東山再起的直流輸電系統(tǒng) 是否標(biāo)志著交流電要沒落了呢？

2005年，三峽工程輸變電線路的建設(shè)，使中國(guó)一躍成為世界第一的高壓直流輸電國(guó)家。

看過上一篇的讀者一定還記得，因?yàn)殚L(zhǎng)途輸電中損耗過大，直流輸電在美國(guó)敗給了交流輸電。那么，既然交流輸電更有優(yōu)勢(shì)，為什么當(dāng)今我們國(guó)家要大力發(fā)展特高壓直流輸電，還不小心成了世界第一?

還是那個(gè)老問題：輸電過程中的損耗。不過，這次卻成了交流電的劣勢(shì)。

東山再起的直流輸電系統(tǒng)

上一篇我們說到直流的損耗比交流大，因此才會(huì)被淘汰。但需要注意的是，前面比較的是低電壓的直流(例如110V)和高電壓的交流(例如4000V)在輸送相同功率時(shí)的損耗。但是，當(dāng)直流和交流(有效值)電壓相同時(shí)，直流輸電系統(tǒng)的損耗會(huì)小于交流。這是為什么呢?

傳輸?shù)墓β拾藘蓚€(gè)部分——有功功率和無功功率

通過交流系統(tǒng)輸送電能時(shí)，因?yàn)殡娙莺碗姼械拇嬖?，?huì)使電壓和電流的相位(可以理解為正弦波到達(dá)波峰時(shí)的時(shí)間)有一些差異，這就使。

其中有功功率可以用來做功，例如點(diǎn)亮燈泡、驅(qū)動(dòng)電機(jī)。但是，為了傳輸和直流系統(tǒng)一樣的有功功率，交流系統(tǒng)還需要額外傳輸一定比例的無功功率，這就造成了交流線路上的電流要比直流線路大。而交流線路因電阻發(fā)熱造成的損耗自然也就更多了。

系統(tǒng)擴(kuò)容的難度更低

其實(shí)，直流的優(yōu)勢(shì)還不止這個(gè)，還有等。電力系統(tǒng)是要不斷發(fā)展，如果想擴(kuò)大容量，就需要在系統(tǒng)中加入更多的發(fā)電機(jī)，或者將幾個(gè)系統(tǒng)并聯(lián)起來。要做到這一點(diǎn)，首先需要兩個(gè)系統(tǒng)的電壓是一樣的，下面，我們可以看看直流和交流系統(tǒng)分別需要滿足什么條件。

幅值

對(duì)于交流電，電壓至少滿足三個(gè)參數(shù)，才能并聯(lián)：——電壓的大小，——電壓的周期，——電壓是否在同一時(shí)刻達(dá)到最大值。

相序問題

這還只是單相交流電。我們目前使用的三相交流電系統(tǒng)，還存在，就是各相電壓達(dá)到最大值的先后順序。再涉及到電壓與電流的相位關(guān)系，還有更復(fù)雜的問題，一個(gè)比一個(gè)令人頭大。這一系列限制條件一旦有一項(xiàng)不符合，就可能造成系統(tǒng)的波動(dòng)，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰——也就是停電。

這個(gè)參數(shù)相同，兩個(gè)系統(tǒng)就可以并列。

對(duì)于直流電，只有一個(gè)參數(shù)：就是幅值，也就是電壓的數(shù)值。所以直流系統(tǒng)還可以充當(dāng)交流系統(tǒng)的粘合劑，把兩個(gè)由于系統(tǒng)穩(wěn)定性而不適合聯(lián)網(wǎng)或參數(shù)不同不能聯(lián)網(wǎng)的交流系統(tǒng)，通過直流高壓來實(shí)現(xiàn)非同步聯(lián)網(wǎng)(背靠背)。如果有一天，中國(guó)(頻率50Hz)和美國(guó)(頻率60Hz)電網(wǎng)連起來了，那一定是通過直流連接的。

更省成本

還有，直流輸電。輸送同樣的功率，我們用的三相交流系統(tǒng)，需要三根導(dǎo)線，而直流只要兩根(正負(fù)極)。這就節(jié)約了大量的空間，也簡(jiǎn)化了桿塔結(jié)構(gòu)。要知道輸電走廊的寬度和桿塔成本，在電力線路成本上占了不小的比例。

