Chap.6-直流輸電新技術(最終版本)2014課件

2023/1/14徐永海華北電力大學電氣與電子工程學院新能源電網研究所Chap.6直流輸電新技術高壓直流輸電2023/1/142課程安排

第六章直流輸電新技術6.1特高壓直流輸電6.2強迫換相換流器6.3柔性直流輸電的發(fā)展與運行原理（專題介紹）3輸電電壓一般分高壓、超高壓和特高壓高壓（HV）：35?220kV；超高壓（EHV）：330?750kV；特高壓（UHV）：1000kV及以上。高壓直流（HVDC）：±600kV及以下；特高壓直流（UHVDC）：±750kV和±800kV。

根據國際電工委員會的定義：交流特高壓是指1000kV以上的電壓等級。在我國，常規(guī)性是指1000kV以上的交流，800kV以上的直流。

6.1特高壓直流輸電2023/1/1446.1特高壓直流輸電特高壓電網由特高壓骨干網架、超高壓、高壓輸電網、配電網以及高壓直流輸電系統共同構成的分層、分區(qū)，結構清晰的大電網。（國家電網）特高壓骨干網架

由1000kV級交流輸電網和±600kV級以上直流輸電系統構成的電網?！?00kV以上電壓的直流輸電在絕緣、電暈水平等方面與特高壓交流輸電大體相當，稱為特高壓直流輸電（UHVDCtransmission）。目前，±800kV直流輸電是技術上可行的輸電技術。特高壓直流輸電工程主要采用±800kV特高壓直流輸電。2023/1/145特高壓交流試驗示范工程“三西”煤電基地晉東南荊門武漢南陽2023/1/1466.1特高壓直流輸電特高壓令國家電網走出去更有底氣中國國際招標網(2014-05-19，作者姚雷)放眼世界電力工業(yè)，由中國國家電網公司主導突破的特高壓輸電技術，無疑是迄今為止難度最大、最復雜的一項電力技術成就。正是堅持走自主創(chuàng)新道路，我國成功攀登上了這一電力科技界的“珠穆朗瑪峰”，徹底扭轉了電力工業(yè)長期跟隨西方發(fā)達國家發(fā)展的被動局面，誕生了“中國標準”，實現了“中國創(chuàng)造”和“中國引領”。特高壓已成為中國的新“名片”。繼去年“特高壓交流輸電關鍵技術、成套設備及工程應用”項目榮獲國家科學技術進步獎特等獎之后，今年，我國特高壓直流輸電技術成功走出國門，即將應用在巴西美麗山水電站特高壓直流送出項目中。我國已掌握特高壓國際標準制定話語權“在我國，真正具備自主研制和創(chuàng)新水平且能稱得上偉大的工程，有，但是不多。剛剛建成投運的1000千伏特高壓交流試驗示范工程，可以說是名副其實的、偉大的自主創(chuàng)新工程?！?009年年初，中國科學院院士盧強在我國第一個特高壓交流工程(晉東南—南陽—荊門1000千伏特高壓交流試驗示范工程)投運后如是評價。2023/1/1476.1特高壓直流輸電特高壓令國家電網走出去更有底氣中國國際招標網(2014-05-19，作者姚雷)進入2014年，國家電網公司在國際化道路上繼續(xù)“大踏步前進”。2014年2月7日，國家電網公司與巴西電力公司組成的聯營體成功中標巴西美麗山水電特高壓直流送出項目,這是公司在海外中標的首個特高壓直流輸電項目，可將巴西北部的水電資源直接輸送到東南部的負荷中心。特高壓輸電的研發(fā)成功，大幅提升了我國在國際電工領域的影響力和話語權，中國電力工業(yè)在世界電力發(fā)展格局中的角色已由多年的追趕者變?yōu)閷嶋H的領跑者。目前，俄羅斯、印度、巴西等國已將特高壓輸電作為能源電力發(fā)展的重要方向，并積極尋求與我國的技術合作。中國特高壓技術“走出去”取得重大突破，不僅有效拓展業(yè)務發(fā)展空間，還有效帶動了上下游整個產業(yè)鏈的發(fā)展和國際競爭力的提升。有業(yè)內人士認為，繼高鐵外交之后，特高壓有望成為“中國制造”的又一張外交名片。而中國自主化輸電設備也將搭上“便車”走出國門。作為全球最大的公用事業(yè)企業(yè)，公司海外投資之路起步并不算早。然而在短短的幾年時間里，正是憑借在特高壓電網等領域領先的輸變電技術和嚴謹高效的管理能力，公司快速形成了“走出去”的核心優(yōu)勢。2023/1/1486.1特高壓直流輸電特高壓建設信息

