直流輸電技術1

直流輸電技術哈爾濱工業(yè)大學電氣學院劉瑞葉第1章直流輸電的發(fā)展及特點1.1直流輸電的發(fā)展1.1.1、國外的發(fā)展概況1882年法國物理學家惠普勒直流發(fā)電機:1.5~2kV直流電壓,57km線路輸送成功將直流發(fā)電機串聯組成高壓直流送電端1912100kV,15MW,190km大容量直流發(fā)電機換向困難，串聯運行復雜可靠性低——限制了發(fā)展19世紀末，交流發(fā)電機制造成功，交流發(fā)電、輸電替代了直流1928年具有柵控能力的汞弧整流閥研制成功交流——轉換成直流1954年瑞典大陸－－－哥特蘭島，９０km水下電纜，２０ＭＷ晶閘管（可控硅）20世紀60年代問世１、１９５４年以前－－試驗性階段１）參數較低幾十千伏、幾兆瓦－－幾十兆瓦、幾十千米－－一百多千米２）換流裝置采用汞弧閥３）發(fā)展較慢

這一階段的代表性工程有：１）德國的愛爾巴－－柏林工程（1945年）其主要參數為：電壓±220kV，輸送容量6OMW，輸送距離115km（電纜），采用汞弧閥。２）瑞典的脫羅里赫坦－－密里路特工程（1945年）其主要參數為：電壓±45kV，輸送容量６.５MW．架空線路長度５０km，采用汞弧閥。３）原蘇聯的卡希拉－－莫斯科工程（1950年）其主要參數為：電壓±２００kV、輸送容量30MＷ、輸送距離１１２kｍ（電纜），采用汞弧閥（現已改為晶閘管閥）。

2、1954年至1972年－－發(fā)展階段1)換流裝置仍采用汞弧閥，不僅參數有很大的提高，而且質量也有很大的改善,直流輸電進入了工業(yè)實用階段2)采用直流輸電具有多方面的目的:水下輸電不同頻率連接遠距離，大功率

典型工程：哥特蘭島——第一條商業(yè)經營的HVDC（20MW,110kV,96km)單極電纜（比建熱電廠，交流電纜經濟）伏爾加格勒-頓巴斯（1962-1965）——首例架空直流輸電（470km，720MW，±400kV，900A）——加強交流弱聯系系統(tǒng)佐久間互聯（1965，1993改晶閘管）——首個背靠背交流互聯50Hz，60Hz）零距離，300MW，±125kV撒丁島（意大利1967，1987）——單極大地與海水作為回流方式200MW,撒丁島架空線-海纜-科西嘉島架空線-海纜-意大利本土架空線1987年擴建至300MW，在corsica島建分支換流站——首個三端直流輸電

美國的太平洋聯絡線（1970）——與兩條交流500kV,60Hz線路并聯其架空線路1372km、±４００kV，1440MW抑制低頻振蕩,北部水電—南部負荷，86年改晶閘管，+1920MW，89年并接晶閘管閥+1100MW３、1972年到現在－－大力發(fā)展階段1972年，加拿大的伊爾河直流輸電工程首次采用晶閘管閥的大型工程（可控硅閥）。BTB2×80kV，320MW，4800個SCR，40個單元模塊１）新建設的直流工程幾乎全部采用晶閘管２）直流輸電工程幾乎全是超高壓工程３）單回線路的輸電能力比前階段有了很大增加４）發(fā)展速度很快，且規(guī)模越來越大卡拉哈-巴薩(1978)——首個極間電壓超百萬伏級1920MW,1360km,±533kV（首個跨國過程）斯奎爾比特（1977）——首次采用12脈動換流器750km，500MW,±250kV（驗證了輸電比輸煤發(fā)電經濟）北海道-本州——首次采用光觸發(fā)晶閘管167km(43km電纜），600MW，±125kV伊泰普（1986）

