǒng)的簡要分析，掌握交流和直流輸電的相關(guān)初步知識，同時和書本學習的內(nèi)容相結(jié)合，鞏固書本知識。并且聯(lián)系實際（三峽水電站等），關(guān)注國家重要工程。適應(yīng)對象：電院二年級擁有基電知識的同學。定義變壓器：利用電磁感應(yīng)的原理來改變交流電壓大小的電路元件。在電氣設(shè)備和無線電路中常用來升降電壓匹配阻抗等。整流器：利用電子管或晶體管把交流電變成單方向流動的電流的電路元件。濾波器：由線圈和電容器組成，用以把不同頻率的電磁振蕩分離開，只讓所需要的頻率通過的電路元件。換流站：采用半控型的晶閘管器件，利用相控進行交直和直交兩種變換的電力系統(tǒng)。緒言從80年代中期開始，著名的發(fā)明家愛迪生就開始致力于將各種關(guān)于電力的設(shè)想化為現(xiàn)實的研究工作中，并取得了豐碩的成果。但愛迪生一直都傾向于采用直流電來處理和考慮問題，以至于在愛氏1887年年滿40之際有人提出用交流電取代直流電的設(shè)想的時候，他非但嗤之以鼻，還在以后的長久日子中引發(fā)了關(guān)于到底應(yīng)該采取直流還是交流的激烈爭論。從當時的情況看來，如果采用直流電輸送電力，由于功率在傳導電線的內(nèi)阻中迅速損耗，以至于發(fā)電廠輸送電力的距離最遠不超過一英里。如果這種狀況繼續(xù)下去，那么除了大城市外，別的地方也許就得不到電力。此外，采用直流電輸送的電力得把電壓局限在250伏之內(nèi)，如果超過這一標準就會燒毀燈絲，或危及用戶的安全。于是另一種想法應(yīng)運而生：能不能將電壓提高，以利于遠距離輸電，然后在輸入用戶或工廠之前，再將電壓降下來。為了能夠解決這個升壓和降壓的問題，人們很自然地想到了采用交流電，因為這樣才可以用變壓器來達到升降壓的目的。而實際的各種嘗試也的確證明了這種想法的可行性。所以后來出生在奧匈帝國克羅地亞的尼古拉蒂斯拉的技術(shù)原理在喬治威斯汀豪斯的支持下，終于將交流電引向?qū)嶋H應(yīng)用。而此時，固執(zhí)的愛迪生的直流電傳輸理論終于逐漸失去了主導地位，在而后的百年的時間里逐漸被人遺忘。但是，直流電傳輸方式是不是真的就沒有任何可取之處呢？答案顯然是否定的?，F(xiàn)在已經(jīng)部分投產(chǎn)的我國三峽水電站的輸電模式中，就有2965公里的直流輸電線路。為什么三峽工程沒有采取已經(jīng)被經(jīng)驗和時間證實了的輸電方式而選取了看似已經(jīng)被人拋棄的方法呢？其中自然必然有一定的道理，我們此次便會去一探究竟。最后對這兩種經(jīng)典輸電方式作一番比較。交流電輸電系統(tǒng)特性當初歷史選擇了交流電，是有其必然原因的。實踐證明，交流電具備很多優(yōu)點。交流電動機結(jié)構(gòu)比較簡單，重量較輕，而且供電穩(wěn)定，還可以調(diào)離或調(diào)低，能夠?qū)嵭羞h距離送電。我們可以作如下比較。由法拉第電磁定律U=BLv作為理論基礎(chǔ)，現(xiàn)今發(fā)電機的發(fā)電電壓一般在幾千瓦至十幾千瓦之間，而在當時的直流發(fā)電電壓不過幾百伏特。由于功率P=UI,在電壓無法升高的情況下，為滿足公眾需求而愈增愈高的功率必然使電流不斷增大。由，線路的功率損失必然愈為增大。于是人們設(shè)想：能不能將電壓提高，以利于遠距離輸電，然后在輸入用戶或工廠之直流發(fā)電機模型 前，再將電壓降下來。如果用直流電，這一點就無法實現(xiàn)。但是用交流電，它就可以沿一個方向前進，達到高峰時就調(diào)轉(zhuǎn)方向，再達到高峰時，又調(diào)轉(zhuǎn)方向，每秒鐘調(diào)換多次方向，就為改變電壓提供了條件。