高壓直流輸電

關(guān)于高壓直流輸電講座提綱一、高壓直流輸電的基本概念二、換流電路的工作原理三、換流站的主要設(shè)備四、高壓直流輸電的控制五、直流系統(tǒng)的諧波六、高壓直流輸電線路七、柔性輸電（FACTS）技術(shù)第2頁,共67頁，2024年2月25日，星期天一、高壓直流輸電的基本概念1.1高壓直流輸電的發(fā)展歷史1.2直流輸電的基本原理1.3直流輸電系統(tǒng)的分類1.4直流輸電的優(yōu)缺點1.5交流輸電與直流輸電比較的等價距離第3頁,共67頁，2024年2月25日，星期天1.1高壓直流輸電的發(fā)展歷史一、國外的發(fā)展概況

高壓直流輸電從1954年世界上第一條工業(yè)性直流輸電線路投入運行以來，已有50多年的歷史。50多年來，世界各國已先后投入了60多個直流輸電工程，總的輸送容量達(dá)到10000萬kW左右，其發(fā)展概況如圖1.1所示。第4頁,共67頁，2024年2月25日，星期天圖1.1直流輸電的發(fā)展概況

如果連同1954年以前的直流工程，我們把直流輸電的發(fā)展大致分為如下三個階段：

1.1954年以前——試驗性階段

2.1954年至1972年——發(fā)展階段

3.1972年到現(xiàn)在——大力發(fā)展階段第5頁,共67頁，2024年2月25日，星期天1.1高壓直流輸電的發(fā)展歷史二、我國高壓直流輸電的發(fā)展情況

50年代，我國關(guān)于直流輸電技術(shù)的研究工作就開始起步，但發(fā)展曲折而緩慢，而且從設(shè)計、運行、制造等方面來看，與世界先進(jìn)水平還有相當(dāng)大的差距。浙江舟山直流輸電工程是我國第一個直流輸電試點工程，為發(fā)展我國的直流輸電技術(shù)進(jìn)行探索、積累經(jīng)驗。葛州壩上海-南橋直流輸電工程是我國第一個跨地區(qū)、跨系統(tǒng)的超高壓、遠(yuǎn)距離直流輸電工程。三峽工程;天-廣工程;貴-廣工程;向家壩-上海；云-廣工程;錦屏-蘇南；我國正在設(shè)計或擬議中的其它工程有：西北-華北直流輸電互聯(lián)工程、寶雞-成都直流輸電工程……第6頁,共67頁，2024年2月25日，星期天1.2直流輸電的基本原理

圖1.2簡單直流輸電系統(tǒng)原理圖圖中包括兩個換流站和及直流輸電線路。兩個換流站的直流端分別接在直流線路的兩端，而交流端則分別連接到兩個交流電力系統(tǒng)Ⅰ和Ⅱ。換流站中主要裝設(shè)有換流器，其作用是實現(xiàn)交流電與直流電的相互轉(zhuǎn)換。第7頁,共67頁，2024年2月25日，星期天1.3直流輸電系統(tǒng)的分類一、單極線路方式

單極線路方式是用一根架空導(dǎo)線或電纜線，以大地或海水作為直流輸電系統(tǒng)。二、雙極線路方式

雙極線路方式有兩根不同極性（即正、負(fù)）的導(dǎo)線，可具有大地回路或中性線回路。它有雙極兩線中性點兩端接地方式、雙極中性點單端接地方式、雙極中性線方式、“背靠背”換流方式四種方式。第8頁,共67頁，2024年2月25日，星期天1.4直流輸電的優(yōu)缺點優(yōu)點：1、輸送相同功率時，線路造價低2、線路有功，無功損耗小3、適宜于海下輸電4、沒有系統(tǒng)的穩(wěn)定問題5、能限制系統(tǒng)的短路電流6、調(diào)節(jié)速度快，運行可靠7、不同頻率系統(tǒng)間的聯(lián)絡(luò)缺點：1、換流站的設(shè)備較昂貴題2、換流站裝置要消耗大量的無功功率題3、由于要增設(shè)交流和直流濾波器使直流輸電的投資增大4、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5、高壓直流斷路器的應(yīng)用困難6、干擾和腐蝕問題第9頁,共67頁，2024年2月25日，星期天1.5交流輸電與直流輸電比較

