利用HVDC技术提高能源效率

作者：ABB电源系统Anders Gustafsson、Marc Jeroense和Johan Karlstrand

今天，全球人口持续增长，对资源的压力也越来越大。不断增长的人口需要更多的耕地，也需要充足的电力、供水和通信服务，而提供这些服务还必须要符合强制性环境法规的要求。对于能源行业来说，他们一直在努力工作，试图找到安全的创新方法来提高供电线路的电力传输量同时，尽量减少对环境的不良影响。

较近几年，几家公司开发了突破性传输能力，不仅为人们带来了更多电力，而且采用了一种安全和无形的方式。使用这种新的高压直流电（HVDC）电缆，能够使输电系统更加紧凑和高效，所需要的维护工作量更小，而且对环境也更加友好。

图1. 不同电缆输电系统的比较

地球上的资源正变得越来越有限了。建设相应的基础设施来满足不断增长的人口需求即使现在还不是，但也很快将会成为一个至关重要的问题。不管人们喜欢与否，那些电力、供水和通信公司现在比以前任何时候都面临着更大的压力，他们必须要提供更多的服务，而大多数情况下还要使用现有的基础设施，同时又必须做到更紧凑，更高效，更环保。

例如，能源部门一直试图找到使用现有的供电线路提高输电量的方法。不仅如此，欧盟委员会在2003年设定的框架文件中规定，必须提高成员国之间的电力交易量。因为与其他的经济因素相比，电力交易目前仍不够发达，因此还需要在陆地或海洋建造数量庞大的供电连接网络。

图2. HVAC和HVDC Light电缆之间的比较

直流输电系统能够增加输电能力，降低损耗，符合环保要求，并且由于消除了电容性电流，它的输电距离可以不受限制。

一般而言，要想同时满足人口增长的需求和日渐严格的法规要求，许多提供服务的厂商都会面临三个重大问题：

■ 如何提高每一平方米土地的使用效率？

■ 如何利用现有的或经过改进的技术和/或可靠性减少对环境的影响？

■ 如何处理相关的风险？

能源领域里的电力传输

目前，电力输送大多采用常规的交流电（AC）方式，这是因为交流电由一个电压等级转变到另一等级相对简单。通常在乡村地区使用高架线路进行远距离输电，在城市里则使用电缆输电。在海洋湖泊地区，可以使用水下交流电缆进行有限距离的输电。

然而，交流输电系统存在一些技术限制，如产生无功功率/无功损耗，以及无法控制潮流的问题。对于产生无功功率/无功耗损，常常可以使用补偿技术，如FACTS装置，来限制其作用。另外，相比高架线路方式、交流电缆会产生较大的电容性充电电流，从而限制了其远程输电的能力。高架线路和交流电缆周边存在电磁场，也会对环境造成影响。

如果采用直流（DC）输电，就能够消除这些限制因素。直流输电系统能够增加输电能力，降低损耗，并且由于消除了电容性电流，它的输电距离可以不受限制。

另外，直流输电对环境是非常友好的。但是，由于电厂发电时生成的是交流电，向用户提供的也是交流电，因此高压直流输电就需要在两端进行交流到直流以及直流到交流的转换。通常使用两种技术来进行这项工作，传统的电流源换流器（LCC）和电压源换流器（VSC）。

与HVAC方式相比，HVDC Light电缆的主要优点在于其减轻了重量和尺寸，从而导致了较高的功率密度。

HVDC Light®在地下电缆的输电

ASEA公司于1954年在瑞典首先推出了经典的HVDC（高压直流电）技术。而HVDC Light则是ABB公司在20世纪90年代开发的新型电力传输技术。由于其使用地下电缆，因此也被称作“看不见的电力传输”。

与HVAC（高压交流电）方式相比，HVDC Light电缆的主要优点在于其减轻了重量和尺寸，从而导致了较高的功率密度。换句话来讲，就是说HVDC Light每公斤电缆能够输送的电力要比HVAC电缆大。这方面的主要原因有：

■ HVDC Light电缆工作的电场强度较高，而且也是由于这一原因，其电缆绝缘层比HVAC电缆更薄。

■ 确定HVAC电缆导体的规格尺寸时，必须考虑到肌肤效应损耗、邻近效应损耗，包括在屏蔽层和护套中的感应损耗，并且对于海底电缆，还要考虑到铠装中的感应损耗。而在确定HVDC Light电缆规格时，只需考虑导体的电阻损耗即可。

