浅析直流电网的发展方向

浅析直流电网的发展方向

李伟

(中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司新疆乌鲁木齐830001)

摘要：100多年前，特斯拉在与爱迪生争论交流电和直流电优劣上一举定乾坤，确定了今天全世界主流电网及主流电力设施都采用的都是正弦交流电。交流电到底有什么好处呢？让我们看看当年交流电怎样战胜了直流电的。

关键词：直流电网；未来发展；发展方向

1电网频率的由来：

全世界有50Hz和60Hz两种交流电网频率，这个标准制定在100多年前并逐步发展到现在。那时发电主要机械原动力是往复式蒸汽机，这类热机结构无论如何多样，都有一个共同的特点-含往复运动的活塞。这对于低速运动的设备说，效率很高。包括后来的内燃机在内，要进一步提高转速非常困难。活塞往复运动的巨大机械和气体惯性使得速度越高热机效率越低，活塞反而成了提高工作效率的负担。带有往复式活塞热机最佳工作转速是3000-3600r/m，电网频率就这样被确定下来。几十年后以旋转叶片为热能-机械能转换的汽轮机发明后，热机的工作方式产生了质的飞越。汽轮机的叶片始终以单一方向旋转，不含往复运动部件，最高转速甚至能够超过20000r/m，这是活塞式热机望尘莫及的。汽轮机工作效率很高，世界主流发电机的机械原动力都采用了旋转式的汽轮机。但汽轮机在低转速下工作是很不经济的，即使是3600r/m这样的转速对汽轮机来说也显得有些低了。50-60Hz交流电这个标准在100年前的制造水平来看是合理的，但今天看来这个标准有些低了，100多年来全世界已经形成了成套的运行制造体系，要想纠正非常困难。因此，在没有重大技术变革的情况下，任何国家都难以承受巨大的变革成本，无法对现有庞大的电网体系进行技术升级。但对于独立的或半独立的发电系统来说，不需要改变公共电力系统的网架，还是有条件采用更高转速汽轮机的。如飞机为了减轻重量，发电机工作频率是比地面上的工频发电机要高得多的400Hz。

2交流电、直流电的优缺点概述

正弦波交流电两个最大的优点是：(1)电压变换方便且不走样；(2)能够形成旋转磁场。为了保持交流电的这两个特点，电网配备了大量的电容补偿、电抗补偿、滤波、同期等辅助设施来维持交流电能的输送和变换。当电压等级低，输送距离短，输送功率低时交流电的优势还是比较明显的。

直流电的缺点主要有：(1)电压变化困难且效率低下；(2)不能直接形成旋转磁场，直流电机结构复杂；(3)直流没有过零点，开关设备灭弧结构复杂；直流电的优点有：(1)电网结构简单，取用方便；(2)没有相位概念，无需补偿；(3)功率输送容量巨大，效率高；(4)发电机并网方便，不受频率和谐波干扰；(5)对电流突变敏感，不传送短路电流。

我们看出当年直流电的缺点几乎就是交流电的优点，直流电的优点一点也不突出。在电力电子器件不发达的年代，直流电带来的技术问题大到几乎无法逾越的地步，人们没有理由不选择交流电作为电网输送方式。

3直流电网的拓扑

目前直流电与现有交流电网衔接的逆变技术使得直流电网还不能称之为网，只能称之为两点一线。直流电成熟的应用只是大电网点对点的长距离输电模式，真正的直流电网如何伸展还在研究中。目前正在运行的直流换流站，仍然是升压后的交流电整流平波方式接入直流输电线路两端换流站一种技术方案。换流站正向运作方式是交流整流，逆向运行方式是晶闸管逆变。晶闸管逆变时更像一个可控电流源，他要求受端电网有一定的功率调节能力，以便全部吸收直流功率。调整首端的输送功率必需调整首端主力电厂的出力，长达上千公里的直流输电线路具有的巨大电磁惯性让电流大小调节非常困难，使得直流输送功率调整的过程非常缓慢。