6000MW,2個雙極±600kV線路并聯運行，每極4個12脈波水冷閥換流器坎頓斯德-康福德（1986）美——加，690MW，雙極450kV后擴充三個端口——多端系統(tǒng)，1500km英吉利海峽1986擴建增加兩個1000MW,雙極270kV，8條電纜多個廠家不同類型換流器，裝SVC波羅的海1994——接地極，電纜，有源濾波先進巴斯海峽2005——電纜最長298.3km1.2.2、我國高壓直流輸電的發(fā)展情況１、實驗裝置建設及換流設備研制中國的直流輸電是在1958年考慮長江三峽水利資源的開發(fā)以及三峽電站的電力外送問題時提出的。1963年在中國電力科學研究院建成１０００V、５A的直流輸電物理模擬裝置。20世紀70年代以后，對該套裝置進行了技術更新和改造，用晶閘管替換了原來的閘流管并采用了數字式的控制保護系統(tǒng)。1977年在上海將報廢的交流電纜改成直流實驗線路８０年代，葛－－南大型直流輸電工程的技術引進．從瑞士ＢＢＣ公司引進了一套先進的大型直流輸電模擬裝置90年代，在該套裝置上又增加了全數字化的直流輸電仿真系統(tǒng)（ＲＴＤＳ），并且與暫態(tài)網絡分析裝置（ＴＮＡ）相連，從而具備了進行更大規(guī)模試驗研究工作的能力。２、直流輸電工程建設20世紀80年代，中國開始建設直流輸電工程，到2005年已有８項直流輸電工程投入運行。1）舟山直流輸電工程１９８０年國家確定全部依靠自己的力量建設中國第一項直流輸電工程，它既解決了浙江大陸向舟山本島的輸電問題，又具有向建設大型直流輸電工程過渡的工業(yè)性試驗性質。工程的第一期為單極金屬回線方式，-100kV,500A,50MW。第一期工程于1984年開始施工，1987年進行調試并投入試運行，1989年正式投人商業(yè)運行。工程的最終規(guī)模為雙極±100kV,500A,100MW，線路全長54km。2、葛洲壩一南橋直流輸電工程（簡稱葛一南直流工程）1982年開始對葛洲壩水電站向華東送電進行可行性研究，由于直流輸電在遠距離輸電和聯網方面的優(yōu)點，最終選擇了直流輸電方案。該工程既解決了葛洲壩電站向華東上海地區(qū)的送電問題，又實現了華中與華東兩大電網的非同期聯網，它具有輸電和聯網的雙重性質。葛－－南直流工程為雙極±５００kV、１200A、1200MW，輸送距離約１０４５ｋm。1985年10月開工，1989年9月極１投入運行，1990年8月全部工程建成，并投人商業(yè)運行。原瑞士BBC公司和德國西門子公司提供。(ABB=瑞典ASEA+瑞士BBC）３、天生橋－－廣州直流輸電工程（簡稱天一廣直流工程）1991年開始進行可行性研究，1997年與德國西門子公司簽訂了供貨合同，2000年12月極１投人運行，2001年工程全部建成。該工程為西電東送工程的一部分。直流工程為雙極±500ｋＶ、1800A、1800ＭＷ，西起天生橋水電站附近的馬窩換流站，東至廣州的北郊換流站。全長約960kｍ。４、嵊泗直流輸電工程嵊泗直流輸電工程是中國自行設計和建造的雙極海底電纜直流工程。主要解決從上海向嵊泗島及寶鋼馬跡山碼頭的送電問題，同時也專慮到嵊泗島上的風力發(fā)電發(fā)展到一定規(guī)模時也具有向上海反送的功能，工程的主要特點是受端為弱交流系統(tǒng)。工程為雙極±50ｋＶ、６００A、６０ＭＷ，共66.2km，其中59.7km為海底電纜。1996年完成各種研究工作，1997年進行設備訂貨，2002年工程全部建成。除控制保護裝裝置由許繼電氣股份有限公司供貨外，其余全部設備均由西安電力機械股份有限公司承包。５、三峽－－常州直流輸電工程（簡稱三－－常直流工程）主要為解決三峽水電站向華東電網的送電問題，同時也加強了華中與華東兩大電網的非同期聯網。工程為雙極±500ｋＶ、3000A、3000ＭＷ，全長約860Ｋｍ。工程于2002年12月極1投入運行，2003年5月全部建成。2004以后投入的直流工程三峽－－廣東直流輸電工程(2004.2-6)工程為雙極±500ｋＶ、3000A、3000ＭＷ，全長約960km。ABB貴州－－廣東直流輸電工程(2004.6)工程為雙極±500ｋＶ、3000A、3000ＭＷ，全長約960km。siemens靈寶背靠背直流工程（2005）360MW、120kV、3000A三峽－－上海（2006）3000MW，1040km貴州－－廣東第２回直流輸電(2007)3000MW。125km1.2直流輸電系統(tǒng)的構成1.2.1高壓直流輸電的分類1)長距離直流輸電（海島，遠距離送電）2)背靠背方式直流輸電3)交、直流并列輸電方式4）交、直流疊加輸電（研究階段、無工程實例）

直流不受功角穩(wěn)定限制，交流有中間落點5）三極直流輸電（換流器組合拓撲，利用已有交流通道）試驗階段1.2.2直流系統(tǒng)的構成1）直流單極輸電70年代建設的太平洋聯絡線——1為回流導體2）直流雙極輸電

3）直流多回線輸電4）多端直流輸電并聯樹枝型并聯環(huán)網型1.3高壓直流輸電特點及適用的場合一、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。直流輸電對其線路走廊、鐵塔高度、占地面積等方面，也比交流輸電優(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濟。二、線路有功損耗小由于直流架空線路僅使用１根或2根導線，所以在導線上的有功損耗較小。同時，由于直流線路沒有感抗和容杭，在線路上也就沒有無功損耗。三、適宜于海下輸電海下輸電必須采用電纜。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，以同樣截面積的油浸紙絕緣電纜為例，用于直流時的允許工作電壓比在交流下約高3倍。因此，在有色金屬和絕緣材料相同的條件下，2根芯線的直流電纜線路輸送的功率比3根芯線的交流電纜線路輸送的功率P大得多。所以海下輸電采用直流電統(tǒng)在投資上比采用交流電纜經濟得多。