1888年，蒂斯拉成功地建成了一個交流電電力傳送系統(tǒng)。他設(shè)計的發(fā)電機比直流發(fā)電機簡單、靈便，而他的變壓器又解決了長途送電中的固有問題。利用變壓器，可將輸入線路的電壓提高，在送入家庭用戶或工廠之前，再把電壓降下來。交流電實現(xiàn)電流遠距離輸送的關(guān)鍵在于利用變壓器。在送到輸電系統(tǒng)前，利用電廠內(nèi)的升壓變壓器將電壓升高為輸電線路電壓（一般為數(shù)百千伏）。當輸電線路到達負載中心（都市或工業(yè)區(qū)等）附近，設(shè)置超高壓或一次變電所將電壓降為161KV或69KV，再輸送到位于負載中心的配電變電所或二次變電所，把電壓降為配電電壓11.4KV或22.8KV再送到配電線路。理想變壓器及三相組式變壓器的模型如下圖。第3頁由理想變壓器的定義式（1）（2）若變壓器的初級匝數(shù)為N1，次級匝數(shù)為N2，則匝比（3）由上述三式可以得出理想變壓器的VCR為：至此我們可以知道：；即初級與次級線圈的輸入功率的總和為零。理想變壓器不會消耗功率，而若n取值足夠大，十幾千伏特的u1必然可以升至幾百千伏特。由公式 PUI升高電壓后I值減小，隨之傳輸線路功率損失因之下降。遠距離輸電成為可能。至負載中心之后，仍然利用一理想變壓器將電壓重新將下來，以適用于生活用電。在動力系統(tǒng)方面，交流發(fā)電機和交流電動機也隨這種電路傳輸系統(tǒng)而相應(yīng)地出現(xiàn)且隨時代進步而不斷得到改進。交流供電系統(tǒng)也就一步步發(fā)展到今天一統(tǒng)天下，趨近完善的境界。下面兩圖即給出三項電系統(tǒng)中的發(fā)電機與電動機基本構(gòu)造模型。 三相交流發(fā)電機模型 三相交流電動機模型第4頁直流電輸電系統(tǒng)特性否定之否定。當初愛迪生與威斯汀豪斯的“電流之戰(zhàn)”雖以交流供電的勝出而結(jié)束。但隨著技術(shù)的進步，作為解決高電壓、大容量、長距離送電和異步聯(lián)網(wǎng)重要手段的直流輸電技術(shù)正越來越受到廣泛的應(yīng)用。20世紀50年代后，電力需求日益增長，遠距離大容量輸電線路不斷增加，電網(wǎng)擴大，交流輸電受到同步運行穩(wěn)定性的限制，在一定條件下的技術(shù)經(jīng)濟比較結(jié)果表明，采用直流輸電更為合理，且比交流輸電有較好的經(jīng)濟效益和優(yōu)越的運行特性，因而直流輸電重新被人們所重視。1950年蘇聯(lián)建成一條長43km、電壓200kV、輸送功率為3萬kW的直流試驗線路。到60年代，海底電纜的輸電工程幾乎都采用直流輸電，直流輸電方式在跨越寬闊海峽的特殊自然條件下，優(yōu)點更為突出。80年代，可控硅換流器在大型直流輸電工程中嶄露頭角，巴西的伊泰普直流輸電工程，使直流輸電壓達到600kV，輸電功率達到6 300MW，輸送距離806km，發(fā)展之迅速可見一斑。我國高壓直流輸電雖起步較晚，1977年建成第一條31kV直流輸電工業(yè)性試驗電纜線路。三峽至常州500kV超高壓直流輸變電路也已于今年建成。直流輸電的再次興起并迅速發(fā)展，說明它在輸電技術(shù)領(lǐng)域中確有交流輸電不可替代的優(yōu)勢。我們通過查找資料，認為直流方式尤其在下述情況下應(yīng)用更具優(yōu)勢：（1）遠距離大功率輸電。直流輸電不受同步運行穩(wěn)定性問題的制約，對保證兩端交流電網(wǎng)的穩(wěn)定運行起了很大作用。（2）海底電纜送電是直流輸電的主要用途之一。輸送相同的功率，直流電纜不僅費用比交流省，而且由于交流電纜存在較大的電容電流，海底電纜長度超過40km時，采用直流輸電無論是經(jīng)濟上還是技術(shù)上都較為合理。