一、前言

發(fā)電機(jī)輸出交流電是從整個(gè)電力系統(tǒng)方面考慮的，而非僅僅考慮到發(fā)電機(jī)成本問題。

當(dāng)然，交直之爭(zhēng)放到現(xiàn)在，也不是僅僅以交流電勝出而終止。就現(xiàn)在的電力系統(tǒng)而言，高壓輸電是交直并存、相輔相成的狀況。甚至，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流輸電也有可能會(huì)再次強(qiáng)勢(shì)回歸主導(dǎo)地位?？偠灾?，交直流的發(fā)展過程是：

直流（1882）——交直相爭(zhēng)——交流勝出（1893）——直流回歸，交直并存（1954至今）

二、直流輸電和交流輸電的發(fā)展過程

1.直流王朝的開辟

電的商業(yè)化應(yīng)用始于19世紀(jì)70年代后期，當(dāng)時(shí)電弧燈已經(jīng)用于燈塔和街道的照明。

第一個(gè)完整的電力系統(tǒng)（由發(fā)電機(jī)、電纜。熔絲、電表和負(fù)荷組成）是托馬斯愛迪生在紐約城歷史上有名的皮埃爾大街站（Pearl Street station）建成并于1882年9月投入運(yùn)行。這是一個(gè)直流電力系統(tǒng)，由一臺(tái)蒸汽機(jī)拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)給半徑為1.5km面積內(nèi)的59個(gè)用戶。負(fù)荷全部由白熾燈組成，通過110V地下電纜供電，在此后幾年內(nèi)，類似的電力系統(tǒng)已經(jīng)在世界上大多數(shù)城市投入運(yùn)行，隨著1884年福蘭克斯普萊克（Frank Sprague）對(duì)發(fā)電機(jī)的開發(fā)，電動(dòng)機(jī)負(fù)荷也加入到這樣的系統(tǒng)中。這是電力系統(tǒng)發(fā)展成為世界最大工業(yè)之一的開端。

2.交直相爭(zhēng)，“交流”一戰(zhàn)成名

盡管初期直流系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，但后來它幾乎完全被交流系統(tǒng)替代。到1886年，直流系統(tǒng)的局限性明顯露出來，因?yàn)樗荒茉诤芏痰木嚯x內(nèi)從發(fā)電機(jī)向外送電。為了將輸電損耗（RI2）和電壓降落限制到可以接受的水平（例如低壓直流輸電采用110V，那么到最末端的時(shí)的電壓可能只有80V了），長(zhǎng)距離輸電系統(tǒng)必須采用高電壓。而這樣高的電壓是發(fā)電機(jī)和用戶都不能接受的，因此必須采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行電壓變換。

L.高拉德（L.Gaulard）和法國(guó)巴黎的J.D.吉布（J.D.Gibbs）開發(fā)了變壓器和交流輸電技術(shù)，由此產(chǎn)生了交流電力系統(tǒng)。喬治西屋（George Westinghouse）獲得了這些新設(shè)備在美國(guó)的應(yīng)用權(quán)利。1886年，西屋的助手威廉斯坦利（William Stanley）開發(fā)和實(shí)驗(yàn)了商業(yè)實(shí)用的變壓器和在馬薩諸塞州大白靈頓的由150個(gè)電燈組成的交流配電系統(tǒng)。1889年，北美洲第一個(gè)交流輸電線在俄勒岡州威拉姆特州瀑布和波特蘭之間建立并投入運(yùn)行，這是一條單相的線路，輸電電壓4000V，輸送距離21km。

隨著尼古拉特斯拉（Nikola Tesla）的多相系統(tǒng)的開發(fā)，交流系統(tǒng)變得越來越具有吸引力。1888年，特斯拉持有關(guān)于交流發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)。變壓器和輸電系統(tǒng)的若干專利?；垩圩R(shí)珠的西屋購買了這些早期發(fā)明專利，這些發(fā)明奠定了當(dāng)今交流電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

在19世紀(jì)90年代，曾有過關(guān)于電力系統(tǒng)采用直流還是交流作為標(biāo)準(zhǔn)的相當(dāng)大的爭(zhēng)論。在主張直流的愛迪生和偏好交流的西屋之間發(fā)生了激烈的辯論（愛迪生還允許助手通過使用交流電電死大象、試驗(yàn)電椅等的試驗(yàn)來證明交流電的危害）。

