1.1 直流输电的定义与分类

1.1.1 定义

高压直流输电技术是指将输送端的交流电变换为直流电，并且通过直流输电线路进行输送，然后在接收端又将直流电变换为交流电的技术，其目的是以直流的方式实现高电压大容量电力的变换与传输。与交流输电相比，直流输电具有以下优点：

1）直流输电系统没有交流输电系统功角稳定的问题，适合远距离传输。

2）直流输电一般采用双极中性点接地方式，仅需要2根导线，而三相交流线路则需要3根导线，因此直流输电线路造价低，距离越远整体工程就越经济，适合海底电缆和城市地下电缆输电。

3）直流输电系统能非同步（相位和频率）连接两个交流电网，不增加短路容量。

4）直流输电的电流和传输功率可通过计算机系统改变换流器触发角来实现，可控性更强，控制速度快，可有效支援交流系统。

5）直流输电线路在稳态时没有电容电流，不会发生电压异常升高的现象，不需要并联电抗补偿。

6）直流输电系统可方便地进行分期建设和增容扩建，有利于发挥投资效益。

然而，直流输电与交流输电相比技术更为复杂，而且需要增加更多的设备，如换流器、交流滤波器、无功补偿装置、平波电抗器和直流滤波器、各类交直流避雷器以及转换直流接线方式用的金属回路和大地回路直流转换开关等，且大地回路运行时存在直流偏磁问题和电化学腐蚀等问题。但是，随着高压直流输电技术的不断改进，现代电网正逐渐成为交直流互联电网。直流输电的可靠运行与交流电网的强度、稳定水平密切相关，同时直流输电优越的控制能力也可为交流电网的安全稳定提供有力的支持。

1.1.2 按结构分类

依据高压直流输电系统与交流电网的不同的连接模式、不同的换流技术和电压等级可以有不同的分类方法。按照高压直流输电系统与交流电网的接口数量不同，可将其分为两大类，即两端直流输电系统和多端直流输电系统。

1.两端直流输电系统

两端直流输电系统主要由整流站、直流输电线路和逆变站三部分连接两端交流系统，电能从一个交流电网的一点导出，在送端整流站转换成直流，通过架空线或电缆将直流电传输到受端逆变站再转化成交流，最后进入另一个交流电网。它与交流电网只有两个接口，因此是结构最简单，技术最成熟，目前世界上最普遍采用的直流输电系统。两端直流输电系统又可进一步分为点对点直流输电系统和背靠背直流输电系统（无直流输电线路）。

（1）点对点直流输电系统

图1-1所示为点对点直流输电系统结构示意图，点对点直流输电系统的两个换流站中一个作为整流站（送端），另一个作为逆变站（受端）。点对点直流输电系统又可以分为单极系统、双极系统。单极直流输电系统有正极性和负极性两种。换流站出线端对地电位为正的称为正极，为负的称为负极。与正极或负极相连的输电导线称为正极导线或负极导线。单级直流架空线路通常采用负极性（即正极接地），这是因为正极导线的电晕电磁干扰和可听噪声均比负极导线的大；同时由于雷电大多为负极性，使得正极导线雷电闪络的概率也比负极导线高。

1）点对点单极直流输电系统。

点对点单极直流输电系统根据接地方式，可继续分为单极大地回线方式和单极金属回线方式。

①单极大地回线方式。

如图1-2a所示，单极大地回线方式的主要特点是利用一根导线和大地构成直流侧的单极回路，两端换流器均需要接地。以大地作为替代的方法虽然线路结构简单、造价低，但是这种接线方式也有一定的缺点，比如运行的可靠性和灵活性较差、对接地电极要求较高使得接地极的投资增加。同时大地接线会对埋设于地下的金属设施进行电化学腐蚀，还会使附近中性点接地变压器产生直流偏磁（变压器接地中性点间存在直流电位差）而造成变压器磁饱和，因此该方法最常见于海底电缆直流工程中。

②单极金属回线方式。

如图1-2b所示，单极金属回线方式是利用两根导线构成直流侧的单极回路，其中一根用低绝缘水平的导线（金属返回线）替换大地回线，也避免了电化学腐蚀和变压器磁饱和等问题。为了固定直流侧的对地电压和提高运行安全性，金属返回线的一端接地，其不接地端的最高运行电压即为最大直流电流在金属返回线的压降。这种方式的线路投资和运行费用均较上一种高，通常只在接地困难以及输电距离较短的单极直流输电工程中使用。

