智能輸電網(wǎng)技術(shù)

20:111第四章智能輸電網(wǎng)技術(shù)1、特高壓輸電技術(shù)2、柔性輸電技術(shù)3、智能變電站20:112特高壓輸電技術(shù)一、發(fā)展特高壓電網(wǎng)的必要性二、特高壓交流輸電三、特高壓直流輸電（重點(diǎn)）四、交、直流輸電性能比較電壓等級(jí)的劃分：交流：

330kV、500kV和750kV–超高壓；

1000kV-特高壓。直流：

±500kV、±600kV–超高壓；

>±600kV(國(guó)際)>±660kV(國(guó)內(nèi))常見±800kV和±1000kV-特高壓。一、發(fā)展特高壓電網(wǎng)的必要性1、發(fā)展特高壓電網(wǎng)是滿足電力持續(xù)快速增長(zhǎng)的客觀需要。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，我國(guó)電力工業(yè)呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢(shì)，近幾年發(fā)展更加迅猛。按照在建規(guī)模和合理開工計(jì)劃，全國(guó)裝機(jī)容量2010年達(dá)到9.5億千瓦，2020年達(dá)到14.7億千瓦；用電量2010年達(dá)到4.5萬(wàn)億千瓦時(shí)，2020年達(dá)到7.4萬(wàn)億千瓦時(shí)。電力需求和電源建設(shè)空間巨大，電網(wǎng)面臨持續(xù)增加輸送能力的艱巨任務(wù)。一、發(fā)展特高壓電網(wǎng)的必要性0.020.00431.030.492.170.993.191.353.911.894.422.185.172.486.222.829.54.514.77.401949198719952000200320042005200620102020全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量（億千瓦）全社會(huì)用電量（萬(wàn)億千瓦時(shí)）1949年～2020年我國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量、用電量圖一、發(fā)展特高壓電網(wǎng)的必要性

2、發(fā)展特高壓電網(wǎng)是電源結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化布局的必然要求。

我國(guó)發(fā)電能源以煤、水為主。西部地區(qū)資源豐富，全國(guó)四分之三以上經(jīng)濟(jì)可開發(fā)水能資源分布在西南地區(qū)，煤炭資源三分之二以上分布在西北地區(qū)；東部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，全國(guó)三分之二以上的電力負(fù)荷集中在京廣鐵路以東經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，未來(lái)的負(fù)荷增長(zhǎng)也將保持這一趨勢(shì)。一、發(fā)展特高壓電網(wǎng)的必要性華北南方東北西藏臺(tái)灣西北華中華東煤電基地水電基地負(fù)荷中心我國(guó)能源資源分布圖一、發(fā)展特高壓電網(wǎng)的必要性西部能源基地與東部負(fù)荷中心距離在800-3000公里左右，遠(yuǎn)距離、大容量輸電是我國(guó)未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2、發(fā)展特高壓電網(wǎng)是電源結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化布局的必然要求。一次能源遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，超出現(xiàn)有500千伏系統(tǒng)的輸送能力。必須發(fā)展新的高效的大容量長(zhǎng)距離輸電系統(tǒng)。土地資源短缺，輸電走廊的獲取越來(lái)越困難。輸送煤炭的運(yùn)輸壓力。環(huán)境保護(hù)面臨越來(lái)越大的困難和壓力。特高壓輸電是必然選擇一、發(fā)展特高壓電網(wǎng)的必要性

特高壓輸電具有超遠(yuǎn)距離、超大容量、低損耗送電、節(jié)約線路走廊、降低工程造價(jià)等特點(diǎn)。建設(shè)特高壓電網(wǎng)，可促進(jìn)大媒電、大水電、大核電、大規(guī)?？稍偕茉吹慕ㄔO(shè)，能夠推進(jìn)資源的集約開發(fā)和高效利用，緩解煤炭運(yùn)輸和環(huán)境的壓力，節(jié)約土地資源，在全國(guó)乃至更大范圍的優(yōu)化配置，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