的等價距離

在輸送功率相同和可靠性指標(biāo)相當(dāng)?shù)目杀葪l件下，直流輸電與交流輸電相比，雖然換流站的投資要高，但是直流輸電線路的投資比交流輸電線路的投資要低。如果當(dāng)輸電距離增加到一定值時，采用直流輸電其線路所節(jié)省的費用，剛好可以抵償換流站所增加的費用（即交直流輸電的線路和兩端設(shè)備的總費用相等），這個距離就稱為交、直流輸電比較的等價距離（break-even-distance)。如右圖所示。圖1.3交直流輸電比較的等價距離第10頁,共67頁，2024年2月25日，星期天二、換流電路的工作原理換流電路主要由換流器組成，換流器功能是進(jìn)行交流-直流或直流-交流的變換，前者稱為整流，后者稱為逆變。2.1整流器的工作原理圖中、、分別表示換流器交流側(cè)三相電勢；表示交流系統(tǒng)每相的等值電感。1、理想情況下的工作原理所謂理想情況是指換流橋上、下半橋各有一個閥導(dǎo)通，不考慮變壓器漏抗造成的選弧

（即重疊角＝0)，也不考慮閥導(dǎo)通時的延遲（即延遲角）。

圖2.1單橋整流器原理接線圖圖2.2交流相電壓的波形圖第11頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2.1整流器的工作原理圖2.3單橋整流器的電壓波形(a）直流端M、N對中性點的波形(b）直流輸出電壓的波形

所以理想情況下的整流器的工作原理是：聯(lián)系最高交流電壓的晶閘管將導(dǎo)通，電流由此流出；而聯(lián)系最低交流電壓的晶閘管也導(dǎo)通，電流由此返回。通過按照一定次序的晶閘管閥的“通”與“斷”，將交流電壓變換成脈動的直流電壓。

第12頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2.1整流器的工作原理將A值除以π/3即可得到直流電壓平均值式中―當(dāng)時的直流電壓平均值；

E―交流線電壓的有效值。

在圖2.3(b）中，取縱軸y位于=30處，則曲線的縱坐標(biāo)可用表示，當(dāng)其從到這段時間間隔內(nèi)，可由積分求得其面積為：第13頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2.1整流器的工作原理

圖2.4，，情況下的電壓波形

(a）直流端M、N對中性點的波形（b）直流輸出電壓的波形

從自然換相點到閥的控制極上加以控制脈沖這段時間，用電氣角度來表示，稱為延遲角。這時直流母線M、N對中性點的電壓波形（重疊角）如圖2.4(a）中的粗實線所示，直流母線MN之間的直流電壓波形如圖2.4(b）中的粗實線所示。2、考慮延遲角（即）的情況

第14頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2.1整流器的工作原理同理，求其直流電壓平均值，可取一周的六分之一進(jìn)行積分，這段面積為同理，將A除以／3，即得到這種情況下直流電壓的平均值從上式可以看出，在考慮到的情況下，與時比較，直流輸出電壓改變了一個，調(diào)節(jié)值，可改變，從而改變直流輸出功率。第15頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2.1整流器的工作原理圖2.5

時的換相電流

當(dāng)導(dǎo)通的閥換相至閥的過程中，由于系統(tǒng)存在著電感，換流變壓器也有漏抗，所以回路中的電流不能突變，即閥中的電流不會立即降到零，閥中的電流也不會立即上升到額定值，而存在一個和共同導(dǎo)通的時間。在這段時間內(nèi)，相當(dāng)于交流a、b兩相短路，如圖2.5所示。求積分換相開始瞬間電流不會突變

