電力系統(tǒng)前沿知識講座高壓直流輸電

1、電力系統(tǒng)前沿知識講座高壓直流輸電專業(yè)年級 學 號 學生姓名 指導教師 2013 年 9 月 16 日前言高壓直流輸電在大容量、遠距離輸電的場合，尤其在我國“西電東送”和全國聯(lián)網(wǎng)中起著主導作用。目前世界上重大的高壓直流輸電工程主要集中在我國，直流輸電新技術也主要在這些工程中應用。高壓直流輸電的一些技術問題，尤其是特高壓直流輸電技術問題，不僅是中國電網(wǎng)前所未有的，而且是世界電網(wǎng)發(fā)展史中前所未有的，面臨一些世界級難題。在經(jīng)濟全球化背景下，開展高壓直流輸電的技術問題研究，解決高壓直流輸電技術和交直流混合電網(wǎng)運行中的難題，不僅對我國電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行具有重要的意義，而且將為世界電網(wǎng)技術的發(fā)展做出貢獻。目

2、錄第一章: 超高壓直流輸電原理第二章：直流輸電的優(yōu)點第三章:直流輸電的缺點第四章:主要設備第五章：直流輸電工程系統(tǒng)構成第六章：直流輸電的換流技術第七章：直流輸電的換流技術第八章：換流變壓器的保護措施第一章: 超高壓直流輸電原理高壓直流輸電線路如上圖所示。由圖中可以看出直流輸電的目的是把交流系統(tǒng)a的電能輸送到交流系統(tǒng)b中去。發(fā)電和用電系統(tǒng)都是以交流方式進行，只是輸電部分是直流方式。首先，交流發(fā)電機產生的交流電，通過系統(tǒng)a中的變壓器，把電壓值變換成需要的大小，再送到整流器，通過它把交流電變?yōu)橹绷麟姟Ｋ玫降闹绷麟?，通過直流輸電線路l輸送到用電處的逆變器，由逆變器把直流電變?yōu)榻涣麟?，最后由變壓器把?/p>

3、變器出來的交流電壓變成系統(tǒng)b應用時所需要的交流電壓第二章：直流輸電的優(yōu)點與高壓交流輸電相比較，直流輸電具有下列優(yōu)點：一、輸送相同功率時，線路造價低，對于架空線路，交流輸電通常采用3根導線，而直流只需1根(單極)或2根(雙極)導線。輸送相同功率時，直流輸電所用線材僅為交流輸電的2/3l/2。另外，直流輸電在線路走廊、鐵塔高度、占地面積等方面，比交流輸電優(yōu)越。對于電纜線路，直流電纜與交流電纜相比，其投資費和運行費都更為經(jīng)濟，這就是越來越多的大城市供電采用地下直流電纜的原因。二、線路損耗小由于直流架空線路僅用1根或2根導線，所以導線上的有功損耗較小。同時，由于直流線路沒有感抗和容抗，在線路上也就沒有

4、無功損耗。另外，由于直流架空線路具有“空間電荷”效應，其電暈損耗和無線電干擾均比交流架空線路要小，直流輸電沒有集膚效應，導線的截面利用充分。這樣，直流架空線路在年運行費用也比交流架空線路經(jīng)濟。三、適宜于海下輸電海下輸電必須采用電纜。電纜線路的電容比架空線路大得多，較長的海底電纜交流輸電很難實現(xiàn)，而采用直流電纜線路就比較容易。且電纜的絕緣在直流電壓和交流電壓作用下的電位分布、電場強度和擊穿強度都不相同。四、沒有系統(tǒng)穩(wěn)定問題交流輸電系統(tǒng)中，所有連接在電力系統(tǒng)中的同步發(fā)電機必須保持同步運行。系統(tǒng)穩(wěn)定是指在系統(tǒng)受到擾動后所有互聯(lián)的同步發(fā)電機具有保持同步運行的能力。由于交流系統(tǒng)具有電抗，輸送的功率有一定