一、發(fā)展特高壓電網(wǎng)的必要性前蘇聯(lián)500、750、1150KV線路統(tǒng)計(jì)故障率二、特高壓交流輸電的技術(shù)特點(diǎn)電壓等級(jí)(kV)5007501150線路平均斷開率0.5740.2060.144線路平均中斷輸電率0.2010.0970.045特高壓交流輸電可靠性1150kV線路中斷輸電率為500kV的1/4，為750kV線路的45%25℃，1000公里，超高壓、特高壓交流輸電功率損失率輸電電壓等級(jí)(kV)額定輸送功率(MW)功率損失率(%)功率損失率比值5009304.69511.8728100045302.50701特高壓交流輸電功率損失率1000kV交流輸電的功率損失率為500kV的53%不同電壓等級(jí)典型單回路線路走廊寬度電壓等級(jí)（kV）5007501150走廊寬度（m）456090走廊利用（MW/m）26.741.766.7特高壓交流輸電線路走廊輸送相同的容量下，1000kV線路的走廊寬度為500kV線路的40%，走廊利用率為500kV的2.5倍特高壓交流輸電的安全穩(wěn)定性相同導(dǎo)線截面下，1000kV線路的輸電能力為500kV線路的4倍141000kV晉東南—南陽(yáng)—荊門特高壓交流試驗(yàn)示范工程151000kV晉東南—南陽(yáng)—荊門特高壓交流試驗(yàn)示范工程1000kV晉東南—南陽(yáng)—荊門特高壓交流試驗(yàn)示范工程起于山西晉東南（長(zhǎng)治）變電站，經(jīng)河南南陽(yáng)開關(guān)站，止于湖北荊門變電站。全線單回路架設(shè)，全長(zhǎng)640公里，跨越黃河和漢江。變電容量600萬(wàn)千伏安。系統(tǒng)標(biāo)稱電壓1000千伏，最高運(yùn)行電壓1100千伏。工程于2006年8月取得國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)下達(dá)的項(xiàng)目核準(zhǔn)批復(fù)文件，同年底開工建設(shè)，2008年12月全面竣工，12月30日完成系統(tǒng)調(diào)試投入試運(yùn)行，2009年1月6日22時(shí)完成168小時(shí)試運(yùn)行投入商業(yè)運(yùn)行，目前運(yùn)行情況良好。161000kV晉東南—南陽(yáng)—荊門特高壓交流試驗(yàn)示范工程工程全面實(shí)現(xiàn)了預(yù)期建設(shè)目標(biāo)，里程碑計(jì)劃如期完成，安全實(shí)現(xiàn)了零事故目標(biāo)，質(zhì)量達(dá)到了優(yōu)良級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，文明施工和環(huán)境保護(hù)目標(biāo)圓滿實(shí)現(xiàn)，工程投資得到了有效控制，科技創(chuàng)新取得了豐富成果，設(shè)備國(guó)產(chǎn)化研制取得了歷史性突破。從2004年底開始前期工作以來(lái)，我國(guó)僅用四年時(shí)間，建成了目前世界上運(yùn)行電壓最高、技術(shù)水平最先進(jìn)、我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的交流輸電工程，標(biāo)志著我國(guó)在遠(yuǎn)距離、大容量、低損耗的特高壓輸電核心技術(shù)和設(shè)備國(guó)產(chǎn)化上取得重大突破，是我國(guó)能源基礎(chǔ)研究和建設(shè)領(lǐng)域取得的世界級(jí)重大創(chuàng)新成果，是世界電力發(fā)展史上的重要里程碑。工程的成功建設(shè)對(duì)保障國(guó)家能源安全和電力可靠供應(yīng)具有重要意義。17這是世界上首條投入商業(yè)運(yùn)行的1000KV特高壓線路。1000kV晉東南—南陽(yáng)—荊門特高壓交流試驗(yàn)示范工程送端的整流站把交流電變?yōu)橹绷麟?，正?fù)兩極導(dǎo)線將直流電能輸送到受端，受端的逆變站將直流電變換為交流電

二、特高壓直流輸電系統(tǒng)

直流輸電的特點(diǎn)適合遠(yuǎn)距離大容量輸電。適合海底電纜輸電。適合背靠背異步聯(lián)網(wǎng)。換流站造價(jià)較高。特高壓直流輸電技術(shù)特點(diǎn)特高壓直流輸電：輸電走廊更窄、成本更低，適用于大容量遠(yuǎn)距離輸電。直流輸電線路可以連接兩個(gè)異步運(yùn)行的交流系統(tǒng)?！?00kV±800kV輸送容量300萬(wàn)千瓦640萬(wàn)千瓦送電距離900公里2500公里走廊利用率6.4萬(wàn)千瓦/米8.4萬(wàn)千瓦/米特高壓直流輸電技術(shù)優(yōu)勢(shì)高壓直流聯(lián)絡(luò)線大致分以下幾類：（1）單極聯(lián)絡(luò)線；（2）雙極聯(lián)絡(luò)線；（3）同極聯(lián)絡(luò)線。