4发展现状

随着时代的发展，两项已经成熟的重要科技进步已经为电力建设带来质的飞越，并在悄无声息中改变着我们的生活：(1)电力电子半导体器件性能有了极大的提高，大功率的IGBT、场效应晶体管控制的斩波电路使得直流电压变换变得相对容易；(2)稀土永磁材料性能的提高，可以做到比早期Fe3O4黑磁铁强百倍的永磁体，直流发电机和电动机的体积成倍缩小，结构得到简化；两项不太成熟的科技进步：(1)大规模储能技术正在快速的研发中，预计50年内可以取得质的突破；(2)核聚变及核电池技术尚在实验室内孵化中，可能需要100年的时间才能取得突破。届时新的科技对电网的结构、电动汽车等将会产生深远的影响。

5直流电网首端并网技术的应用

经过倍频变压器的升压后的交流电压已经足够高了，经过整流后就可以和直流并网了。直流电网首端目前只是经过整流和逆变支路和高压升压变压器进行了连接。对于发电厂还可以采用类似于交流并网的母线结构方式或T接方式。直流并网发电厂如果只考虑电能上网，支路只需要设置最为简单的整流和平波支路，可以不必设置特别复杂的晶闸管逆变支路。整流支路推荐安装在发电厂侧，而不是安装在换流站侧。因倍频交流电频率的已经足够的高，平波电抗器可以很小。独立的大型直流并网发电厂不占用交流变压器的容量，不反馈短路电流，不需要同期，不会给系统带来不稳定因素。

6交流电到直流电的转变

6.1工频变压器体积庞大，重量大，造价高。以普通的手机充电器为例，早期的都是笨重的工频变压器降压，今天几乎为轻巧的高频变压器所替代，开关管集调压与变换于一体，使充电器重量和体积减少了五分之四。如果工业领域采用高频变压器，现有的工频变压器体积和重量至少能减少至三分之二。

6.2由于交流电整流变为直流电及其简单，但直流变交流却较为复杂，如果直接采用直流供电，将给用户现有的设备带来巨大的转换成本。现有的设备都是以交流供电作为设计思路，采用直流后，很多设备不能直接使用，改造费用巨大，甚至不能为社会所承受。若要改变非要有重大措施或变革作为前提条件，如高科技新城市的建设。

6.3在今天交流和直流电压变换均已经解决的时代，交流电最大的问题是频率固定，很难为客户所选择，若要变频必需先整流成为直流电后再变频逆变。我们常见的旋转电动机只能是2极~3000r/m、4极~1500r/m、6极~1000r/m、8极~750r/m，我们只能从中间选择。从节能的角度来说，即使我们认为最不需要变频的鼓风机也是需要变频的。

6.4直接采用直流供电可以极大的简化主电网结构，尤其在发电、输变电领域有着交流不可替代的优势。如果现有直流电网不必再逆变回工频交流电网，结构将大为简化。

7直流并网交流发电衍生的问题

7.1电容和电感性元件

对于传统的发电厂可能存在利用耦合电容器和阻波器进行通讯和保护通道的建立。以400Hz为代表的倍频交流电很容易和几百kHz的载波频率分开，但阻波器和耦合电容器对倍频交流电会呈现不同的阻抗。实际中高频保护和通讯已经基本淡出主流配置，代之以光纤通讯和保护。电容式电压互感器和绕组式电压互感器均可以按照400Hz的工况进行小型化设计，电流互感器铁芯也可以小得多。

7.2厂用电源

7.2.1永磁变频发电机体系虽然解决了主体问题，但局部细节并不是很完善，其中影响最大的是厂用电。因为调整负荷会使得发电机发出的电压和频率发生变化，厂用电不能直接接到发电机母线上，使得这种类型的发电厂厂用电趋于复杂，需要有一定的技术措施。厂用电负荷分为几种类型，包括电动机负荷、照明负荷、电热负荷等几种类型：

(1)电热负荷。电热负荷对电压变化耐受能力比较强，在额定的电压变化范围内均能够正常的工作。对于调压的电热器具，需要配置专用的倍频晶闸管调压器，以满足频率和电压变化的要求。