此時當(dāng)時，

3、既考慮延遲角（），又考慮換相電感（）的情況第16頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2.1整流器的工作原理圖2.6時整流器的電壓波形可求出直流電壓的平均值由圖2.7得

有了重疊角之后，直流輸出電壓降低了，比沒有考慮選弧時降低了。由于正比于，因此換相的效應(yīng)也就相當(dāng)于直流側(cè)有一等效電阻，引起直流輸出電壓的下降。第17頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2.2逆變器的工作原理1、逆變的基本概念

前面所討論的整流器工作原理，是在角較小的情況。如果，則換流器直流端電壓瞬時值將交替地出現(xiàn)正值和負(fù)值，見圖2.10。當(dāng)時，直流電壓曲線所決定的正負(fù)面積相等。當(dāng)時，電壓的負(fù)面積大于正面積。當(dāng)時，電壓的面積全部是負(fù)的。當(dāng)時，達(dá)到負(fù)的極值。

圖2.7時換流器的電壓波形第18頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2.2逆變器的工作原理

為了使換流器由整流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟孀儬顟B(tài)，除改變直流電壓的極性外，還必須加大延遲角，使。所以，對整流范圍，；對逆變范圍，。在分析逆變狀態(tài)時，為了方便，通常以超前角代替延遲角，它們兩者之間的關(guān)系為或2、逆變器的工作原理逆變器的工作原理與整流器的工作原理有很多相同之處，也有一些不同點。其主要不同點在于逆變器是利用加在閥上的交流電壓處于負(fù)半周時使閥導(dǎo)通。

2.8逆變器的原理接線圖第19頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2.2逆變器的工作原理圖2.13逆變器的電壓波形圖

逆變器的工作規(guī)律是：電流從高電位的閥流進(jìn)，經(jīng)低電位的閥流出。這種情況之所以成為可能，是因為直流回路提供有足夠大的直流電壓和磁場能量的緣故。由分析知，換流器運行在整流或逆變狀態(tài)，取決于正確的選擇調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖的相位（即觸發(fā)角）。換流器的這一特點，為在直流輸電的“潮流翻轉(zhuǎn)”和其它方面的調(diào)節(jié)控制提供了非常有利的條件。根據(jù)換相原理可推得直流電流的方程式式中一超前角；

一熄弧角；

—逆變側(cè)交流側(cè)的換相電抗。第20頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2.2逆變器的工作原理逆變器的直流平均電壓式中式中：一逆變側(cè)等值換相電阻。第21頁,共67頁，2024年2月25日，星期天三、換流站及其主設(shè)備

高壓直流輸電系統(tǒng)主要包括換流站和線路兩大部分。換流站（包括整流站和逆變站）由于設(shè)備較多，價格較貴，因此，它是高壓直流輸電系統(tǒng)最主要的組成部分。換流站中主要電氣設(shè)備包括：換流器、換流變壓器、交流斷路器、直流電抗器、阻尼器、濾波器、無功補(bǔ)償裝置、過電壓保護(hù)器、電壓互感器和電流互感器、接地電極、調(diào)節(jié)裝置、繼電保護(hù)裝置、高頻阻塞裝置等。3.1晶閘管換流器1、對晶閘管元件的基本要求耐壓強(qiáng)度高、載流能力大、開通時間和電流上升率（）的限制、關(guān)斷時間與電壓上升率的限制。

第22頁,共67頁，2024年2月25日，星期天3.1晶閘管換流器2、晶閘管元件的分類及選擇晶閘管閥按絕緣方式分為空氣絕緣閥和油浸式絕緣閥兩類。按冷卻方式分為風(fēng)冷、油冷和水冷；按安裝地點分為戶內(nèi)和戶外式。在閥的設(shè)計中，通常用電壓設(shè)計系數(shù)（VDF）和電流設(shè)計系數(shù)（CDF）作為選擇晶閘管串并聯(lián)數(shù)的依據(jù)。其VDF和CDF的表示式如下所示：