2）点对点双极直流输电系统。

点对点双极直流输电系统的出线端对地处于相反极性是双极直流输电系统的接线方式，也是直流输电工程中最常用的接线方式。该接线方式可分为双极一端中性点接地方式、双极两端中性点接地方式和双极金属中线方式三种类型。

①双极一端中性点接地方式。

如图1-3a所示，双极中性点接地方式只有一端换流器中性点接地，不能利用大地作为回路。在一极故障时也不能自动转换为单极回线方式，必须同时停运双极后，才能转换为单极金属回线方式。相对于双极两端中性点接地方式来说，其可靠性和灵活性都更低。其主要的优点是保证在运行时地中无电流流过。在实际工程中很少应用。

②双极两端中性点接地方式。

如图1-3b所示，双极两端中性点接地方式的正负两极通过导线连接在一起，两端换流器的中性点接地，可将它看成是两个独立的单极大地回线方式的组合。在双极对称运行时，正负极线路对地电流相反，地中无电流流过或者只有小于额定1%的电流流过，可消除电化学腐蚀等问题。而在需要时，双极可不对称运行，此时地中的电流等于两极电流之差。为了减小地中电流的影响，在运行中尽量采用双极对称运行方式，如果由于某种原因需要一个极降低电压或电流运行，则可转为双极电压或电流不对称运行方式。

双极两端中性点接地方式的优点还包括：1）当其中一极发生故障时，应该闭锁该极，非故障极正常运行，从而转换成单极运行模式；2）当接地极发生故障时断开接地极，可将故障端的换流器的中性点自动转换到换流站的临时接地点，同时断开故障接地极，从而转换成单极运行模式。这使得双极两端中性点接地方便检修维护，也正是由于该系统的灵活性高、可靠性强，因此大多数直流输电工程皆采用该接线方式。

③双极金属中线方式。

如图1-3c所示，双极金属中线方式是在两端换流器中性点之间增加一条低绝缘水平的金属回线。它相当于两个独立运行的单极金属回线方式。为了固定直流侧设备的对地电位，通常中性线的一端接地，另一端中性点的最高运行电压为流经金属线的最大电流时的电压降，这种运行方式地中无电流通过。当一极线路发生故障时，可自动转化为单极金属回线方式运行。而当换流站的一极发生故障需停运时，可先转换为单极金属回线方式，然后再转换为单极双导线并联金属回线方式，其灵活性和可靠性与双极两端中性点接地方式类似。但是由于使用三根导线组成的输电系统，其线路结构较复杂，线路造价较高。通常在不允许地中流过直流电或很难选择接地极建设场址时才会采用。

（2）背靠背直流输电系统

如图1-4所示，背靠背直流输电系统连接两个交流系统但是输电长度为零的一个输电系统，它的主要功能就是完成两个交流电力系统的能量传递，因为交流系统的并网需要同相位、同频率，所以背靠背主要运用于两个异步运行（不同频率或者频率相同但异步）的交流电力系统之间的互联，也称为异步联络站或者直接称为变频站。背靠背直流输电系统的整流端和逆变端设备安装在一个站内，也称为背靠背换流站。在该站内，整流器与逆变器的直流侧通过平波电抗器相连，其交流侧则分别与各自的被连电网相连，从而形成两个交流电网的联网。背靠背直流输电系统的主要特点为：

1）因无直流输电线路，直流侧损耗小，可选择低电压、大电流设备。

2）可充分利用大截面晶闸管的通流能力。

3）直流侧设备（换流变压器、换流阀、平波电抗器）也因直流电压低而使其造价相应降低。

4）由于整流器和逆变器装设在一个阀厅内，直流侧谐波不会对通信线路造成干扰，因此可省去直流滤波器，并减小平波电抗器的电感值。

由于上述因素，使背靠背直流输电系统换流站的造价比两端直流输电系统换流站的造价降低15%。

2.多端直流输电系统

两端直流输电技术只能完成点对点的直流功率传送，当目标工程需要实现多个交流系统间的直流互联传送时，需要建立多条直流输电线路，这样直流输电线路将失去其在造价以及运行费用上的优势。

