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那么减少的损失是多少?假定通过高压直流传输一定量的电能:若电压升高1倍,则电流将降为原交流系统的一半,可以减少4倍的电能损失(译者注:此处是比较电压升高后的直流输电与原交流输电系统之间的关系)。同时,对电缆的需求也大大减少了,因为当直流电在通过电缆时,其内部的电流密度是均匀分布的,而交流电在通过电缆时,边缘的电流密度要大于导体中心的电流密度,甚至中心没有电流通过。即便是同一尺寸的导线,交流输电的阻抗更大,将有更多电能以热能的形式损失掉。在实际运行中,这意味着在输电线路建设时交流输电对基础设施的需求更大。例如利用765kV交流输电系统传输6000MW电能,需要三根单回输电线,输电走廊需要180米宽。与之相比,800kV直流输电系统的输电走廊只需80米宽。
HVDC也能非常容易的实现两个不同频率电网间的电能传输。但与交流输电线路相比,HVDC系统中换流器、电缆和断路器等设施的造价更加昂贵,因此通常输电距离大于500公里时HVDC技术才具有经济优势。随着关键器件成本的降低,HVDC的经济优势会更加显著。
鉴于直流输电技术的这些优势,整个20世纪,电力工程师们不断尝试各种直流输电技术。高压直流输电系统的关键组件是位于输电线两端的交直流换流器,它可以将交流电转换为直流电,通过直流线路将直流功率传输到另一端的换流器再转化为交流电。在1960年代,换流器主要采用汞弧阀技术,这种电子开关只能打开但不能关闭,大范围使用受到限制。
1970年代出现了新一代的换流技术——水冷晶阀管,一种既能打开又能关闭的大型固态开关。1978年,世界首个采用晶阀管技术的直流输电工程在NelsonRiver建成,将位于加拿大马尼托巴省北部的水力发电站的电能通过该输电线送至加拿大人口密集的南部。
之后,HVDC技术在北美的发展十分有限,但在巴西、中国、印度、和西欧则取得了飞速发展。1990年代末,随着半导体器件技术的进步,绝缘栅双极型晶体管(IGBTs)的出现使得HVDC技术得到了更广泛的应用,绝缘栅双极型晶体管每周期的开断可以切换多次,当前最先进的绝缘栅双极型晶体管的打开(关闭)只需十亿分之一秒。
目前最广泛使用的HVDC换流器是电压源换流器(VSC)。虽然传统换流器依然在更高电压、更高容量的输电系统中应用,但VSC便于直流线路整合到现有电网中。1997年3月世界上第一个采用VSC的直流输电工程在瑞典的Hellsjon和Grangesberg投入使用,其输送功率和电压分别只有3MW和10kV。5年后,该技术又被用于长岛海峡(位于美国纽约州和康涅狄格州之间)的Cross-SoundCable工程之中,其输送功率达到了330MW,但转换中的电能损失依然较高,达到了2.5%。目前,最先进的VSC已经可以将损失降至1%。
此外,目前已经能够实现在一条HVDC线路上拥有多个终端(即多端直流输电技术),除了直流输电线路的两端,线路的中间点也可以接入换流器,实现多点直流联网,这使控制方法更加复杂,但也可能使电网更加强壮。
全球超级电网计划的起步
Desertec项目:该项目在2009年首先由德国公司领头的财团提出,旨在开发地中海和世界上其他沙漠区域的太阳能,再通过HVDC传输到人口密集的负荷中心。
Medgrid项目:类似于Desertec项目,该项目呼吁在北非开发20GW太阳能电站,其中5GW电能将传输到欧洲。Medgrid电网将成为欧洲超级电网的骨干。
中国超级电网项目:为了将北方的太阳能和风能,以及南方的水能传输到东南部城市,中国已经安装了世界上规模最大的高压交直流网络。现在正在建设13到20条新的HVDC线路继续扩张电网规模。
Gobitec项目:同样以Desertec项目为模板,Gobitec项目将在戈壁沙漠开发风能和太阳能,并通过HVDC网络将电能从北部的伊尔库茨克(俄罗斯)传输到南部的上海(中国)和首尔(韩国),以及东部的东京(日本)。
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