5、的極限，當系統(tǒng)受到某種擾動時，有可能使線路上的輸送功率超過它的極限。這時，送端的發(fā)電機和受端的發(fā)電機可能失去同步而造成系統(tǒng)的解列。如果采用直流線路連接兩個交流系統(tǒng)，由于直流線路沒有電抗，所以不存在上述的同步運行穩(wěn)定問題，即直流輸電不受輸電距離的限制。另外，由于直流輸電與系統(tǒng)頻率、系統(tǒng)相位差無關，所以直流線路可以連接兩個頻率不相同的交流系統(tǒng)。五、能限制系統(tǒng)的短路電流用交流輸電線路連接兩個交流系統(tǒng)時，系統(tǒng)容量增加，將使短路電流增大，有可能超過原有斷路器的通斷容量，這就要求更換大量設備，增加大量的投資。而用直流輸電線路連接兩個交流系統(tǒng)時，直流系統(tǒng)的“定電流控制”將快速把短路電流限制在額定功率附近，短

6、路容量不因互聯(lián)而增大，有利于實現(xiàn)交流系統(tǒng)的互聯(lián)。六、調節(jié)速度快、運行可靠直流輸電通過晶閘管換流器能夠方便、快速地調節(jié)有功功率和實現(xiàn)潮流翻轉。不僅在正常運行時保證穩(wěn)定地輸出功率，而且在事故情況下，可通過正常的交流系統(tǒng)一側由直流線路對另一側事故系統(tǒng)進行支援，從而提高系統(tǒng)運行的可靠性。采用雙極線路時，假如一極出現(xiàn)故障，另一極仍能以大地或水為回路，繼續(xù)輸送一半的功率，提高了運行的可靠性。七、實現(xiàn)交流系統(tǒng)的異步連接頻率不同或相同的交流系統(tǒng)可以通過直流輸電或“交流直流交流”的“背靠背”換流站實現(xiàn)異步聯(lián)網(wǎng)運行，既得到聯(lián)網(wǎng)運行的經(jīng)濟效益，又避免交流聯(lián)網(wǎng)在發(fā)生事故時的相互影響。八、直流輸電可方便地進行分期建設和

7、增容擴建，有利于發(fā)揮投資效益雙極直流輸電工程可按極來分期建設，先建一個極單極運行，然后再建另一個極。也可以每極選擇兩組基本換流單元（串聯(lián)接線或并聯(lián)接線），第一期先建一組（為輸送容量的1/4）單極運行；第二期再建一組（為輸送容量的1/2）雙極運行；第三期再增加一組，可雙極不對稱運行（為輸送容量的3/4），當兩組換流單元為串聯(lián)接線時，兩極的電壓不對稱，為并聯(lián)接線時候，則兩極的電流不對稱；第四期則整個雙極工程完全建成。第三章:直流輸電的缺點直流輸電與交流輸電相比，有如下缺點：一、換流站的設備較昂貴。二、換流裝置要消耗大量的無功功率。直流輸電換流器需要消耗一定的無功功率，一般情況下，約為直流輸送功率的

8、50%60%，因此，換流站的交流側需要安裝一定數(shù)量的無功補償設備，一般由具有電容性的交流濾波器提供無功功率。三、產生諧波影響。換流器運行時在交流側和直流側都將產生諧波電流和電壓，使電容器和發(fā)電機過熱，換流器控制不穩(wěn)定，對通信系統(tǒng)產生干擾。一般在交流側安裝濾波器限制諧波影響。四、換流裝置幾乎沒有過載能力，所以對直流系統(tǒng)的運行不利。五、缺乏高壓直流開關。由于直流輸電不存在零點，以致滅弧較困難，目前尚無適用的高壓直流開關?，F(xiàn)在是把換流器控制脈沖信號閉鎖，起到部分開關的作用。但在多端供電式，就不能單獨切斷事故線路，而要切斷整個線路。近年來，采用新型可關斷半導體器件進行換流時，直流斷路器的功能將由換流器

9、來承擔。六、直流輸電利用大地（或海水）為回路而帶來的一些技術問題。接地極附近地下（或海水中）的直流電流對金屬構件、管道、電纜等埋設物有腐蝕作用；地中直流電流通過中性點接地變壓器使變壓器直流偏磁，產生局部過熱、振動、噪聲；以海水作為回路時，會對通信系統(tǒng)和航海磁性羅盤產生干擾。七、直流輸電線路難于引出分支線路，絕大部分只用于端對端送電。根據(jù)以上優(yōu)缺點，直流輸電適用于以下場合：(一)遠距離大功率輸電。(二)海底電纜送電。(三)不同頻率或同頻率非周期運行的交流系統(tǒng)之間的聯(lián)絡。(四)用地下電纜向大城市供電。(五)交流系統(tǒng)互聯(lián)或配電網(wǎng)增容時，作為限制短路電流的措施之一。(六)配合新能源的輸電。第四章:主要