（國家能源局決意放行交流特高壓，中國證券報，2014年05月12日）一份由電力規(guī)劃設計總院制定的電網投資方案，涉及投資超過2000億人民幣，內容包含建設十二條貫穿中國東西部的輸電通道，將內蒙、山西、陜西和云南等地的電力資源向京津冀、長三角和珠三角地區(qū)輸送，用以解決這些區(qū)域日益嚴重的霧霾和電力短缺問題。

這十二條通道為：

1.遼寧綏中電廠改接華北電網(±500千伏)

2.內蒙錫林格勒至山東特高壓交流工程

3.內蒙上海廟至山東特高壓直流工程

4.陜西榆衡至山東濰坊特高壓交流工程

5.蒙西到天津南特高壓交流工程

6.錫盟至江蘇特高壓直流工程

2023/1/1496.1特高壓直流輸電特高壓建設信息

7.淮南-南京-上海華東電網北半環(huán)特高壓交流工程(4月21日已獲國家能源局核準)

8.寧夏到浙江特高壓直流工程

9.山西到浙江，特高壓直流

10.山西盂縣電廠接入河北工程(±500千伏)

11.陜西神木到河北500KV輸電通道擴建過程

12.南方電網西電東送，麗江直送深圳特高壓直流工程

其中包含4條特高壓交流工程，5條特高壓直流工程，和3條±500千伏輸電通道，這意味著，特高壓交流獲得國家能源局放行，多年來圍繞交流特高壓的爭議終有定論。圍繞交流特高壓的爭議已持續(xù)經年，力推交流特高壓的國家電網認為該項目優(yōu)勢明顯，可以解決新能源消納、區(qū)域電力資源平衡和治理霧霾等問題；反對者則認為±500千伏超高壓和直流特高壓完全可以解決上述問題，交流特高壓經濟性差且存安全隱患，不宜開工建設。正反雙方隔空論戰(zhàn)多年，未分勝負，以致國家電網“十二五”規(guī)劃至今仍未出臺。2023/1/14106.1特高壓直流輸電特高壓建設信息（山東：2017年建成“兩交兩直”特高壓通道）新華網濟南５月１８日電（記者魏圣曜）記者近日從國網山東省電力公司服務山東經濟發(fā)展白皮書發(fā)布會上了解到，圍繞山東省“兩區(qū)一圈一帶”區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略，２０１４年山東計劃電網建設投資２３１億元，力爭今年年內核準開工“兩交一直”特高壓工程，到２０１７年建成“兩交兩直”特高壓輸電通道。根據國家電網公司部署，山東將建設“兩交兩直”（交流：“東縱”錫盟－山東、“北橫”靖邊（榆橫）－濟南－濰坊；直流：上海廟－魯南、呼盟－山東）特高壓工程。其中，“東縱”交流工程已獲得路條，具備核準開工條件；“北橫”交流工程、呼盟－山東直流工程已完成可研性分析，上海廟－魯南直流工程正在開展可研性分析。2023/1/14116.1特高壓直流輸電特高壓建設信息（山東：2017年建成“兩交兩直”特高壓通道）據國網山東省電力公司介紹，預計２０１５年前后，山東將形成３個特高壓交流落點、１個特高壓直流深入負荷中心的特高壓布局，每年可減少省內原煤消耗１９０４萬噸，減少二氧化硫排放４．２３萬噸，減少二氧化碳排放３４９１萬噸。據介紹，山東每天接納約１．３億千瓦時“外電”，相當于每天用載重４０噸的車皮運送標準煤８０節(jié)。根據工程前期進展情況和總體安排，山東將力爭年內核準開工“兩交一直”，到２０１５年上半年核準開工另一條直流，２０１７年建成“兩交兩直”特高壓輸電通道。屆時，可新增“外電入魯”受電能力２５００萬千瓦?；瓷暇€是國家電網系統首個省級電網公司屬地化現場建設管理的特高壓工程，目前江蘇境內的線路已勘查完畢，3座新建變電站范圍內的障礙物遷移工作已結束，具備了進場施工條件。