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电力传输开始由HVDC主导 ——爱迪生百年后终于“胜出”

在电气电力早期(19世纪末/20世纪初),对人们来说,尽管还有许多基本的东西尚未被完全理解,但即便在那时、也有一点是很清楚的,即:输电线路中的欧姆(电阻)损耗是不可避免的。少数的解决方案是提高用于电力传输的线路电压,从而以相同的倍数减小线路电流。

由于电阻功耗与电流的平方成正比(P=I2R),因此节省是指数级的,而且非常显著。如今,初级电气工程师很快就能从小型项目(如PC板和机箱)开始,掌握有关高电压输电效率相对较高的基本概念。

而初期时的大问题是,发电机和输电线路究竟是应该采用交流电(AC),还是直流电(DC)?为此,发生了一场广为人知的争论,爱迪生这边是DC的坚定支持者,而特斯拉、西屋等则支持AC。

采用AC时,可根据需要,利用变压器很容易地升/降压,于是能够支持远距离电力传输;而DC则仅限于较短距离传输,并且为社区服务(当然,电力首先被用于密集的城市地区)时,还需要相对较多的本地发电机。

由于上述以及其他原因,AC最终胜出,因此就有了现在遍及全世界的50/60Hz配电系统。自那时起,高压交流(HVAC,请注意不要与汽车HVAC相混淆)开始占据主导地位,而高压直流(HVDC)则属于少数特殊应用。

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原理上,HVAC系统的部署很简单:从交流电源发电;通过一个或一系列无源变压器将其升压至几十万甚至几百万伏高压进行传输;而在远端,再通过变压器将高压降至最终用户所需的220/380V。相比之下,HVDC所需的升压/降压组件是有源的,并且更加复杂(见图1),直到这些年才变得比较实用或经济高效。

图1:HVDC电线路实施示意图。(资料来源:美国杜克大学德州仪器公司)

图中的HVDC线路涉及源侧和负载侧的许多转换阶段,实施变得更加复杂。但时间到了100年后的今天,情况发生了巨大变化。许多输电线路设计正在使用HVDC,并且许多新的HVDC输电工程也正在规划中。促成这种变化的原因有很多,但其中最主要的是互惠的、应用和技术进步的正反馈推拉作用,即:新组件使新方法可行性越来越高,而可行性的提高反过来又促进了这些组件的新设计,进而增加了对新组件的需求,良性循环将周而复始。

在HVDC电力传输中,取得技术进步的高压/功率IGBT和晶闸管是所需的众多新组件之一(有趣的是,许多这类器件和技术最初是为包括交流的通用电力和柴油电力机车开发的)。对于HVDC,最常见的变电站类型是晶闸管换流器(LCC)和柔性电压源型换流器(VSC)。目前,围绕LCC和VSC,以及采用新组件和独特设计的HVDC子系统,有很多有趣的设计工作都在进行着。

HVDC表现究竟怎么样?简短的回答是“非常好”!实际上,业界有很多数据,这取决于你问谁。每个市场研究机构都有自己的高精准数据,可以预测五年甚至更长的时间(让我着迷的是不知道他们预测未来时如何能精确到三位甚至四位有效数字)。这可能取决于他们在HVDC市场评估中所包含的内容以及所采用的方法。但大致统一的意见是,2020和2021年HVDC市场规模分别约为100亿美元,预计到2026年将增长至170~180亿美元之间,年复合增长率(CAGR)为6~8%。相比之下,HVAC中的所有重要数字都要低几个百分点,规模也要低数十亿美元。

关于HVAC与HVDC输电的成本,如果排除每端的转换电路成本(这是一个非常大的“如果”,因为它是一个公认的大成本),一个粗略的指导是,对于大于约1000公里的架空线路、30–60公里的海底电缆和60–120公里的地下电缆来说,HVDC线路更具成本效益。虽然HVDC的转换电路更昂贵,但这在某种程度上是可以平衡掉的,因为它的输电线路需要的铁塔更小,并且在最简单的部署中,只需要两根而不是三根导线。所以,确定总成本盈亏平衡点,需要相当复杂的分析(见图2)。

图2:HVAC与HVDC经济性分布示意图。(来源:Electrical4U)

由图2可见,确定HVAC与HVDC经济性的交叉点,需要对终端侧成本和线路成本进行全面分析。

虽然成本肯定是一个主要考虑因素,但HVAC与HVDC的用例中也有重要的技术因素。首先,HVDC是异步的,不需要多个电源之间的同步来保持稳定性,因此可以根据需要或提供能力来添加/删除一些源;相比之下,交流电源需要精准的初始同步,并且不能失去同步。此外,直流线路的功率因数总是统一的,因此不需要无功补偿,也没有交流线路的“趋肤效应”,而趋肤效应是有害的,会降低线路的有效载流截面积并增加传输损耗。

简而言之,使用HVDC有很多好处,而且随着电网越来越多地依赖远距离的风电、太阳能发电、甚至是电能储能系统而非发电厂的多样性源,这些好处变得越来越明显。甚至看到一些商用电力系统使用350VDC作为办公楼、工厂和大型公寓综合体的初级电源,再将其转换到终端应用所需的220/380VAC。

不过,即便HVDC在电力线传输中开始发挥更大的作用,爱迪生也不会取得全面胜利,因为HVAC和HVDC各自都发挥着合理的作用,并将用于各自具技术和成本效益的地方。也许最能期待的是,爱迪生和特斯拉能够在他们的来世认识到这一“现实”,至少说他们可以成为“友敌”!

(参考原文:Edison Gets Second Chance as HVDC Transmission Grows

本文为《电子工程专辑》2023年2月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅

文章来自:https://www.eet-china.com/