10、設備包括換流器、換流變壓器、平波電抗器、交流濾波器、直流避雷器及控制保護設備等。換流器又稱換流閥是換流站的關鍵設備，其功能是實現(xiàn)整流和逆變。目前換流器多數(shù)采用晶閘管可控硅整流管)組成三相橋式整流作為基本單元，稱為換流橋。一般由兩個或多個換流橋組成換流系統(tǒng)，實現(xiàn)交流變直流直流變交流的功能。換流器在整流和逆變過程中將要產生5、7、11、13、17、19等多次諧波。為了減少各次諧波進入交流系統(tǒng)在換流站交流母線上要裝設濾波器。它由電抗線圈、電容器和小電阻3種設備串聯(lián)組成通過調諧的參數(shù)配合可濾掉多次諧波。 一般在換流站的交流側母線裝有5、7、11、13次諧波濾波器組。第五章：直流輸電工程系統(tǒng)構成直流輸電

11、系統(tǒng)可分為兩大類：兩端直流輸電系統(tǒng)和多端直流輸電系統(tǒng)。兩端直流輸電系統(tǒng)只有一個整流站和一個逆變站，它與交流系統(tǒng)只有連接端口，是結構最簡單的直流輸電系統(tǒng)。多端直流輸電系統(tǒng)具有三個或三個以上的換流站，它與交流系統(tǒng)有三個或三個以上的連接端口。目前世界上運行的直流輸電工程只有少數(shù)工程為多端系統(tǒng)，大多為兩端直流系統(tǒng)。1兩端直流輸電系統(tǒng)兩端直流輸電系統(tǒng)通常由整流站、逆變站和直流輸電線路三部分組成，其原理接線如圖所示。具有功率反送功能的兩端直流系統(tǒng)的換流站，既可作為整流站運行，又可作為逆變站運行；當功率反送時整流站作為逆變站運行，而逆變站則作為整流站運行。換流站的主要設備有：換流變壓器、換流器、平波電抗器、

12、交流濾波器和無功補償設備、直流濾波器、保護裝置、遠動通信系統(tǒng)、接地極線路、接地極等。兩端直流輸電系統(tǒng)構成原理圖：1換流變壓器；2換流器；3平波電抗器；4交流濾波器；5靜電電容器；6直流濾波器；7控制保護系統(tǒng)；8接地極線路；9接地極；10遠動通信系統(tǒng)直流輸電所用的換流器通常采用由12個（或6個）換流閥組成的12脈動換流器（或6脈動換流器）。早期的直流輸電工程曾采用汞弧閥換流，20世紀70年代以后均采用晶閘管換流閥。目前，已經(jīng)能制造最大容量為250kv、4000a的換流閥，以滿足特高壓直流輸電的需要。換流變壓器可實現(xiàn)交、直流側的電壓匹配和電隔離，還可以限制短路電流。換流變壓器閥側繞組所承受的電壓為

13、直流電壓疊加交流電壓，并且兩側繞組中均有一系列的諧波電流。因此，換流變壓器的設計、制造和運行均和普通電力變壓器有所不同。平波電抗器與直流濾波器共同承擔直流側濾波的任務，同時它還具有防止線路上的陡波進入換流站，防止直流電流斷續(xù)，降低逆變器換相失敗率等功能。運行時換流器的交流側和直流側都會產生諧波，所以在兩側需要裝設交流濾波器和直流濾波器。由晶閘管換流閥所組成的電網(wǎng)換相換流器，運行中還吸收大量的無功功率。因此，在換流站要利用交流濾波器提供的無功，有時還需要另外裝設無功補償裝置。保護裝置是實現(xiàn)直流輸電正常起停、正常運行、自動調節(jié)、故障處理與保護等功能的設備，它保證直流輸電運行的可靠性。20世紀80年