（3）利用直流輸電可實現(xiàn)國內(nèi)區(qū)網(wǎng)或國際間的非同步互聯(lián)，把大系統(tǒng)分割為幾個既可獲得聯(lián)網(wǎng)效益，又可相對獨立的交流系統(tǒng)，避免了總?cè)萘窟^大的交流電力系統(tǒng)所帶來的問題。（4）交流電力系統(tǒng)互聯(lián)或配電網(wǎng)增容時，直流輸電可以作為限制短路電流的措施。這是由于它的控制系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)快、控制性能好的特點，可以有效地限制短路電流，使其基本保持穩(wěn)定。（5）向用電密集的大城市供電，在供電距離達到一定程度時，用高壓直流電纜更為經(jīng)濟，同時直流輸電方式還可以作為限制城市供電電網(wǎng)短路電流增大的措施。我們認為：首先最為關(guān)鍵的，是在許多特定場合下直流輸電方式可以減少功率損失。一、 直流輸電無電磁波形式功率損失根據(jù)麥克斯韋方程組：穩(wěn)恒電流不產(chǎn)生電磁波，而變化的交流電則會產(chǎn)生波動的E、H矢量。由坡印廷矢量定義SEH其中I即為電磁波的強度。由此可見，當使用超高壓交流傳輸電流時，由于其dI/dt變大，勢必造成更多能量以電磁波的形式損失，而使用直流輸變則無此問題。二、 直流輸電無動感元件無功功率損失在高壓交流電線在空氣中架設(shè)時，線路與大地構(gòu)成一電容。但由于由空氣作為介質(zhì)的此電容較小，因而對電路傳輸影響不大。但在埋地電纜、海底電纜送電等形式中，由于線路與環(huán)境形成動態(tài)元件模型而產(chǎn)生的功率損失就較為可觀了。線路與大地、海水等直接構(gòu)成電容值較大的電容。根據(jù)阻抗公式海水及大地中此阻抗Z值可達較小，相當于構(gòu)成一條支路，造成功率損失。而在直流模型下則無此影響，提高了有功功率的傳輸效率。如同交流輸電中需采用變壓器一樣，直流輸電方式需要以換流站和整流器作為向日常用電轉(zhuǎn)換的必需，來實現(xiàn)整流和濾波。下面我們粗略作一些探討：整流電路的作用是把交流電轉(zhuǎn)換成直流電，嚴格地講是單方向大脈動直流電，而濾波電路的作用是把大脈動直流電處理成平滑的脈動小的直流電。整流原理：利用二極管的單向?qū)щ娦詫崿F(xiàn)整流。以全波橋式整流為例，其電路和相應(yīng)的波形如下圖所示。若輸入交流電為橋式整流電路波形圖則經(jīng)橋式整流后的輸出電壓為（一個周期） (9)其相應(yīng)直流平均值為 (10)由此可見，橋式整流后的直流電壓脈動大大減少，平均電壓比半波整流提高了一倍（忽略整流內(nèi)阻時）。 濾波電路： 經(jīng)過整流后的電壓（電流）仍然是有“脈動”的直流電，為了減少波動，通常要加濾波器，常用的濾波電路有電容、電感濾波等。現(xiàn)討論最簡單的濾波電路。電容濾波器是利用電容充電和放電來使脈動的直流電變成平穩(wěn)的直流電。下圖所示為電容濾波器在帶負載電阻后的工作情況。 由電容兩端的電壓不能突變的特點，達到輸出波形趨于平滑的目的。經(jīng)濾波后輸出的波形如下圖所示。依據(jù)已做分析，在參閱資料后我們得出如下結(jié)論：在進行遠距離高電壓輸電時，直流輸電方式有著諸多優(yōu)點。