高壓直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和元件

單極聯(lián)絡(luò)線的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，通常采用一根負(fù)的導(dǎo)線，而由大地或水提供回路。考慮造價(jià)，常采用這類系統(tǒng)，對(duì)電纜傳輸來(lái)說(shuō)尤其如此。這類結(jié)構(gòu)也是建立雙極系統(tǒng)的第一步。當(dāng)大地電阻率過(guò)高，或不允許對(duì)地下（水下）金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干擾時(shí)，可用金屬回路代替大地作回路，形成金屬性回路的導(dǎo)體處于低電壓。

單極聯(lián)絡(luò)線

雙極聯(lián)絡(luò)線結(jié)構(gòu)如圖，有兩根導(dǎo)線，一正一負(fù)，每端有兩個(gè)為額定電壓的換流站串聯(lián)在直流側(cè)，兩個(gè)換流器間的連接點(diǎn)接地。正常時(shí)，兩極電流相等，無(wú)接地電流。兩極可獨(dú)立運(yùn)行。若因一條線路故障而導(dǎo)致一極隔離，另一極可通過(guò)大地運(yùn)行，能承擔(dān)一半的額定負(fù)荷，或利用換流器及線路的過(guò)載能力，承擔(dān)更多的負(fù)荷。

雙極聯(lián)絡(luò)線雙極聯(lián)絡(luò)線特點(diǎn):1、從雷電性能方面看，一條雙極HVDC線路能有效地等同于兩交流傳輸線路。正常情況下,它對(duì)鄰近設(shè)備的諧波干擾遠(yuǎn)小于單極聯(lián)絡(luò)線。通過(guò)控制（不需要機(jī)械開關(guān)）改變兩極的極性來(lái)實(shí)現(xiàn)潮流反向。2、當(dāng)接地電流不可接受時(shí)，或接地電阻高而接地電極不可行時(shí)，用第三根導(dǎo)線作為金屬性中性點(diǎn)，在一極退出運(yùn)行或雙極運(yùn)行失去平衡時(shí)，此導(dǎo)線充當(dāng)回路。第三條導(dǎo)線的絕緣要求低，還可作為架空線的屏蔽線。如果它完全絕緣，可作為一條備用線路。

導(dǎo)線數(shù)不少于兩根，所有導(dǎo)線同極性。通常最好為負(fù)極性，因?yàn)樗呻姶乓鸬臒o(wú)線電干擾小。系統(tǒng)采用大地作為回路。當(dāng)一條線路發(fā)生故障時(shí)，換流器可為余下的線路供電，這些導(dǎo)線有一定的過(guò)載能力，能承擔(dān)比正常情況更大的功率。同極聯(lián)絡(luò)線高壓直流輸電系統(tǒng)的元件（1）換流器它們完成交-直流和直-交流轉(zhuǎn)換，由閥橋和有抽頭切換器的變壓器構(gòu)成。閥橋包括6脈波或12脈波的高壓閥。換流變壓器向閥橋提供適當(dāng)?shù)燃?jí)的不接地三相電壓源。由于變壓器閥換流器的正端或負(fù)端接地。（2）平波電抗器這些大電抗器有高達(dá)1.0H的電感，在每個(gè)換流站與每極串聯(lián)，它們有以下作用：1.降低直流線路中的諧波電壓和電流；

