第三届电力电子科普作品创作大赛-入围奖 

清华大学  董磊

自 19 世纪末爱迪生点亮了第一盏白炽灯之后，电能的应用与普及已有 100 多年。电力走入千家万户离不开输电，它既是连接发电厂到用户的“桥梁”，也是互联不同地区、不同国家能源的“血脉”。

直流输电（DC）和交流输电（AC）则是其中两大巨头，其中直流电的电压电流方向不随时间改变，而交流电的电压电流方向则随时间作周期性变化。从“电流之战”到“互补发展”，输电技术的蓬勃发展，离不开交直流输电的“内卷”。

 图 1 交流电与直流电

一、 电流之战

19 世纪 80 年代，爱迪生推动直流电成为了美国的电力系统标准。然而在 1893 年芝加哥世博会照明权的争夺上，爱迪生与他的通用电气公司却败给了尼古拉.特斯拉与西屋公司。通用电气提出了点亮 9.2万盏灯的方案，将总额一降再降，从 170 万美元降至不到 45 万美元，也未能阻止西屋公司以 40 万美元夺魁。“少花钱”的西屋公司居然还“办大事”，于开幕式同时点亮了 7 万盏弧光灯，13 万盏白炽灯。如此空前的“性价比”，需要归功于“后来者”交流输电技术。

想要点亮更多的灯泡，驱动更多的电器，就需要通过导线（当时是铜缆）输送更多的电能，可以用焦耳定律进行计算：P = UI

电能在输送时，会因为导线上的电阻产生损耗：Q = i²R，_ΔU = IR

经过推导得出，在输送相同电能的条件下，输电电压越高，电流就越低，在导线上产生的电压跌落与损耗就越小。为了提升输电效率，必须提升输电电压。

交流电的电压电流方向随时间作周期性变化，根据安培环路定律， 交流电可以产生变化的磁场，在磁导体中产生变化的磁通量。而根据

 电磁感应定律，只有变化的磁通量可以生成感应电动势，完成电-磁- 电的变换。基于以上原理，人们研制出了交流变压器，将电线缠绕成   线圈（环路）放大磁场，在铁芯（磁导体）中进行传递，只需调节磁  芯两端的线圈数量，交流电就可以轻松实现电压的升降。

图 2 降压变压器案例

直流电“不变”的电压只能产生恒定的磁场，无法利用电磁感应定律完成磁-电转换，继而无法应用变压器，也没有其他良好的升压手段。当年，直流输电系统电压仅为 110V，只能给方圆 1 公里的区域供电输送几百千瓦的电力。而交流电则在世博会后趁热打铁，支撑了世界上第一座水电站——尼亚加拉瀑布水电站-布法罗输电工程， 其输电电压为 11000V，输电距离约 45 公里，输电功率 3700 千瓦。输电功率与距离上几十倍的领先，一举奠定了交流输电的地位。

 图 3 尼亚加拉水电站发电机组

二、 优势互补

随着电能的普及与电力需求的增长，输电功率一路飙升，交流输  电的电压也一路走高，当年“几十倍领先”直流电的水电站，如今也  被我国 1000kV 特高压工程“一千倍”领先了，在这个过程中，也逐渐出现了新的问题。

图 4 我国交流输电电压等级

第一个问题是不同交流电网互联的问题，这个问题最突出的国家  是日本。由于历史原因，日本交流输电网的频率（交流电一秒变换的  次数）不同：西部为 60Hz，东部为 50Hz。东西界限也不是非常分明，静冈县，新潟县甚至存在“县西 60Hz，县东 50Hz”的尴尬情况。

图 5 日本东西电网分界

频率不同的交流电是不能直接互联的。两者的叠加将会形成“四不像”，失去交流电波形，继而引起电网、电器故障。为了“撮合”两边频率不等的交流电，直流电重新出马，为两侧交流电网“牵线搭桥”。

图 6 交流电直接叠加的后果

图 7 直流电牵线 50-60Hz-日本东清水变电所

第二个问题则是电磁感应定律的“背叛”。电磁感应现象不仅发生在变压器的磁芯上，也发生在输电线路本体上，造成交流输电的出  现了更大的损耗。

电磁感应使得输电线路中中流过的电流也和变压器中一样，存在   着“电-磁-电”的能量转换过程，这一过程会阻碍交流电电流的变化。为了“推动”这些阻碍，需要额外的能量，这部分能量以磁场的形式存储在输电线路中，被称作无功功率。