集膚效應(yīng)

而且交流電還有個(gè)直流電沒有的臭脾氣——。一根導(dǎo)線上的交流電電流密度，總是表現(xiàn)為外圍大中間小，也就是說，導(dǎo)線中間部分是白白浪費(fèi)的。人們?yōu)榱私鉀Q這個(gè)問題，采用了的方法(分裂導(dǎo)線還有其他作用，例如減小電抗，降低電暈損耗，提高可靠性等)，也增加了工藝的復(fù)雜程度。

限制系統(tǒng)的短路電流、調(diào)節(jié)速度快

另外，與交流輸電相比，直流輸電還有等優(yōu)點(diǎn)。

愛迪生被冤枉了嗎?

說了這么多好處，那前面愛迪生的直流系統(tǒng)被淘汰了，難道是被冤枉了?并不是。

我們說的這些優(yōu)勢(shì)，都是建立在當(dāng)代高壓直流系統(tǒng)(例如特高壓直流≥±800kV)與同等級(jí)交流系統(tǒng)的比較上的。愛迪生那個(gè)時(shí)代，直流電僅僅只有110V，線路損耗上，根本不能跟當(dāng)時(shí)已經(jīng)達(dá)到4000V的交流輸電系統(tǒng)相提并論。

直流交流轉(zhuǎn)換

那現(xiàn)代的直流電又是怎么達(dá)到這么高的電壓呢?難道有了直流變壓器?當(dāng)然沒有這種變壓器，今天也沒人能給直流電升壓!但人們發(fā)明了的方法，先給交流電升壓，然后通過換流閥將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?整流)。如果要降壓，也先要把直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?逆變)。

如果說交流電的普及離不開變壓器，直流電的普及就離不開完成整流逆變過程的換流閥。

這些器件的可靠性和價(jià)格是限制直流電力系統(tǒng)最主要的因素。

高壓時(shí)代，交流電就此沒落了嗎?

那么，直流電崛起，是否標(biāo)志著交流電要沒落了呢?

我想不會(huì)。

首先，畢竟直流電要改變電壓，還是要先轉(zhuǎn)換成交流電。而且前面所說的優(yōu)點(diǎn)，都是直流系統(tǒng)在輸電過程中體現(xiàn)出來的。我們說過電力系統(tǒng)還包括發(fā)電和用電等部分，在這些地方交流還是有著不可取代的優(yōu)勢(shì)。

例如發(fā)電方面，現(xiàn)代電力系統(tǒng)常用的汽輪發(fā)電機(jī)，其裝機(jī)容量一般在300MW-1000MW之間，輸出電流可達(dá)上萬安培，如果采用直流發(fā)電機(jī)，電刷上是無法承受如此大電流的。且一旦發(fā)生故障，如此高的直流電流也很難切斷，但交流電則可以在電流過零時(shí)較輕松地將之切斷。

用電方面，交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)勢(shì)仍然是直流電機(jī)無法取代的，尤其是在大功率電機(jī)方面。

最后讓我們?cè)賮砘仡欉@一過程，最初直流電力系統(tǒng)的獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，是因?yàn)榻涣麟娏υO(shè)備的落后造成。一旦技術(shù)條件成熟，交流電便因長(zhǎng)距離輸電優(yōu)勢(shì)而取代了直流電力系統(tǒng)，而直流電則苦于無法升壓而被淘汰。

事實(shí)上，高壓直流系統(tǒng)比高壓交流系統(tǒng)在長(zhǎng)距離輸電上的成本更低，當(dāng)今，隨著電力電子技術(shù)的成熟，直流輸電再次崛起，與交流輸電共同構(gòu)成了高效經(jīng)濟(jì)的電網(wǎng)系統(tǒng)。

百年前，愛迪生和特斯拉為了不同的理念而爭(zhēng)斗，百年間，兩種電力系統(tǒng)相繼崛起。今天，這一爭(zhēng)斗早已畫上句號(hào)，但并未以任意一方的勝利而告終。隨著技術(shù)的發(fā)展，交流直流已經(jīng)融為一體，共同為人類的電力事業(yè)服務(wù)，不知二位泉下有知，作何感想。

出品：科普中國(guó)

制作：

關(guān)鍵詞： 特高壓直流輸電