在晶閘管元件的選擇中，VDF和CDF一般取值在3的范圍內(nèi)。

第23頁,共67頁，2024年2月25日，星期天3.1晶閘管換流器3、晶閘管的結(jié)構(gòu)

圖3.1單閥和多重閥結(jié)構(gòu)的原理接線和模型圖第24頁,共67頁，2024年2月25日，星期天3.2換流變壓器

換流站所用的電力變壓器稱為換流變壓器，它和普通電力變壓器在結(jié)構(gòu)上基本相同。但由于兩者運行條件的不同，所以換流變壓器在設(shè)計、制造和運行上都具有一定的特點。1、換流變壓器的特點短路電抗：換流變壓器短路電抗一般取值為15%-20%。直流磁化（直流偏磁）：如果換流器觸發(fā)相所用的時間間隔不相等，則交流相電流的正負(fù)半波不同，它的平均值將不等于零。也就是相電流中存在著直流分量，這一直流分量流過換流變壓器橋側(cè)繞組時，將產(chǎn)生直流磁化現(xiàn)象（也稱直流偏磁）。噪聲：由于換流變壓器鐵心的磁致伸縮使變壓器發(fā)出噪聲（不同于前述的低頻噪聲），一般換流變壓器的噪聲頻率為工頻的2倍。第25頁,共67頁，2024年2月25日，星期天3.2換流變壓器2、換流變壓器容量和電抗值的選擇換流變壓器的視在功率S可用左式表示：式中―輸送的直流功率。換流變壓器電抗值的選擇條件是事故電流的幅值不會超過同一事故點三相短路電流幅值的倍。換相電抗是由三部分組成，即變壓器電抗，交流系統(tǒng)等值電抗和陽極電抗。由于換相電抗主要是由變壓器電抗所決定，則適當(dāng)選擇變壓器電抗百分?jǐn)?shù)，就能基本確定的數(shù)值，從而使短路電流限制在晶閘管閥能夠承受的范圍之內(nèi)。3、對換流變壓器分接頭調(diào)壓的要求調(diào)壓范圍一般為士15%，每檔分接頭調(diào)節(jié)量以1%-2%為宜。

第26頁,共67頁，2024年2月25日，星期天3.3直流電抗器

直流電抗器〔又稱平波電抗器）在主回路中的作用主要有以下幾個方面：減少直流側(cè)的交流脈動分量、小電流時保持電流的連續(xù)性以及當(dāng)直流送電回路發(fā)生故障時能抑制電流的上升速度。1．減少直流側(cè)的交流脈動分量換流器對于直流送電線路來說，可看作電壓諧波發(fā)生器。根據(jù)允許的諧波電流百分含量%（通常在3%左右），就可用下式計算出直流電抗器的電感值2．小電流時保持電流的連續(xù)性在最小直流電流為時，要保持電流連續(xù)所需直流電抗器的電感值可用

式中——n次諧波電壓最大值，V；

——額定直流電流，A；

——角頻率；

n——諧波次數(shù)。

第27頁,共67頁，2024年2月25日，星期天3.3直流電抗器下式計算：對單橋運行時對雙橋運行時3．直流短路時抑制電流上升速度在直流輸電系統(tǒng)中，逆變閥換相失敗是一種常見的直流短路故障。事故閥不僅流過整流器提供的短路電流，而且還流過線路電容的放電電流。特別是電容C的放電電流并不受電流調(diào)節(jié)器的控制，只有依靠逆變側(cè)直流電抗器來抑制，其等值圖如圖3.2所示。

小結(jié)：根據(jù)上述三個要求，選取直流電抗器電感值的具體方法是：按第1種情況確定電感值；以第2種和第3種情況進(jìn)行驗算，在實際工程中一般取。

圖3.2逆變閥換相失敗的等值第28頁,共67頁，2024年2月25日，星期天3.4換流站的平面布置

圖3.3典型雙極換流站的平面布置圖

在整個換流站中．濾波器和電力電容器所占面積最大，約為l/3，所以這些裝置的小型化是換流站建設(shè)中的一個重要課題。換流站的平面布置是圍繞閥廳而展開的。閥廳中安裝有換流閥及其輔助設(shè)備，并需要一定的維護(hù)和檢修面積。根據(jù)一般的情況，閥廳的布置有以下幾種布置方式：（1）直線布置方式（一字型）。（2）背對背布置方式。