在世紀(jì)之交，交流系統(tǒng)對(duì)直流系統(tǒng)取得了勝利，其主要原因是：

a.交流系統(tǒng)的電壓水平更容易地轉(zhuǎn)換，因此提供了使用不同電壓的發(fā)電、輸電和用電的靈活性。

b.交流發(fā)電機(jī)比直流發(fā)電機(jī)更簡(jiǎn)單。

c.交流電動(dòng)機(jī)比直流電動(dòng)機(jī)更簡(jiǎn)單、更便宜。

1893年，南加州一條12km長(zhǎng)的2300V電力線路投入使用。它是北美洲第一條三相電力線路。大約在同一時(shí)期尼亞加瀑布也選擇了交流送電，因?yàn)椴捎弥绷鞑豢赡軐㈦娏λ碗娝屯?0km以外的布法羅。這一結(jié)果結(jié)束了交直之爭(zhēng)并奠定了交流系統(tǒng)獲勝的基礎(chǔ)。

日益增長(zhǎng)的向更遠(yuǎn)距離輸送大量電力的需求是推動(dòng)逐漸采用更高電壓水平的動(dòng)因。早期交流系統(tǒng)采用了12.44kV和60kV。于1922年采用了165kV，1923年提高為220kV，1935年提高為287kV，1953年提高為330kV，1965年提高到500kV?？笨穗娏值牡谝粭l735kV線路于1966年送電，美國(guó)765kV線路則于1969年投入運(yùn)行。

3.“直流”回歸，是百日王朝還是東山再起？

隨著汞弧閥于20世紀(jì)50年代的發(fā)展，高壓直流（HVDC）輸電系統(tǒng)在某些情況下變得更經(jīng)濟(jì)。高壓直流輸電對(duì)于大容量遠(yuǎn)距離輸電更有吸引力。與交流電相比直流輸電方案變得更具有競(jìng)爭(zhēng)力的輸電距離交叉點(diǎn)對(duì)架空線路大約是800km。當(dāng)電力系統(tǒng)間由于系統(tǒng)穩(wěn)定的考慮而不適合聯(lián)網(wǎng)或者系統(tǒng)的額定頻率不同時(shí)，高壓直流還提供非同步聯(lián)網(wǎng)（背靠背）。第一個(gè)現(xiàn)代商用的高壓直流輸電于1954年在瑞典建成，它通過96km的海底電纜將瑞典本土與哥特蘭島互聯(lián)起來。隨著晶閘管閥的發(fā)展，高壓直流輸電變得更具有吸引力。第一個(gè)采用晶閘管閥的高壓直流系統(tǒng)是1972年在伊爾河的背靠背工程。它提供了魁北克和新不倫瑞克之間的非同步電網(wǎng)互聯(lián)。伴隨著交流設(shè)備價(jià)格的降低、尺寸的縮小和可靠性的提高，高壓直流輸電的應(yīng)用正在逐步擴(kuò)大。20世紀(jì)90年代以后，一種新型氧化物半導(dǎo)體器件 － 絕緣柵雙極晶體管（IGBT）在工業(yè)驅(qū)動(dòng)裝置上得到廣泛應(yīng)用，并引入了直流輸電領(lǐng)域。1997年，第一個(gè)采用IGBT閥組成的電壓源換流器的直流輸電工業(yè)性試驗(yàn)工程（3 MW、10kV、10km）在瑞典投運(yùn)。更是為直流輸電的發(fā)展帶來了嶄新的面貌。若從對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性角度來看，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子設(shè)備的成本下降，那么直流輸電的優(yōu)越性會(huì)更大程度地提高，而直流輸電回歸霸主的地位就完全是有可能的。

我國(guó)高壓直流輸電工程起步雖然比較晚，但是發(fā)展卻非常迅速，步入世界先進(jìn)行列。我國(guó)第一個(gè)HVDC工程是浙江舟山HVDC工程(為工業(yè)試驗(yàn)性工程),葛滬HVDC工程是我國(guó)第一個(gè)遠(yuǎn)距離大容量HVDC工程,三常HVDC工程是我國(guó)第一個(gè)輸送容量最大(3000MW)的HVDC工程,靈寶(河南省靈寶縣)背靠背HVDC工程是我國(guó)第一個(gè)背靠背HVDC工程。