2.防止逆變器換相失??；3.防止輕負(fù)荷電流不連續(xù)；4.限制直流線路短路期間整流器中的峰值電流。（3）諧波濾波器換流器在交流和直流兩側(cè)均產(chǎn)生諧波電壓和諧波電流。這些諧波可能導(dǎo)致電容器和附近的電機(jī)過(guò)熱，并且干擾遠(yuǎn)動(dòng)通信系統(tǒng)。因此，在交流側(cè)和直流側(cè)都裝有濾波裝置。（4）無(wú)功功率支持直流換流器內(nèi)部要吸收無(wú)功功率。穩(wěn)定條件下，所消除的無(wú)功功率是傳輸功率的50%左右。在暫態(tài)情況下，無(wú)功功率的消耗更大。因此，必須在換流器附近提供無(wú)功電源。（5）電極大多數(shù)的直流聯(lián)絡(luò)線設(shè)計(jì)采用大地作為中性導(dǎo)線，至少在較短的一段時(shí)間內(nèi)是這樣。與大地相連接的導(dǎo)線需要有較大的表面積，以便使電流密度和表面電壓梯度最小。這個(gè)導(dǎo)線被稱為電極。如前所述，如果必須限制流經(jīng)大地的電流，可以用金屬性回路的導(dǎo)體作為直流線路的一部分。（6）直流輸電線它們可以是架空線，也可以是電纜。除了導(dǎo)體數(shù)和間距的要求有差異外，直流線路與交流線路十分相似。（7）交流斷路器為了排除變壓器故障和使直流聯(lián)絡(luò)線停運(yùn)，在交流側(cè)裝有斷路器。它們不是用來(lái)排除直流故障的，因?yàn)橹绷鞴收峡梢酝ㄟ^(guò)換流器的控制更快地清除。三、直流輸電與交流輸電的性能比較

技術(shù)性可靠性經(jīng)濟(jì)性（1）功率傳輸特性

交流為了滿足穩(wěn)定問(wèn)題，常需采用串補(bǔ)、靜補(bǔ)、調(diào)相機(jī)、開關(guān)站等措施，有時(shí)甚至不得不提高輸電電壓。但是，這將增加很多電氣設(shè)備，代價(jià)昂貴。直流輸電沒(méi)有相位和功角，不存在穩(wěn)定問(wèn)題，只要電壓降，網(wǎng)損等技術(shù)指標(biāo)符合要求，就可達(dá)到傳輸?shù)哪康?，無(wú)需考慮穩(wěn)定問(wèn)題，這是直流輸電的重要特點(diǎn)，也是它的一大優(yōu)勢(shì)。三、直流輸電與交流輸電的性能比較

3.1技術(shù)性能三、直流輸電與交流輸電的性能比較

3.1技術(shù)性能（2）線路故障時(shí)的自防護(hù)能力交流線路單相接地后，其消除過(guò)程一般約0.4~0.8秒，加上重合閘時(shí)間，約0.6~1秒恢復(fù)。直流線路單極接地，整流、逆變兩側(cè)晶閘管閥立即閉鎖，電壓降為零，迫使直流電流降到零，故障電弧熄滅不存在電流無(wú)法過(guò)零的困難，直流線路單極故障的恢復(fù)時(shí)間一般在0.2~0.35秒內(nèi)。三、直流輸電與交流輸電的性能比較

3.1技術(shù)性能（3）過(guò)負(fù)荷能力交流輸電線路具有較高的持續(xù)運(yùn)行能力，受發(fā)熱條件限制的允許最大連續(xù)電流比正常輸電功率大的多，其最大輸送容量往往受穩(wěn)定極限控制。直流線路也有一定的過(guò)負(fù)荷能力，受制約的往往是換流站。通常分2小時(shí)過(guò)負(fù)荷能力、10秒鐘過(guò)負(fù)荷能力和固有過(guò)負(fù)荷能力等。前兩者葛上直流工程分別為10%和25%，后者視環(huán)境溫度而異。三、直流輸電與交流輸電的性能比較

3.1技術(shù)性能（3）過(guò)負(fù)荷能力總的來(lái)說(shuō)，就過(guò)負(fù)荷能力而言，交流有更大的靈活性，直流如果需要更大的過(guò)負(fù)荷能力，則在設(shè)備選型時(shí)要預(yù)先考慮，此時(shí)需要增加投資。（4）功率控制交流輸電取決于網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、發(fā)電機(jī)與負(fù)荷的運(yùn)行方式，值班人員需要進(jìn)行調(diào)度，但又難于控制，直流輸電則可全自動(dòng)控制。直流輸電控制系統(tǒng)響應(yīng)快速、調(diào)節(jié)精確、操作方便、能實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)控制；三、直流輸電與交流輸電的性能比較