2023/1/14126.1特高壓直流輸電特高壓建設信息新華報業(yè)網訊(2014-04-24，記者黃偉)繼四川錦屏至蘇州的錦蘇特高壓直流輸電投運后，江蘇將再添能源輸送“大動脈”。記者昨日獲悉，1000千伏淮南-南京-上海特高壓交流輸變電工程正式獲得國家發(fā)改委批復，進入項目建設階段。該工程起于安徽淮南，止于上海，在江蘇境內新建南京、泰州、蘇州3座特高壓變電站。759公里的線路中有519公里在江蘇境內，途經淮安、泰州、南通、蘇州等6市，并在蘇通大橋上游建設長江大跨越，預計2017年10月全線竣工。國網江蘇電力總經理尹積軍介紹，淮上線投運后將與去年投運的皖電東送南環(huán)工程形成長三角環(huán)網，提高我省接納皖電的能力，江蘇過江輸電通道的輸送能力將由目前的900萬千瓦提高到1600萬千瓦，還能大規(guī)模消納我省沿海風電，對我省能源安全保障至關重要。淮上線是國家電網系統首個省級電網公司屬地化現場建設管理的特高壓工程，目前江蘇境內的線路已勘查完畢，3座新建變電站范圍內的障礙物遷移工作已結束，具備了進場施工條件。2023/1/14136.1.1特高壓電網建設的必要性1、發(fā)電能源資源和經濟發(fā)展呈逆向分布，決定了能源資源必須在全國范圍內優(yōu)化配置運煤發(fā)電環(huán)境污染嚴重。運煤發(fā)電交通運輸壓力大。一座5GW的電廠日耗煤達4.1萬噸，對鐵路、公路的運輸壓力極大2、提高輸送容量一回1000kV輸電線路的自然功率接近5GW，約為500kV輸電線路的5倍?！?00kV直流輸電線路的輸電能力為6.4GW，是±500kV的2.1倍。能源分布，水能分布2023/1/14146.1.1特高壓電網建設的必要性3、縮短電氣距離，提高穩(wěn)定極限

1000kV輸電線路的電氣距離相當于同長度500kV的1/4～1/5。即輸送相同功率下，1000kV輸電線路的最遠送電距離是后者的4倍。

±800kV直流的經濟輸電距離為2500km及以上。4、降低線路損耗相同條件下，1000kV線損是500kV的四分之一。相同條件下，±800kV線損是±500kV的39％。2023/1/14156.1.1特高壓電網建設的必要性5、減少工程投資單位輸送容量綜合造價：1000kV輸電方案約為500kV的四分之三?！?00kV輸電方案約為±500kV的四分之三。6、節(jié)省走廊面積一回1000kV輸電線路的單位走廊輸送能力約為同類型500kV線路的3倍?！?00kV直流輸電線路的單位走廊輸送能力是±500kV的1.29倍。2023/1/14166.1.1特高壓電網建設的必要性7、降低短路電流特高壓長距離送電可減少負荷中心區(qū)裝機需求，從而降低當地電網的短路電流幅值。實現分層分區(qū)布局，優(yōu)化系統結構，從根本上解決短路電流超標問題。8、加強聯網能力UHVAC同步聯網可大大縮短電網間電氣距離，提高穩(wěn)定水平，發(fā)揮大同步電網的各項綜合效益。增強電網間功率交換能力，實現更大范圍內優(yōu)化能源資源配置。2023/1/14176.1.2特高壓輸電研究和應用概況6.1.2.1國外特高壓輸電研究和應用特高壓直流輸電技術起源于20世紀60年代，瑞典Chalmers大學1966年開始研究±750kV導線美國邦德維爾電力局（BPA） 1970年規(guī)劃建設1100kV遠距離輸電線路，建成2個試驗場。美國電力公司（AEP）規(guī)劃在765kV電網之上建設1500kV特高壓輸電骨干電網，建成特高壓試驗場。2023/1/14186.1.2特高壓輸電研究和應用概況