國際上對架空線路其等價距離約為500-700km，電纜線路約為20-40km四、沒有系統(tǒng)的穩(wěn)定問題——互聯性在交流輸電系統(tǒng)中，所有連接在電力系統(tǒng)的同步發(fā)電機必須保持同步運行。所謂“系統(tǒng)穩(wěn)定”，就是指在系統(tǒng)受到擾動后所有互聯的同步發(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。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，由于系統(tǒng)容量增加，將使短路電流增大，有可能超過原有斷路器的遮斷容量，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，就不存在上述問題，這對于交流系統(tǒng)的互聯具有極大的實用價值。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)有功功率和實現潮流翻轉?！＿\行時保證穩(wěn)定地輸出功率，——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)進行緊急支援。在交、直流線路并聯運行時，當交流系統(tǒng)發(fā)生短路，可暫時增大直流輸送的功率以減小發(fā)電機轉子加速，從而提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。單極運行直流輸電的缺點一、換流站的設備多、結構復雜價格昂貴二、換流裝置要消耗大量的無功功率三、換流裝置是一個諧波源，在運行中要產生諧波，影響系統(tǒng)的運行四、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、由于目前高壓直流斷路器還處于研制階段，所以阻礙了多端直流系統(tǒng)的發(fā)展六、以大地作為回路的直流系統(tǒng)，運行時會對沿途的金屬構件和管道有腐蝕作用，以海水作為回路時，會對航海導航儀表產生影響。

直流輸電的應用根據ＨＶＤＣ的優(yōu)缺點，直流輸電適用于以下場合：1）遠距離大功率輸電2）海底電纜送電3）不同頻率或同頻率非周期運行的交流系統(tǒng)之間的聯絡4）用地下電纜向大城市供電5）交流系統(tǒng)互聯或配電網增容時，作為限制短路電流的措施之一6）配合新能源的輸電1.4直流輸電的最新研究方向世界各國在現有直流輸電工程設計、建設和運行經驗的基礎上，正廣泛深入地開展如下的研究工作：l）研究電壓更高、容量更大的晶閘管元件，改進換流閥的機、電、熱各方面的結構，以進一步降低換流器的造價和提高可靠性。

2）研究采用大規(guī)模集成電路元件和微機處理技術，充分發(fā)揮直流輸電優(yōu)越的調節(jié)性能，以適應各種運行工況的需要。

3）研究交、直流的并列運行和調節(jié)，以提高輸送功率極限。采用靜止無功功率補償裝置，以進一步提高直流聯絡線的性能。4）研究更大斷流容量的高壓直流斷路器和發(fā)展多端直流系統(tǒng)。5）研究高壓直流電場以及電暈、無線電干擾對環(huán)境的影響。6）研究高次諧波的測量方法和消除諧波的新措施及裝置。7）進一步開展直流輸電系統(tǒng)的數字仿真及其計算方法的研究。8）進一步開展高壓直流系統(tǒng)可靠性計算方法的研究。9）開展高壓直流過電壓、直流污穢及絕緣配合的研究。換流器件最新發(fā)展GTO，IGBT,IGCT實現的換流器不依賴所聯交流電網實現自身換向送入交流網的有功無功可控諧波少，減少濾波器的造價可以向弱交流系統(tǒng)輸電1.5直流輸電新技術1.5.1器件換向直流輸電(全控器件）電壓源、電流源型換流器，輕型直流輸電無需換流變壓器、直流濾波器、平波電抗器、無功補償器，簡化了交流濾波器設備少，結構簡單低于±150kV，小于200MW有優(yōu)勢傳統(tǒng)的——不能向小容量交流系統(tǒng)供電，產生的諧波次數低容量大，換流器吸收無功，換流站投資大——在220kV以上用多端直流互聯風電場并網海上鉆井平臺/孤島供電電網互聯/電力交易太陽能發(fā)電并網特大城市供電柔性直流輸電典型應用領域閥基控制器機柜換流閥機柜柔性直流輸電關鍵技術研究柔性直流輸電系統(tǒng)低壓樣機原理及實物圖我國首條自主知識產權的上海南匯風電場柔性直流示范工程建設正在開展，預計將于2010年底投運。工程的投運將打破ABB在柔性直流輸電工程上的獨家壟斷地位。柔性直流輸電示范工程建設示范工程換流站效果圖示范工程原理圖柔性直流輸電示范工程建設柔性直流輸電換流閥閥子模塊柔性直流輸電換流閥模塊通過自主知識產權的技術開發(fā)，中國電力科學研究院已掌握了柔性直流輸電的基礎理論、設備研發(fā)、工程應用等多方面的關鍵技術；目前已完成柔性直流輸電換流閥等系列關鍵設備的工程樣機研制和部分試驗，正在開展相應的工程設備制造和試驗平臺建設。上海南匯風電場±30kV柔性直流輸電接入示范工程預計將于2010年底投運