■ HVAC电缆系统需要使用三根电缆，而HVDC电缆系统只需要两根。

已经开发、安装并正在运行的HVDC Light聚合物电缆系统，其电压等级为80kV到150kV。这些已经安装的系统其输送电力范围为，从50MW到350MW。

图3. HVDC Light电缆

预计未来对于HVDC输电特别是对于HVDC电缆的需求将会增加。由于远距离电力传输线路可以埋在地下，这就使得ABB公司的HVDC Light系统极具吸引力。目前，使用HVDC电缆系统的传统市场以及其背后的技术推动力在于远距离海底输电方面，特别是在要将非同步输电网之间连接在一起的时候更是非它不可。但另一方面，VSC的引进和挤出成型的HVDC聚合物电缆为HVDC Light系统创造了新的潜在市场。

例如，现在已经能够轻易地连接上偏远地区的较小电网，如像是海上风力发电场，以及石油天然气平台。“深入地下”也被看作是市场的强大推动力。背后的其他力量还包括要求很高的新版欧洲EMF标准，变得越来越费力耗时的高架线路“准入程序”（特别是在欧洲），以及不断提高的公众呼声，希望能够得到符合审美的技术方案。

更高的可靠性

较早用于商业用途的HVDC Light电缆系统于1999年安装在瑞典。使用了一条80kV，50MW的线路将哥特兰岛南端的风力发电场连接到同样在哥特兰岛的Visby市。从那以后，又建设了许多其他项目，其中包括Estlink项目，这是一条150kV，350MW的电缆线。在不到10年的时间里，共铺设了将近1,500km的HVDC Light电缆，还有另外400km正在铺设安装，这都证明了HVDC Light是一种成熟可靠的技术。除此之外，还有约500个电缆接头已投入运行。这比ABB公司自1953年至今所铺设的整体浸渍电缆1,700km还要多。

安装

在整个投资成本中，安装成本占了很大部分，而HVDC Light电缆，由于其相对重量较轻，尺寸较小（由此可以减少使用不少的电缆接头），又经久耐用，对降低安装成本起到了很大作用。加上新开发的陆地安装施工设备，就使得HVDC Light聚合物电缆的成本比率大大低于高架线路——虽然具体情况还要视线路长度和条件而定。

如今，电缆的安装工作大多由机械化电缆铺设机来进行，铺设机有挖掘轮和后端的填埋装置。根据现有的基础设施安装情况，关于土壤的情况一般都已知道了，如果没用砾石之类，安装工作就轻松得多了。在澳大利亚的一个项目上，铺设HVDC Light电缆的速度达到了每天一到三公里。只有使用了HVDC Light技术才能做到这一点，如果是HVAC XLPE的设计就无法做到了。

HVDC Light电缆可以在陆地上或海洋中铺设。由于其相对而言重量轻，体积小，从而对每卷电缆的长度或是电缆铺设船运载的电缆总量会产生很大的影响。

环境效应

使用HVDC Light系统，由于其比现有输电系统基础设施所占用的土地面积少，因而会带来经济效益。除此之外，还能够减少对环境的影响。例如，高架线路通过森林时，会使森林对二氧化碳的吸收量减少，这是因为树木可以从大气中吸收二氧化碳，转化为碳贮存在木质中。事实上，一条400kV高架线穿过森林，意味着每年每公里少吸收42吨的二氧化碳。

地球磁场起源于地球内部对流的直流电流。随着地球表面纬度的不同，这一天然磁场在30到60μTesla之间变化。HVDC Light所产生的磁场也属于同一类型，因此对人体健康没有不利影响。在地表以上1米距离处，直流电缆产生的磁场在5到10μTesla之间。这一磁场叠加在地球天然磁场之上，如上面所讲到的，直流电缆所产生的磁效应也就像从地球南端旅行到地球北端的那一点变化。从磁学角度来看，这是没有任何危险的。

安全

一般而言，沿着道路或其他基础设施来铺设安装电缆比在乡村中容易得多，因为可以按照用于公路或铁路的系统来确定电缆的方位和位置。国有公路铁路管理部门一般都有一套很好的这种系统。在瑞典，所有的道路都有其GPS系统中固定的坐标，这就意味着其他的服务设施，像电缆和光缆，也能够借助同一系统进行定位并记录下来。如此一来，就减轻了第三方的风险。另外，HVDC Light系统能够很快将短路电流减小至零，要比传统的交流线路快了约15至20倍，这也将大大减少人身伤害的风险。

结论

使用HVDC Light挤出型电缆来进行电力传输，有几个主要优点。较明显的是，由于电缆铺设在地下，使得电力输送非常隐蔽。这一点与其他优点相结合，如环境和安全的特点以及远距离输电能力等等，使我们获得了一种更加方便舒适的电力传输系统。

相关阅读:

没有相关新闻...