1977年后，美國的用電增加速度大幅下降，由5.6%降到2.4%左右，停建了大批核電廠及部分火電廠。由于環(huán)境保護要求的提高及能源結構的變化，80年代以后新建的發(fā)電廠中50%~60%是天然氣電廠，電網內沒有發(fā)展長距離大容量輸電工程的必要，因而暫時停止了特高壓輸電技術的試驗研究工作。2023/1/14196.1.2.1國外特高壓輸電研究和應用前蘇聯上世紀70年代規(guī)劃，1981年起開始建設，1985年建成并投運，電壓1150kV，線路長度約900km，特高壓變電站3座，運行性能良好。前蘇聯解體后，送端電源未能按預期運行，高壓線路負載過輕，輸送容量僅為總容量的20%，從1994年起降壓為500kV運行。其中，在額定電壓下累計運行超過5年。2023/1/14206.1.2.1國外特高壓輸電研究和應用前蘇聯1978年計劃建設±750kV直流特高壓，試制出工程所用的全套設備，兩端換流站完成了大部分土建及設備安裝工作，直流線路建成1090km。由于前蘇聯解體，該工程最終停止了建設。該工程的重要意義在于，其研究成果、設計、設備制造、線路等的建設經驗，為±800kV特高壓直流輸電的發(fā)展奠定了堅實的理論和實踐基礎。21前蘇聯1150kV輸電線路地理接線圖2023/1/14226.1.2.1國外特高壓輸電研究和應用日本 日本是世界上第二個采用交流百萬伏級電壓等級輸電的國家，從1973年開始特高壓輸電的研究。上世紀70年代規(guī)劃，80年代初開始技術研究，1999年建成1000kV同塔雙回線路427km，目前降壓500kV運行。

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日本東京電力公司建成的1000KV線路2023/1/14246.1.2.1國外特高壓輸電研究和應用意大利

規(guī)劃建設1000kV特高壓輸電骨干網，建成試驗站。后因多種原因停建。加拿大、巴西、印度加拿大、巴西分別研究過UHVAC和UHVDC技術，近年來，印度開始考慮UHVDC。意大利1000kV工程雷電沖擊試驗2023/1/14256.1.2.2國內特高壓輸電研究和應用2005年初，國網公司啟動特高壓輸電工程關鍵技術問題的研究（研究內容共113項，其中直流56項，交流57項）。北京特高壓直流試驗基地于2007年5月投入使用。西藏高海拔直流試驗基地于2008年建成。我國具備±1000kV及以下特高壓直流輸電工程在不同海拔高度下的電磁環(huán)境、空氣間隙放電特性、絕緣子污穢放電特性、直流避雷器等設備關鍵技術的試驗研究能力，試驗功能達到了世界領先水平。2023/1/14266.1.2.2國內特高壓輸電研究和應用云南---廣東±800kV特高壓直流輸電工程

輸電能力：5000MW，全長1373km。2009年12月單極帶電，2010年6月18日正式雙極投運。為世界上第一個±800kV特高壓直流輸電工程，成為當時電壓等級最高、輸送容量最大的特高壓直流輸電工程。向家壩（四川）---上?！?00kV特高壓直流輸電工程