（3）垂直布置方式。

第29頁,共67頁，2024年2月25日，星期天四、高壓直流輸電的控制

直流輸電的一個重要優(yōu)點就是通過各種控制和調(diào)節(jié)元件組成的系統(tǒng)，對直流系統(tǒng)實現(xiàn)快速和多種調(diào)節(jié)。4.1控制的基本方式對于兩端直流輸電系統(tǒng)，其等值電路如圖6.2所示，圖中左側(cè)為整流器橋、右側(cè)為逆變器橋。直流輸電系統(tǒng)基本的控制方式有：定電流控制、定電壓控制、定越前角控制、定熄弧角控制和定延遲角控制等。在直流電流控制的基礎(chǔ)上，如果修改控制指令，即可發(fā)展成為功率控制、交流系統(tǒng)頻率控制以及潮流翻轉(zhuǎn)控制等。

圖6.1直流輸電系統(tǒng)的等值電路圖第30頁,共67頁，2024年2月25日，星期天4.2定電流控制1、控制特性定電流控制是直流輸電系統(tǒng)最基本的控制方式之一。它的任務(wù)是要維持直流電流為恒定值。所以其控制特性為一垂直線．如圖6.2所示。2、控制原理控制的原理接線圖如圖6.3所示，其控制系統(tǒng)所執(zhí)行的控制步驟如下：l）通過直流互感器測量直流電流。2）將與電流整定值（也稱電流指令）進(jìn)行比較。

3）將與比較后的差值（稱為誤差或誤差信號）輸入控制放大器A中進(jìn)行放大。

圖6.2定電流控制特性第31頁,共67頁，2024年2月25日，星期天4.2定電流控制4）將放大的信號輸入相位控制回路作為控制電壓，進(jìn)行所需的相位控制，從而達(dá)到控制直流電流為恒定的目的。圖6.3定電流調(diào)節(jié)器原理圖第32頁,共67頁，2024年2月25日，星期天4.3定電壓控制

定電壓控制的基本原理與定電流控制相似，只是反饋信號改變?yōu)橹绷麟妷?。圖6.4（a）所示為定電壓控制特性，在這種控制系統(tǒng)的作用下，是以維持直流電壓等于整定值為目標(biāo)。圖6.4（b）是該控制系統(tǒng)原理接線圖，其控制步驟與定電流控制大致一樣。圖6.4a）定電壓控側(cè)特性b）定電壓控制原理圖第33頁,共67頁，2024年2月25日，星期天4.4定觸發(fā)角控制

定觸發(fā)角控制又分為兩種情況：對于整流器而言，為定延遲角控制（定角控制）；而對逆變器而言，為定越前角控制（定角控制）。對定控制:其控制特性曲線為一束向下傾斜的平行線族，如圖6.5(a）所示，隨著角的增加，斜線往下移動，斜線的斜率為。對定控制:其控制特性曲線為一束往上傾斜的平行線族，如圖6.5(b）所示，隨著的增加，斜線向下移動，斜率為。

圖6.5定觸發(fā)角控制a）定角控制特性b）定角控制特性

第34頁,共67頁，2024年2月25日，星期天4.5定熄弧角控制

1、定熄弧角控制系統(tǒng)的控制特性：由圖6.6可見，特性曲線為一族向下傾斜的平行線，角越大，曲線越低。2、定熄弧角控制的基本原理目前，有兩種不同原理構(gòu)成的定熄弧角控制方式。一種稱為預(yù)測式，另一種稱為實測式。（1）預(yù)測式定熄弧角控制