3.1技術(shù)性能（5）短路容量?jī)蓚€(gè)系統(tǒng)以交流互聯(lián)時(shí)，將增加兩側(cè)系統(tǒng)的短路容量，有時(shí)會(huì)造成部分原有斷路器不能滿足遮斷容量要求而需要更換設(shè)備。直流互聯(lián)時(shí)，不論在哪里發(fā)生故障，在直流線路上增加的電流都是不大的，因此不增加交流系統(tǒng)的斷路容量。三、直流輸電與交流輸電的性能比較

3.1技術(shù)性能（6）電纜電纜絕緣用于直流的允許工作電壓比用于交流時(shí)高兩倍，例如35kV的交流電纜容許在100kV左右直流電壓下工作，所以在直流工作電壓與交流工作電壓相同的情況下，直流電纜的造價(jià)遠(yuǎn)低于交流電纜。三、直流輸電與交流輸電的性能比較

3.1技術(shù)性能（7）輸電線路的功率損耗比較在直流輸電中，直流輸電線路沿線電壓分布平穩(wěn)，沒(méi)有電容電流，在導(dǎo)線截面積相同，輸送有用功率相等的條件下，直流線路功率損耗約為交流線路的2/3。并且不需并聯(lián)電抗補(bǔ)償。三、直流輸電與交流輸電的性能比較

3.1技術(shù)性能（8）調(diào)度管理由于通過(guò)直流線路互聯(lián)的兩端交流系統(tǒng)可以又各自的頻率，輸電功率也可保持恒定（恒功率、恒電流等）。對(duì)送端而言，整流站相當(dāng)于交流系統(tǒng)的一個(gè)負(fù)荷。對(duì)受端而言，逆變站則相當(dāng)于交流系統(tǒng)的一個(gè)電源?；ハ嘀g的干擾和影響小，運(yùn)行管理簡(jiǎn)單方便，對(duì)我國(guó)當(dāng)前發(fā)展的跨大區(qū)互聯(lián)、合同售電、合資辦電等形成的聯(lián)合電力系統(tǒng)，尤為適宜。三、直流輸電與交流輸電的性能比較

3.1技術(shù)性能（9）線路走廊按同電壓500kV考慮，一條500kV直流輸電電線路的走廊約40m，一條500kV交流線路走廊約為50m，但是1條同電壓的直流線路輸送容量約為交流的2倍，直流輸電的線路走廊其傳輸效率約為交流線路的2倍甚至更多一點(diǎn)。三、直流輸電與交流輸電的性能比較

3.1技術(shù)性能優(yōu)點(diǎn)：1）線路造價(jià)低，走廊窄。2）直流輸電電纜輸送容量大，造價(jià)低，損耗小，不易老化，壽命長(zhǎng)，輸送距離不受限制。3）無(wú)同步穩(wěn)定性問(wèn)題，有利于長(zhǎng)距離大容量送電。4）可異步運(yùn)行。三、直流輸電與交流輸電的性能比較

優(yōu)點(diǎn)：5）可以改善所連交流系統(tǒng)運(yùn)行特性。6）可分期投資建設(shè)。7）電網(wǎng)管理方便。8）可隔離故障，有利于避免大面積停電。三、直流輸電與交流輸電的性能比較

下列因素限制了直流輸電的應(yīng)用范圍：（1）直流斷路器的費(fèi)用高；（2）不能用變壓器來(lái)改變電壓等級(jí)；（3）換流設(shè)備的費(fèi)用高；（4）由于產(chǎn)生諧波，需要交流和直流濾波器，從而增加了換流站的費(fèi)用；（5）控制復(fù)雜。三、直流輸電與交流輸電的性能比較

克服以上缺點(diǎn)，依賴技術(shù)是：（1）直流換流器的進(jìn)展；（2）晶閘管的模塊化結(jié)構(gòu)和額定值增加；（3）換流器采用12或24脈波運(yùn)行；（4）采用氧化金屬變阻器；（5）換流器控制采用數(shù)字和光纖技術(shù)。三、直流輸電與交流輸電的性能比較

三、直流輸電與交流輸電的性能比較

3.2可靠性整個(gè)系統(tǒng)的可靠性從強(qiáng)迫停運(yùn)率和電能不可用率兩個(gè)方面進(jìn)行衡量。（1）強(qiáng)迫停運(yùn)率

名稱交流直流交流直流單回雙回單極雙極單回雙回單極雙極線路（次/百公里/年）0.299