14、代以后，保護裝置均采用高性能的微機處理系統(tǒng)，大大改善了直流輸電工程的運行性能。為了利用大地（或海水）為回路，以提高直流輸電運行的可靠性和靈活性，兩端換流站還需要有接地極和接地極線路。換流站的接地極大多是考慮長期通過運行的直流電流來設計的，它不同于通常的安全接地，需要考慮地電流對接地極附近地下金屬管道的電腐蝕，以及中性點接地變壓器直流偏磁的增加引起的變壓器飽和等問題。兩端的交流系統(tǒng)給換流器提供換相電壓和電流，同時它也是直流輸電的電源和負荷。交流系統(tǒng)的強弱、系統(tǒng)結構和運行性能對直流輸電系統(tǒng)的設計和運行均有較大影響。另一方面，直流系統(tǒng)運行性能的好壞，也直接影響兩端的交流系統(tǒng)的運行性能。兩端直流輸電系

15、統(tǒng)可分為單極系統(tǒng)、雙極系統(tǒng)和背靠背直流系統(tǒng)三種類型。第六章：直流輸電的換流技術要實現(xiàn)直流輸電必須將送端的交流電變換為直流電，稱為整流，而到受端又必須將直流電變換為交流電，稱為逆變，它們統(tǒng)稱為換流。這種電力變換的技術就是我們所說的直流輸電換流技術。由于直流輸電的傳輸容量大、電壓高，要實現(xiàn)這種電力變換，需要有高電壓、大容量的換流設備，通常這種設備稱為換流閥。直流輸電的發(fā)展與換流技術的發(fā)展密切相關，其中大功率換流器件起著關鍵的作用。直流輸電換流技術包括實現(xiàn)換流的高壓大功率換流閥和保護裝置以及進行換流的理論和方法，而前者往往起決定性作用。直流輸電換流站由基本換流單元組成，基本換流單元主要包括換流變壓器

16、、換流器、相應的交流濾波器和直流濾波器以及保護裝置等。目前工程中采用的基本換流單元有6脈動換流單元和12脈動換流單元兩種。它們的主要區(qū)別在于所采用的換流器不同，前者采用6脈動換流器，后者則采用12脈動換流器。在汞弧閥換流時期，為了減少換流站設備的數(shù)量，降低造價，通常采用最高電壓的汞弧閥所組成的6脈動換流單元為基本換流單元。在換流站內允許一組6脈動換流單元獨立運行，在運行中可以切除或投入一組6脈動換流單元。在這種情況下，交流濾波器和直流濾波器必須按6脈動換流器的要求來配備。當采用晶閘管換流閥以后，換流閥由多個晶閘管串聯(lián)組成，可以方便地利用不同的晶閘管串聯(lián)數(shù)而得到不同的換流閥電壓，從而可得到不同電

17、壓的12脈動換流器。因此，絕大多數(shù)直流輸電工程均采用12脈動換流器作為基本換流單元，此時交流濾波器和直流濾波器只需按12脈動換流器的要求來配備，這樣可大大地簡化濾波器裝置，減小換流站占地面積，降低換流站造價。一、6脈動換流單元6脈動換流單元由換流變壓器、6脈動換流器以及相應的交流濾波器、直流濾波器和保護裝置所組成，其原理接線見圖6-5。圖6-56脈動換流單元原理接線圖1交流系統(tǒng)；2換流變壓器；36脈動換流器；4平波電抗器；5交流濾波器；6直流濾波器；7保護裝置6脈動換流單元的換流變壓器可以采用三相結構也可以采用單相結構，其閥側繞組的接線方式可以是星形接線也可以三角形接線。6脈動換流器在交流側和

18、直流側分別產生6k1次和6k次的特征諧波（k為正整數(shù)）。因此，在交流側需要配備6k1的交流濾波器，而在直流側除平波電抗器以外，對于架空線路來說通常還需要配備6k次的直流濾波器。第七章：直流輸電的換流技術保護裝置基本組成：通常，直流系統(tǒng)保護裝置采用多套冗余配置，每套有自己的計算、測量、電源等。一、保護裝置核心處理器自從有了晶體管和集成電路，直流輸電控制保護的計算系統(tǒng)使控制保護性能得到了極大改善，從模擬式發(fā)展到數(shù)字式。尤其在20世紀70年代，以微處理器為基礎的電子計算機的發(fā)展，對直流輸電控制及保護性能的提高、推動晶閘管閥為標志的直流輸電的普及與發(fā)展起了推動作用。近十多年來，直流輸電控制保護的基本功