(2)电动机负荷。电动机负荷时厂用电中容量最大数量最多的负荷，由于频率和电压的变化无法直接使用。现代电厂已经有大量的变频调速器应用于调速和软启动过程，变频器对输入频率的变化没有要求，对电压的变化适应力强，完全可以适应各种类型的电动机负荷。

(3)直流负荷。对于需要调压的直流负荷，也可以采用晶闸管调压方式或直接整流方式。由于频率增加，滤波电容器或平波电抗器的容量可以选的比较小。

(4)照明负荷。电压变化幅度在额定范围时，以电源整流工作的节能灯对频率没有要求，以电热发光的白炽灯对频率也没有要求。以电感型镇流器为启动限流措施的日光灯因为电感对倍频电源较为敏感，无法直接使用，可以采用专门定制的镇流器或全部改为节能灯。

7.2.2为了解决厂用电的问题，可以采用以下三种方案：

(1)大型发电厂自备一台小容量工频50Hz发电机组作为厂用电负荷，同时外引一条备用电源线路。厂用电继续采用传统的50Hz工频频率，以避免发电厂需要采用大量的非标设备。

(2)完全从外部引接50Hz工频电源，双电源供电，不设单独的厂用汽轮发电机组。

(3)设置发电机母线，直接采用可变电压和频率的电源。大容量长期工作制的电动机负荷采用变频调速工作方式，小型间歇工作的电机也可以采用串励方式。照明回路均采用具有交流整流工作方式的节能灯。电热和直流回路采用倍频晶闸管调压方式。其余少量的特殊用电设备根据具体情况具体处理。

从整个体系来看，这种类型的发电厂仍然采用了大量的非标设备，主要设备均需要重新研发和设计，要建设这种类型的发电厂不是几个设备生产产能够完成的。需要联合汽轮机厂、发电机厂、变压器厂、电网科学技术研究院等多部门共同攻关方能解决。回到100年前那个重要决定的思路，今天发电机组不再以50Hz作为设计依据而改为汽轮机效率最高转速范围作为设计标准，这决定了其他配套设施的设计依据。当汽轮机工作转速确定后，发电机、变压器、并网设备等均以此作为主要参数进行设计。

7.3无线电干扰

由于工作频率提高，电磁干扰的值会有一定的升高。鉴于400Hz左右的倍频交流电的波长达到了750km，距离容易产生辐射的电磁波段仍然非常远，比电力线载波频率还是低得多，电磁干扰现象多位于设备附近，并随着距离增加而呈级数下降。大容量变压器基本采用了带有钢制外壳的防护方式，泄露出的电磁场很小。由于400Hz电源只用于发电机至变压器组间或发电厂内部，容易采取防护措施，且不向公众配电，不会对公众和运行人员造成任何影响。

7.4电缆和母线的集肤效应

倍频交流电会有一定的集肤效应，使得导线的载流量变小。通过采用多根导线连接的方式很容易解决这个问题。由于400Hz交流电不通过长距离输送，设备间的感抗、容抗问题并不明显。

8永磁变频交流发电机直流并网系统

以发电为主的电厂功能单一，由于电能输送是单向的，不需要考虑逆功率运行，即使发电机从电网脱离和发电机侧故障时，二极管会阻挡电网电能向发电机侧反馈，最大短路电流就是最大工作电流。中低频率的交流电整流后采用平波电抗器滤波时，平波电抗器的电抗值可以取得很小，带来的时滞效应也短的多，整流后更接近电压源，有利于发电厂快速调整出力。

可变速的汽轮机经济输出功率区间要比固定转速的发电机大得多。当发出的电压低于并网电压时，即使发电机在旋转也不会向电网输送电能，只有发电机发出的电压升压整流后高于直流系统电压时才会向直流电网输送电力。转换过程自动而迅速，不需要并网同期操作，不需要动作断路器，大大延长了高压直流断路器的使用寿命。如能采用低压直流向用户送电的方式，则连升压变压器都可以取消了。本研究课题最初希望是采用直流升压方案，但因无法解决大容量IBGT开关难题，遂推荐采用传统的倍频变压器进行升压。整个系统的整合过程均采用了现有成熟的技术，理论上无缺陷，具有一定的可行性。