三峽水利樞紐俯瞰圖（1）直流輸電不存在兩端交流系統(tǒng)之間同步運行的穩(wěn)定性問題，其輸送能量與距離不受同步運行穩(wěn)定性的限制；（2）用直流輸電聯(lián)網(wǎng)，便于分區(qū)調(diào)度管理，有利于在故障時交流系統(tǒng)間的快速緊急支援和限制事故擴大；（3）直流輸電控制系統(tǒng)響應(yīng)快速、調(diào)節(jié)精確、操作方便、能實現(xiàn)多目標控制；（4）直流輸電線路沿線電壓分布平穩(wěn)，沒有電容電流，不需并聯(lián)電抗補償；（5）兩端直流輸電便于分級分期建設(shè)及增容擴建，有利于及早發(fā)揮效益。三峽常州直流輸變換流站故現(xiàn)今遠距離直流輸電方式已得到廣泛應(yīng)用。我國在長距離輸電的國家電網(wǎng)構(gòu)建中，也已大膽并成功地使用了這種技術(shù)。右圖為舉世矚目的三峽工程，它的多條輸電線路即將采用直流輸電方式。電站向華中及川東輸電距離在以內(nèi)，采用交流輸電較為經(jīng)濟，向華東送電采用直流和交流混合方式是可行的。采用線路交流輸電能力可代替回交流輸電線路，減少鐵塔用材，節(jié)約導線，節(jié)省造價，線路損耗減少。直流、交流輸電方式的綜合評價與前景展望直流輸電的發(fā)展歷史到現(xiàn)在有百余年，在輸電技術(shù)發(fā)展初期曾發(fā)揮作用，但到了20世紀初，由于直流電機串接運行復(fù)雜，而高電壓大容量直流電機存在換向困難等技術(shù)問題，使直流輸電在技術(shù)和經(jīng)濟上都不能與交流輸電相競爭，因此進展緩慢。我們今天的日常生活用電網(wǎng)絡(luò)，大多為三相交流供電方式，它擁有短距離內(nèi)輸電便捷、可升降壓、適用性廣等諸多優(yōu)勢。它在我們生活中的主導地位，在短時間內(nèi)，也因而是難以動搖的。當今，隨著遠距離交流供電的弊端逐步凸現(xiàn)，直流輸電方式在此受到人們的青睞，雖然直流輸電較交流輸電相比存在一些缺點，如：換流器在工作時需要消耗較多的無功功率；可控硅元件的過載能量較低；直流輸電在以大地或海水作回流電路時，對沿途地面地下或海水中的金屬設(shè)施造成腐蝕，同時還會對通信和航海帶來干擾。然暇不掩瑜，在遠距離傳輸高壓電流方面，直流輸電已成為先進技術(shù)的發(fā)展方向。現(xiàn)已有不少國家試制成功直流斷路器和負荷開關(guān)，并正在研究利用這些開關(guān)設(shè)備與直流輸電的控制技術(shù)相結(jié)合，以實現(xiàn)多端直流輸電。當前對高溫超導的研究也正方興未艾，它在強電方面應(yīng)用的可能性也與日俱增。超導用于直流輸電要比用于交流輸電更為有利，可以期待在不遠的將來，超導將使電能的傳輸發(fā)生劃時代的變革，并進一步推進直流輸電的發(fā)展。最后，我們羅列直流供電與交流供電的利弊，以作綜合比較。（1）流輸電一般采用雙極中性點接地方式，直流線路僅需兩根導線，三相交流線路則需三根導線，但兩者輸送的功率幾乎相等，因此可減輕桿塔的荷重，減少線路走廊的寬度和占地面積。在輸送相同功率和距離的條件下，直流架空線路的投資一般為交流架空線路投資的三分之二。（2）直流電纜線路的投資少。相同的電纜絕緣用于直流時其允許工作電壓比用于交流時高兩倍，所以在電壓相同時，直流電纜的造價遠低于交流電纜。（3）換流站比變電站投資大。換流站的設(shè)備比交流變電站復(fù)雜，它除了必須有換流變壓器外，還要有目前價格比較昂貴的可控硅換流器，以及換流器的其它附屬設(shè)備，因此換流站的投資高于同等容量和相應(yīng)電壓的交流變電站。（4）在相同的可比條件下，當輸電線路長度大于等價距離時，采用直流輸電所需的建設(shè)費用比交流輸電省。（5）直流輸電運行費用較省。根據(jù)國外的運行經(jīng)驗，線路和站內(nèi)設(shè)備的年折舊維護費用占工程建設(shè)費用的百分數(shù)，交流與直流大體相近。但直流輸電電能損耗在導線截面相同、輸送有功功率相等的條件下，是