上式由三項組成，可表達(dá)為：如、為已知，可求出，根據(jù)計算出來的角去觸發(fā)逆變器，就能保證逆變器運行在狀態(tài)。

圖6.6定熄弧角的控制特性圖6.7預(yù)測式定熄弧角控制原理框圖

第35頁,共67頁，2024年2月25日，星期天4.5定熄弧角控制

（2）實測式定熄弧角控制在6脈波的逆變器中，實際測定6個閥的熄弧角與整定值相比較，若其中最小的一個熄弧角也大于時，則通過減小越前角將熄弧角調(diào)整到，從而提高了運行的經(jīng)濟(jì)性，這種調(diào)節(jié)稱為“經(jīng)濟(jì)調(diào)節(jié)”。若某個閥的小于整定值，為了確保安全起見，通過處理元件將下一定閥的觸發(fā)相位提前，即增大角來滿足要求，這種調(diào)節(jié)稱為“安全調(diào)節(jié)”。實測式定熄弧角控制的原理框圖如圖6.8所示。

圖6.8實測式定熄弧角控制原理框圖

第36頁,共67頁，2024年2月25日，星期天4.6功率控制和頻率控制

1、定功率調(diào)節(jié)器的工作原理定功率調(diào)節(jié)器可分為具有乘法器和具有除法器的兩種方式，分別如圖6.9（a）和（b）所示。

2、頻率控制實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)的原理方框圖和定功率調(diào)節(jié)器相似，也是以定電流調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)，引入頻率調(diào)節(jié)的信號來改變電流的指令值，通過對直流輸送功率（電流）的調(diào)節(jié)，達(dá)到頻率調(diào)節(jié)的目的。圖6.9（b）中虛線框部分即為功率一頻率調(diào)節(jié)器中增加的頻率控制部分。

圖6.9定功率調(diào)節(jié)器原理框圖

（a）具有乘法器的控制框圖（b）具有除法器的控制框圖

第37頁,共67頁，2024年2月25日，星期天4.7控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用

在高壓直流輸電系統(tǒng)中，實際應(yīng)用的控制方式并不是某一種，而是幾種基本方式的組合，它們各自擔(dān)負(fù)著不同的控制調(diào)節(jié)任務(wù)而又相互配合，即使在整流器或逆變器中也不是僅僅單一地采用某一種控制方式。整流站的控制特性1、聯(lián)合控制特性逆變站的控制特性整流站、逆變站的聯(lián)合控制

分相控制方式2、直流輸電的快速相位控制等距離脈沖相位控制方式潮流翻轉(zhuǎn)控制

第38頁,共67頁，2024年2月25日，星期天五、直流系統(tǒng)的諧波

由于換流裝置交流側(cè)的電壓和電流的波形不完全是正弦波，直流側(cè)的電壓和電流也不是平滑恒定的直流，即它們都含有多種諧波分量。也就是說換流裝置是一個諧波源，它將在交流側(cè)和直流側(cè)產(chǎn)生諧波電壓和諧波電流。一個脈波數(shù)為的換流器，在它的直流側(cè)產(chǎn)生的諧波次數(shù)為，在它的交流側(cè)產(chǎn)生的諧波次數(shù)為，其中是任意正整數(shù)。

第39頁,共67頁，2024年2月25日，星期天如果進(jìn)入交流電網(wǎng)中的諧波分量過大，就會產(chǎn)生如下的不良影響：使交流電網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)和電容器由于諧波的附加損耗而過熱。對通訊設(shè)備產(chǎn)生干擾，特別是對鄰近的電話線路產(chǎn)生雜音。使換流器的檢制不穩(wěn)定；有可能引起電網(wǎng)中發(fā)生局部的諧振過電壓。使繼電保護(hù)裝置出現(xiàn)誤動和拒動，使自動裝置失靈；使電力系統(tǒng)中測量儀表精度下降；運行中的電動機(jī)損耗增加、溫度增高、引起機(jī)械振動和噪聲；對電力電纜，當(dāng)分布電容對諧波電流的放大，引起諧波電壓增高時，容易出現(xiàn)故障。