我國(guó)現(xiàn)有直流輸電線路：

三、交流電在十九世紀(jì)的勝出——經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)越

從十九世紀(jì)的技術(shù)上看，首先：

1、導(dǎo)致直流電被淘汰的最主要原因是線損問題（即線路上的電能損耗）。

利用這種低壓（110V）輸電，想要長(zhǎng)距離輸送電能需要付出很多代價(jià)，首先是隨著輸送距離的增加，那么線路的等效電阻R就隨之增大，線路損耗也就增大，線損甚至能達(dá)到50%以上，也就是說，如果發(fā)電廠發(fā)出1000W的電，那么用戶可能就只得到了500W的電能，有500W的電能損耗在了輸電線路上。這樣的損耗，是任何一家發(fā)電廠都不愿意接受的。

2、電壓（電能質(zhì)量、電壓降落）問題

就如前面提到的，如果采用低壓直流輸電（110V），靠近發(fā)電廠附近的用戶能保證自己獲得的電壓接近110V，而遠(yuǎn)離發(fā)電廠的用戶可能獲得的電壓卻只有80V了，這將嚴(yán)重影響了電器的使用和壽命了。

那么有人會(huì)問？為什么不把發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓升高一點(diǎn)呢？

提升可以，可是到底還是要對(duì)用戶負(fù)責(zé)啊，假如把電壓提升到了140V，在發(fā)電廠末端的用戶將可能獲得了110V的電壓，而靠近發(fā)電廠的用戶就要承擔(dān)140V的電壓，這個(gè)電壓就超出了電器的額定電壓了，同樣會(huì)損壞電器、降低其使用壽命。

3、從繼電保護(hù)上來比較

如果使用高壓輸電，我們想要在故障時(shí)快速切斷故障電流，這時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)很大的電弧，如果不及時(shí)把這個(gè)電弧切斷會(huì)嚴(yán)重破壞電力系統(tǒng)。

交流相比直流，交流過零點(diǎn)，電弧會(huì)短暫熄滅，而直流電不存在，就斷路器的制造方面來說，交流斷路器是更容易實(shí)現(xiàn)的。

即使放到現(xiàn)在，交流斷路器已經(jīng)更新?lián)Q代了數(shù)次，技術(shù)可謂相當(dāng)成熟了，而高壓直流斷路器依然是一個(gè)較難實(shí)現(xiàn)的東西，現(xiàn)有的高壓直流斷路器也是差強(qiáng)人意。

4、還有其他的就如前面提到的發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)成本等等的問題。

四、直流電的回歸——科技帶來曙光

交流電的優(yōu)越性貌似多不勝數(shù)。
但，那只是一個(gè)相對(duì)性的問題，隨著時(shí)間推移、科技的發(fā)展，優(yōu)越性甚至?xí)蔀槠涠贪濉?br /> 交流電力系統(tǒng)也存在著其固有的弊端——系統(tǒng)穩(wěn)定性。
交流電力系統(tǒng)之間，因?yàn)榇嬖谥瞧胶?，這就涉及到兩個(gè)系統(tǒng)間的功角穩(wěn)定性問題，一旦兩個(gè)系統(tǒng)失去同步，很可能導(dǎo)致兩個(gè)系統(tǒng)都發(fā)生崩潰而停電。
而直流電不存在著功角問題，用來聯(lián)絡(luò)兩個(gè)交流系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)上述問題。
20世紀(jì)50年代后，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，整流器（將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡?a href="http://m.makelele.cn/tags/逆變器/" target="_blank">逆變器（將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡┫嗬^而生。換流閥的控制技術(shù)也進(jìn)入了一個(gè)相當(dāng)明朗的地步，切斷直流電的速度并不亞于交流斷路器。

高壓直流輸電的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、輸送相同功率時(shí)，線路造價(jià)低：

對(duì)于架空線路，交流輸電通常采用3根導(dǎo)線，而直流單極只需1根，雙極只需2根。對(duì)于電纜線路，其投資費(fèi)和運(yùn)行費(fèi)都更為經(jīng)濟(jì)，這也是越來越多的大城市采用地下直流電纜的原因。

2、線路有功損耗小：

直流線路沒有感抗和容抗，也就沒有無功損耗。其電暈損耗和無線電干擾均比交流架空線路要小。

3、沒有系統(tǒng)的穩(wěn)定問題：

交流系統(tǒng)有一定的電抗，輸送的功率有一定的極限，如果超過這極限，送端的發(fā)電機(jī)和受端的發(fā)電機(jī)可能失去同步而造成系統(tǒng)的解列。

4、能限制系統(tǒng)的短路電流；

5、調(diào)節(jié)速度快，運(yùn)行可靠。

這些優(yōu)點(diǎn)的體現(xiàn)幾乎都有賴于電力電子技術(shù)的從無到有，從開始到高速發(fā)展。