好消息是，磁场能量最终还是会转化为电能，在电源和负载间流动，并不会被消耗掉。坏消息是，“推动”需要导线上输送的电流大于实际消耗的电流，继而引起更大的损耗和电压跌落，增加了输电设备的负担。有人将无功功率比作可乐上的泡沫，尽管它喝不着（没有做功），却占据了杯子的空间（输电设备容量），而这是可乐本身的性  质决定的（物理定律）。

图 8 可乐与无功功率

电磁感应的另一个后果则是趋肤效应。变化的磁场感应的电压在  输电线路内部形成涡流，在导体的内侧涡流与原电流抵消，外侧涡流  则增强了原电流。

图 9 趋肤效应原理

这一结果导致输电线路的横截面积没有被完全利用，导致导线电阻增大，传输电流时效率减低，耗费金属资源。

图 10 趋肤效应结果

在短距离、低电流条件下，电磁感应的“掣肘”并不明显，被升高电压带来的效率所掩盖。随着输送功率的飞速增长，电磁效应的坏处日益凸显。而直流电则因为没有电磁感应，也便没有这些“包袱”，从而在长距离，大功率的输电中重新建立了优势。此外，目前交流输电多为三相输电，需要至少三根输电线，而直流电只需要正负两根线，  在长距离输电中，一根导线的成本节约也非常可观。

三、 电力电子

直流电能够与交流电“优势互补”的技术前提，是它的电压等级已经能与交流电并驾齐驱。这一前提的实现，并不是因为出现了“直流变压器”，而要归功于电力电子技术。电力电子技术实现了高电压下交流电与直流电间的相互转换，才能让我们在应用中扬长避短。

电力电子技术是应用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，在输电领域，电力电子技术的典型应用是换流站。在输电的始端， 换流站内的整流器将高压交流电转为直流电进行输送；而在末端换流站将直流电转换为交流电。

图 11 换流站示例

电力电子器件，或称为电力电子开关，是上图换流站中“桥”的 物理组成部分。如今在输电应用的电力电子开关普遍具有导通关断均 可由电信号控制的特点，并可在极高频率下开关，这是交直流输电互 相转换的物理基础。下图是一个三相多电平逆变器，它可以将直流电 转为三相交流电，左侧有三个由 4 个开关组成的单元，通过控制 14 开关导通，23 开关导通或是全关断，各单元可以输出+Vdc，0，-Vdc 三种直流电压，三个单元的叠加则可输出 7 种直流电压（-3Vdc 至 3Vdc）

图 12 多电平变换器结构图

在组合电力电子开关形成变换器后，我们还需要控制技术，适时调节各路开关的通断，才能实现交直流电的转换。在图 12 变换器中， 通过控制 12 个开关的通断，可以输出-3Vdc 至 3Vdc 阶梯波，再使用图 11 中的交流滤波器最终输出三相交流电。

图 13 控制技术-从阶梯波到交流电

四、 互补发展

交流电与直流电的互相内卷仍没有停止，而新一轮的内卷都体现在对电力电子技术的深度应用上。

直流输电的输电电压、电流仍在不断上升，一旦出现短路故障， 电流还将膨胀数倍，传统的机械开关难以快速切断短路的超大电流。结合电力电子器件的混合式高压直流断路器有力地支撑了机械开关， 提升了断路器开断电流上限与开断速度。正常情况下，电流通过机械开关流动；故障时，机械开关断开，电流切换至电力电子器件，再通过电力电子器件实现超大电流开断。

图 14 混合式直流高压断路器原理

交流输电则在逐步实现其构成装置的电力电子化，形成了更灵活、更可调的柔性交流输电系统（FACTS）。其中的集大成者为 UPFC（统 一功率流控制器）。该装置的本质是一个直流转交流的变换器，可以 向交流输电线路注入可控电压向量，实现输电线路有功功率和无功功 率的快速独立控制，兼具电压调节等功能。

图 15 UPFC-柔性交流输电的“最终兵器”

相信随着交直流输电吸收应用更多的电力电子技术与其他新技术，这一“内卷”能够最终形成更广阔，更高效的能源输送网络，让我们能够更高效、更灵活地输送更庞大的能源。