虽然永磁变频发电体系会带来一定的问题，但其解决的问题超过了带来的问题，值得科技人员思考和领导决策采纳。以上提出的具体参数因牵扯专业过多，可能并不合理，但至少给专业技术人员一个思路，可以做到抛砖引玉，让更多的科研人员提出更为合理的解决方案。

未来的制造业是个性化订单生产的模式，标准化的批数会越来越小，个性化的需求越来越多。直流电网的建立，有效的解决了不同频率交流电并网的问题，能够让各种不同的发电厂以不同的模式最高效率接入电网成为可能，电网又一次进化到了关键节点。

9未来直流电网发展的贡献

9.1直流输电已经用了很多年，但直流发电却一直没有跟上。现在世界上没有一台直流发电机能够将所发电力接入直流电网，虽然直流并网的优势非常明显，且直流发电机的结构会比交流简单的多。为了并网和维持额定的输出功率，现有交流发电机无一例外的含有2个闭环环节，即外环的-输出功率闭环调节、内环的-速度闭环调节，这使得发电机的控制回路变得很复杂。如果代以稀土强永磁铁密磁极转子发电机，速度控制出力，频率不受限制，小体积倍频变压器升压，整流滤波输出直流并网，一样可以做到无刷，则发电环节极为简化。

9.2直流电网的建设受益最大的很可能是以风电和光伏为代表的新能源发电。新能源发电的逆变器是直流变交流的重要和昂贵的元件，如果能够以直流上网电量，则该逆变器可以取消，新能源发电设备成本下降四分之一。新能源发电将成为主流，政府对新能源的补贴可以大为减少，环境污染压力降低。

9.3电网直流化将是新一轮的科技革命。在现有交流体系下，以欧美为代表的西方科技主导了交流电网规则的制定，今天世界各国电压等级差异很大，但多以欧洲制式为基础而来，中国人几乎没有参与规则的制定。电网直流化改造可以将西方现有科技体系吸纳，升级，淘汰，引领技术潮流，一举甩开西方电气技术和规则的制约。如同晶体管代替电子管、液晶电视把传统CRT显像管打入死牢一样。直流电网取代交流电网和即将到来的电动汽车代替内燃机汽车一样具有划时代的意义，有利于以我国制式统一世界直流输电制式，提升话语权。由于直流电压变换回路调节能力极强，直流电网对电压的绝对值变化幅度容忍度比交流高得多，电压等级不必如交流划分的那么多，电网电压层级可以减少，如±1000kV、±300kV、±100kV、±30kV、±10kV、±300V等几个电压等级，减少了大量的土地资源。

9.4为提高大容量输电的效率，世界各国已经在高电压等级上采用了直流输电作为大容量点对点输电的技术方案，且已经进入商业化应用阶段，技术已经成熟，但中低压范围还没有实现。

9.5小区变电站结构简化，小区配电柜体积有很大缩小，补偿电容器消失，微型永磁体直流空气开关大规模得以应用。大规模储能设施可能会得以应用，小区不停电成为可能，为超级电容器、储能电池、核电池的发展留下了巨大的空间。家用电器全面直流化，除了个别电器采用逆变工作或直接采用直流电动机外，大多数电器与平常没有区别。

9.6这将是一次巨大的产业升级的机会，对电网及设备制造企业带来质的飞越，带动产业无数，电力电子器件得到了普及，催生和提高了一大批国内科研机构。一个大的经济增长点将出现，使得中国经济引领世界经济发展30年。

结语

直流电网是未来电网的重要组成部分。直流电网的的发展不仅关系着电力资源的配置方式，还与系统运行的安全稳定程度密切相关，是需要考虑和研究的问题。

参考文献:

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