輸電能力：6400MW，全長1907km。2008年6月開工建設，2009年12月單極帶電，2010年7月8日正式雙極投運。2023/1/14276.1.2.2國內特高壓輸電研究和應用向家壩―上?！?00千伏特高壓直流輸電示范工程線路圖2023/1/14286.1.2.2國內特高壓輸電研究和應用錦屏（四川）---蘇南±800kV特高壓直流輸電工程錦屏－蘇南±800kV特高壓直流輸電工程起點四川西昌市裕隆換流站，落點江蘇省蘇州市同里換流站。新建±800千伏換流站兩座，額定輸送容量720萬千瓦，最大連續(xù)輸送容量760萬千瓦（7600MW）；新建±800千伏直流輸電線路一回，途經四川、云南、重慶、湖南、湖北、安徽、浙江、江蘇八省市，全長約2100公里。該工程采用雙極、每極兩個十二脈動換流器串聯接線，電壓配置為“400千伏+400千伏”。換流變壓器單臺容量最大363兆伏安，采用6英寸晶閘管換流閥，每組換流器容量達190萬千瓦；運行方式靈活，可靠性高。2023/1/14296.1.2.2國內特高壓輸電研究和應用錦屏（四川）---蘇南±800kV特高壓直流輸電工程工程于2008年11月獲得國家發(fā)改委核準；計劃于2009年正式開工建設，2012年12月12日，錦屏—蘇南±800kV特高壓直流工程全面完成系統調試和試運行，正式投入商業(yè)運行。線路全長2059公里，歷經八省市，額定電壓±800千伏，額定輸送功率720萬千瓦，總投資220億元。錦蘇工程是國家電網繼特高壓交流和直流示范工程之后，建成投運的第三個特高壓輸電工程，是目前世界上輸送容量最大、送電距離最遠、電壓等級最高的直流輸電工程，代表了當前世界直流輸電技術的最高水平。工程承擔著雅礱江流域官地，錦屏一、二級水電站和四川豐水期富余水電的送出任務。2023/1/14306.1.2.2國內特高壓輸電研究和應用哈（新疆哈密）鄭（河南鄭州）特高壓工程---±800kV特高壓直流輸電工程繼向家壩—上海、錦屏—蘇南特高壓輸電工程后，國家電網公司投資自主研發(fā)、設計和建設的第三回特高壓直流工程，也是目前世界上輸送功率最大的直流輸電工程，于2014年1月27日正式投入運行。該工程是國家實施“疆電外送”戰(zhàn)略的第一個特高壓輸電工程，也是西北地區(qū)大型火電、風電基地電力打捆送出的首個特高壓工程。工程起于新疆哈密南換流站，止于河南鄭州換流站，途經新疆、甘肅、寧夏、陜西、山西、河南6省（區(qū)），線路長2192千米（