減少換流器諧波的主要方法目前主要是采用增加脈波數(shù)和裝設(shè)濾波器兩種。第40頁,共67頁，2024年2月25日，星期天5.1換流裝置交流側(cè)的特征諧波

直流側(cè)的諧波計算，通常是根據(jù)直流電壓曲線，利用付里葉級數(shù)展開式求出各次諧波的正弦分量、余弦分量和直流分量，從而求出各次諧波電壓。再根據(jù)各次諧波所對應(yīng)的等值電路由諧波電壓及阻抗求得諧波電流。1、換流器直流側(cè)的諧波電壓總的諧波電壓的余弦分量及正弦分量由下可求出。由和不難求出各次諧波電壓。

第41頁,共67頁，2024年2月25日，星期天5.2換流裝置直流側(cè)的特征諧波通常在計算各次諧波電壓時，可采用查曲線的方法。對不同的n，根據(jù)不同的和，即可查得與的比值．從而求得的值。2、直流側(cè)的諧波電流換流器直流側(cè)的諧波電流可以根據(jù)上面所求得的諧波電壓來計算，在圖5.1所示的電路中可以得出：由于，所以近似計算時

圖5.1換流器直流側(cè)電流諧波分量的等值圖

第42頁,共67頁，2024年2月25日，星期天5.3交流濾波器

由于諧波的危害性，所以電力系統(tǒng)設(shè)計、運行中常采用某些方法來抑制諧波，目前在直流系統(tǒng)中常用的方法是增加脈波數(shù)和裝設(shè)濾波器。1、濾波器的分類濾波器的分類可按其用途分為交流濾波器和直流濾波器；按連接方式可分為串聯(lián)濾波器和并聯(lián)濾波器；按阻抗特性分為單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器和高通濾波器。2、交流濾波器的阻抗特性（1）單調(diào)諧濾波器：這種濾波器是電阻R、電感L和電容C等元件串聯(lián)組成的濾波電路，它在某一低次諧波（或接近低次諧波）頻率下的阻抗最小，所以是一種并聯(lián)濾波器。（2）雙調(diào)諧濾波器：這種濾波器對兩種低次諧波同時具有很低的阻抗，即可同時抑制兩種特征諧波，它實際上相當(dāng)于兩個單調(diào)諧濾波器，且具有兩條RLC相并聯(lián)的支路。（3）高通濾波器：這種濾波器是在一個很寬的頻帶范圍內(nèi)（例如17次及以上的各次諧波頻率）呈一個很低的阻抗。

第43頁,共67頁，2024年2月25日，星期天5.3交流濾波器3、交流濾波器的選擇設(shè)計交流濾波器是換流站的重要設(shè)備之一，其投資約占換流站總投資的5%～15%，而其中的電容器又占濾波器投資的主要部分。所以交流濾波器的選擇首先應(yīng)根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析選擇電容，然后根據(jù)要求的調(diào)諧頻率計算出相應(yīng)的電感，最后再根據(jù)最佳Q（品質(zhì)因素）值，確定其電阻值?？砂聪旅鎯刹絹硗瓿桑海?）按最小投資選擇濾波器容量求取參數(shù)；（2）校驗諧波電壓求取參數(shù)。4、交流濾波器的配置及評定準(zhǔn)則對于單橋6脈波的直流系統(tǒng)，交流側(cè)通常接有5次、7次、11次和13次4個單調(diào)諧波器支路和一個高通濾波器支路。對于雙橋12脈波的直流系統(tǒng)，正常時的諧波只有（）次，所以對單調(diào)諧支路只需配置11次和13次以及高通濾波器就行了。但如果考慮到雙橋系統(tǒng)可以改變?yōu)閱螛蛳到y(tǒng)運行時，則需裝設(shè)5次、7次、11次和13次濾波器以及高通濾波器。評定濾波器效果是否適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)則是：目前一般按照現(xiàn)有直流輸電工程中采用的上些極限值作為參考。