19、能沒有發(fā)生革命性的變化。但是隨著電子信息技術的高速發(fā)展，處理器的計算速度越來越快，存儲空間越來越大，并行運行的處理器越來越多。微處理器技術遍布直流系統(tǒng)各個設備的控制和保護，比如：極控、站控（交流場/直流場）、直流系統(tǒng)保護、換流變壓器控制保護、交/直流濾波器控制保護、換流器冷卻系統(tǒng)控制保護、站用電系統(tǒng)控制保護等。二、測量裝置在直流控制保護系統(tǒng)中，測量裝置是為了向控制保護系統(tǒng)提供必要的電氣量或其他物理量輸入信息(一)直流電壓測量在換流站的直流開關場中，為了測量直流極線電壓及中性母線電壓，向直流控制及保護系統(tǒng)提供信號，直流極母線和中性母線上都需要裝設直流電壓測量裝置。(二)直流電流測量在換流器高壓側

20、及中性線側出口（通常在穿墻套管中）、直流線路入口及接地極線路入口、直流濾波器高壓端和中性端及接地的斷路器都應裝設直流電流測量裝置，向直流控制保護系統(tǒng)輸出直流電流信號（三）交流電壓測量對于交流開關場，除按常規(guī)裝設交流電壓互感器外，還在換流變壓器進線側裝設一只交流電壓互感器，向換流器控制系統(tǒng)提供換相電壓過零點信號，作為計算換流器觸發(fā)角（角）的計時參考點，向換流器提供觸發(fā)同步信號（四）交流電流測量在交流開關場中及各種濾波器回路中，為了給換流站控制和保護提供信息，需要裝設各種不同規(guī)格的交流電流互感器。用于控制目的的交流電流互感器，其精度不應低于0.2級；用于保護目的的交流電流互感器，其精度要低一些，特

21、別在被測電流遠大于額定電流值的情況。三、數(shù)據(jù)傳送裝置在直流輸電系統(tǒng)中，為了保證直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，分布在換流站的各個控制保護設備之間需要相互傳遞有關信息。原先的信息傳送采用專門的串行通道，在傳送速度和冗余上有一定的限制，并且備品、備件易受制造廠的制約。運用通用的局域網(wǎng)技術，換流站分布控制的信息傳送從專用電纜變成了局域網(wǎng)?？梢圆捎檬袌龊艽蟮膇nternet網(wǎng)絡器件，很好地克服了上述缺點。自天廣直流工程以來的直流輸電工程，在站內的分布控制系統(tǒng)的信息交換都采用了局域網(wǎng)技術。四、通信裝置在高壓直流輸電的兩個換流站之間、各換流站與各自的調度所之間，都必須配備適當?shù)耐ㄐ旁O備，用以傳遞與直流線路運行相關

22、的控制信息、保護動作信息、設備狀態(tài)信息、運行參數(shù)測量信息、運行操作信息等。對于高壓直流輸電系統(tǒng)來說，兩換流站之間沒有其他通信聯(lián)絡，只要有電話可用，也能夠運行，但是運行很不方便，一些自動化功能也難于實現(xiàn)。如果配備有良好的通信系統(tǒng)，直流系統(tǒng)的運行操作就更加容易，系統(tǒng)性能會更加完善。通信系統(tǒng)以極為基礎進行配置，目的是保證雙極中各極運行的獨立性。兩極的通信系統(tǒng)在電氣上和物理結構上都應予以分開，以便使各系統(tǒng)能夠獨立運行。需要傳送的雙極共用信息應盡可能地少，必須傳送的雙極信號應通過各極的通道同時傳送。對于每一極的通信系統(tǒng)，也應考慮信號通道多重化的要求以確?？煽啃?。第八章：換流變壓器的保護措施換流變壓器是超高壓直流輸電工程中至關重要的關鍵設備，是交、直流輸電系統(tǒng)中的換流、逆變兩端接口的核心設備。它的投入和安全運行是工程取得發(fā)電效益的關鍵和重要保證。換流變壓器的關鍵作用，要求其具有高可靠性和高技術性能。因為有交、直流電場、磁場的共同作用，所以換流變壓器的結構特殊、復雜，關鍵技術高難，對制造環(huán)境和加工質量要求嚴格。開展換流變壓器設計制造關鍵技術的研究、攻克和制造條件改造工作，不斷提高試驗手段，將有利于全面掌握換流變壓器的設計制