又說2210千米），額定電壓±800千伏，額定輸送功率800萬千瓦（8000MW）。與以往特高壓直流輸電工程相比，該工程輸送容量更大、送電距離更遠、技木水平更先進，代表了世界直流輸電技術的最高應用水平。2023/1/14316.1.2.2國內特高壓輸電研究和應用哈（新疆哈密）鄭（河南鄭州）特高壓工程---±800kV特高壓直流輸電工程直流線路首次采用6x1000mm/大截面導線，首次研究應用耐磨金具、Y形絕緣子串、裹體樁基礎等新技術、新工藝，自主研制并成功應用了額定電流5000A的特高壓大容量直流設備，設備國產化率達到80%以上，進一步促進了我國電網技術升級以及裝備制造業(yè)跨越式發(fā)展。每年將新疆豐富的風電、光電、火電打捆輸送給河南約400億千瓦時電量，相當于從空中向河南輸送煤炭2210萬噸。這等同于在鄭州同時投運8座100萬千瓦裝機的大電廠。400億千瓦時的清潔電能帶來的更是環(huán)境效益：減排二氧化碳3358萬噸、二氧化硫31.7萬噸、氮氧化物26.7萬噸。2023/1/14326.1.2.2國內特高壓輸電研究和應用哈（新疆哈密）鄭（河南鄭州）特高壓工程---±800kV特高壓直流輸電工程到2020年,新疆將規(guī)劃建成6條特高壓直流外送通道和2條交流外送通道,這些外送電的起點主要分布在哈密、準東和伊犁煤電基地,這些地區(qū)都具有建設相應容量外送電源的基礎。以哈密-鄭州特高壓直流線路為例,根據將火、風、光電打捆外送的要求,哈密地區(qū)風電、光電配套裝機容量將在1000萬千瓦以上,帶動哈密地區(qū)裝備制造業(yè)實現從無到有的發(fā)展,并快速形成產業(yè)聚集效應。據測算,僅哈密南-鄭州特高壓直流輸電工程就能實現700萬千瓦火電、250萬至300萬千瓦風電、20至50萬千瓦太陽能的配套外送。哈鄭工程投運后,新疆外送電能力將提升400%,每年可向河南送電500億千瓦時,相當于在鄭州同時投運8座100萬千瓦裝機的大電廠,減少排放二氧化碳4000萬噸、二氧化硫33萬噸,社會和經濟效益顯著。（注：不同來源材料，相關數據有一定出入）2023/1/14336.1.3特高壓直流輸電系統UltraHighVoltageDirectCurrenttransmission---UHVDCUHVDC的系統組成形式與超高壓直流輸電(EHVDC)相同，但單橋個數、輸送容量、電氣一次設備的容量及絕緣水平等相差很大。2023/1/14346.1.3特高壓直流輸電系統1、換流站主接線典型方式:每極2組12脈動換流單元串聯(圖a)其他方式:每極2組12脈動換流單元并聯(圖b)400kV＋400kV6英寸ETT閥運行方式靈活平抗分布在極線和中性線2023/1/14356.1.3特高壓直流輸電系統2、換流閥二重閥，空氣絕緣，水冷卻；控制角：整流器觸發(fā)角15°，逆變器熄弧角17°2023/1/14366.1.3特高壓直流輸電系統3、換流變壓器型式:單相雙繞組，油浸式短路阻抗：16%

-18%有載調壓開關:29檔，每檔1.25%

2023/1/14376.1.3特高壓直流輸電系統4、噪音治理換流變采用BOX-IN；平抗采取“穿衣戴帽”；換流站圍墻加裝隔音屏。換流變平抗2023/1/14386.1.3特高壓直流輸電系統5、換流站平面布置高、低壓閥廳及其換流變壓器采用面對面布置方式，高壓閥廳布置在兩側，低壓閥廳布置在中間。2023/1/14396.2強迫換相換流器起因：電網換相換流器要消耗大量無功功率 換流器吸收無功功率:30%-50%Pd(整流器）40%-60%Pd(逆變器) 因此，20世紀50年代有人提出強迫換相來降低換流器的無功消耗。方法：在換流器和換流變壓器之間串聯電容器來進行強迫換相2023/1/14406.2強迫換相換流器類型電容換相換流器（CCC-Capacitor

CommutationConverter)可控串聯電容換相換流器（CSCC-ControlledSeriesCapacitorConverter）CCCCSCC2023/1/14416.2.1電容換相換流器工作原理串聯電容的移相作用使換相電壓產生滯后，因此有效增大CCC逆變器關斷角，同時部分補償晶閘管換流器吸收的無功功率2023/1/14426.2.2電容換相換流器的特點1、優(yōu)點換相失敗的幾率大大減??；無功需求大大降低；換流器最大輸送功率提高；換流站甩負荷過電壓水平降低；換流閥短路電流降低；換流器交流側諧波有所減少。2023/1/14436.2.2電容換相換流器的特點2、缺點三相不對稱時可能引發(fā)換相失??；對閥的耐壓要求高；換流器直流側諧波有所增加。2023/1/14446.2.3電容換相換流器應用現狀CCC-HVD