多端直流输电系统是指含有三个及三个以上换流站，以及连接换流站之间的高压直流输电线路所组成的直流输电系统，其最显著的特点在于能够实现多电源供电、多落点受电，还可以联系多个交流系统或者将交流系统分成多个独立运行的电网，该方法提供了一种比两端直流输电更为灵活的输电方式。

多端直流输电系统中的换流站，既可以作为整流站运行，也可以作为逆变站运行，前提是以整流站运行的换流站总功率与以逆变站运行的总功率必须相等。多端直流输电系统按换流站接入直流输电线路的方式可分为串联型和并联型两种类型。

（1）串联型

如图1-5所示，串联型多端直流输电系统指的是换流站之间进行串联连接，各换流器均在同一直流电流下运行，直流线路只在一处接地，换流站之间的功率分配主要靠改变直流电压来实现。在串联型多端直流输电系统中，各换流站之间的有功功率调节和分配主要是靠改变换流站的直流电压来实现，一般由一个换流站承担整个串联电路中直流电压的平衡，同时该换流站也起到调节闭环中的直流电流的作用。在换流站需要改变潮流方向时，串联方式下的直流输电系统只需改变换流器的触发角，原来的整流站（或逆变站）变为逆变站（或整流站）运行不需改变换流器直流侧的接线，潮流反转操作灵活便捷。当某一换流站发生故障时，可投入其旁通开关，使其退出运行，其余的换流站经自动调整后，仍能继续运行，不需要用直流断路器来断开故障。当某一段直流线路发生瞬时故障时，需要将整个系统的直流电压降到零，待故障消除后，直流系统可自动再起动。当一段直流线路发生永久性故障时，则整个多端系统需要停运，而且串联型的直流侧电压较高，在运行中的直流电流也较大，因此其经济性不如并联型好。

（2）并联型

并联型多端直流输电系统指的是各换流站之间进行并联连接，各换流器均在同一直流电压下运行，换流站之间的有功调节和分配主要是靠改变换流站的直流电流来实现。由于并联型系统在运行中保持直流电压不变，负荷的减小是通过降低直流电流来实现，因此其系统损耗小，运行经济性也好。并联型多端直流输电系统可进一步分为图1-6a所示的分支形并联型多端直流输电系统和图1-6b所示的闭环形并联型多端直流输电系统。

由于并联型具有上述优点，因此目前已运行的多端直流输电系统多采用并联型。与串联型不同，并联型的主要缺点是换流站需要改变潮流方向时，除了改变换流器的触发角，使原来的整流站（或逆变站）变为逆变站（或整流站）以外，还必须将换流器直流侧两个端子的接线倒换过来接入直流网络才能实现，因此并联型不适合潮流变化频繁的换流站。另外，并联型多端直流输电系统在运行时，当其中某一换流站发生故障需退出时，需要用直流断路器来断开故障的换流站。

1.1.3 按换流技术分类

根据换流站所用换流技术的不同，直流输电系统可分为常规直流输电系统、柔性直流输电系统和混合直流输电系统。

如图1-7a所示，常规直流输电系统含有两个换流站，且两个换流站均是基于电网换相换流器（Line-Commuted Converter, LCC）设计的。LCC的特点是电能的单向传输。

柔性直流输电系统既可以是点对点结构，也可以是多端结构。如图1-7b所示，柔性直流输电系统中的所有换流站均是基于电压源型换流器（Voltage Source Converter, VSC）设计的。VSC的特点是电能的双向传输。

如图1-7c所示，混合直流输电系统结合了LCC的经济优势和VSC的技术优势，其中整流站采用LCC设计，而逆变站采用VSC设计。

1.1.4 按电压等级分类

虽然直流输电至今没有像交流输电系统那样形成电压等级的序列，但业界通常以±800kV作为高压直接输电系统的界限。输电电压在±800kV以下的为高压直流输电系统，±800kV及以上的为特高压直流输电系统。例如，我国刚刚投运的昆柳龙直流输电系统即为世界首个±800kV的特高压混合直流输电工程。