第44頁,共67頁，2024年2月25日，星期天5.4直流濾波器

如前所述，雖然平波電抗器能夠起到限側(cè)直流諧波的作用，但對于架空線路，通常還需裝設(shè)直流濾波器。直流側(cè)諧波的次數(shù)為，當(dāng)時，為6、12、18等。因此對6脈波直流系統(tǒng)，則直流側(cè)濾波電路如圖5.2所示。設(shè)計直流側(cè)濾波器的步驟和交流濾波器基本相同，但由于直流側(cè)沒有無功功率補(bǔ)償問題，因此，直流濾波器電容器的額定參數(shù)不是根據(jù)總的無功功率來確定，而是按照線路電壓、濾波要求和經(jīng)濟(jì)性來決定的，目前常用以下幾種不同的準(zhǔn)則來規(guī)定對直流輸電系統(tǒng)中的直流濾波器性能的要求:

(1）在直流高壓母線上的最大電壓電話干擾系數(shù)（TIF）。(2）在接近高壓直流線路的電話線路的最大允許對地噪聲。

(3）離高壓直流線路1km處平行試驗線路的最大感應(yīng)嗓聲強(qiáng)度。

圖5.2直流濾波器的配置（單橋）

第45頁,共67頁，2024年2月25日，星期天5.5阻尼型濾波器

目前已投運的絕大多數(shù)直流工程中都采用了單調(diào)諧波交流濾波器，但是由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面上的原因，調(diào)諧型濾波器將逐漸被一種新型濾波器一一阻尼型濾波器所代替。阻尼型濾波器的主要優(yōu)點是：

1．濾波器的性能和承載負(fù)荷對于溫度、系統(tǒng)頻率偏移和元件的允許偏差都是不敏感的。

2．由于濾掉的是較寬范圍的諧波領(lǐng)率，因此就減少了按諧波次數(shù)分組的調(diào)諧濾波器相當(dāng)可觀的投資費用，也相應(yīng)減少了占地面積。

3．減少了維護(hù)工作量，基本上不需在現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)諧工作。

4．根據(jù)濾波器的Q值和中心頻率的條件下，非特征諧波也得到吸收。

5．對無功功率的控制來說，將濾波器分成較小的組是容易而又經(jīng)濟(jì)的；諧波電流在這些組之間的分布也不會有什么問題。另一方面，為了達(dá)到同調(diào)諧濾波器同樣的濾波特性水平，阻尼濾波器需要的基波無功功率要多一些。通常，調(diào)諧濾波器比阻尼濾波器中的諧波損耗要小，然而基波損耗則相反。

第46頁,共67頁，2024年2月25日，星期天5.6消除諧波的其它方法

因為濾波器的復(fù)雜性和費用問題，目前世界上有的國家采用了以下幾種方法來達(dá)到控制諧波的目的，即：①采用磁通補(bǔ)償法：能夠把3次、9次等非特征諧波考慮進(jìn)去。

②采用諧波注入法：該方法是利用外部電源施加一個諧波電流，從而改變換流器矩形電流的波形。通常，來自外部電源的3倍次諧波住入到導(dǎo)通的變壓器各相中。③采用直流紋波再注入法：這一方法的基本原理在于得出3倍頻電流波形，其幅值取決于直流電流的大小和形狀。把這個電流注入到主變壓器副繞組的中性點，然后通過導(dǎo)通的變壓器繞組流動。則修正后的變壓器相電流將只包含與12次脈波有關(guān)的諧波電流。第47頁,共67頁，2024年2月25日，星期天六、高壓直流輸電線路一、引言二、高壓直流架空線路的額定電壓與分裂導(dǎo)線（一）額定電壓（二）分裂導(dǎo)線數(shù)第48頁,共67頁，2024年2月25日，星期天三、高壓直流架空線路的電暈效應(yīng)（一）直流電暈的基本特點電暈是導(dǎo)線在高電場強(qiáng)度作用下對周圍空氣發(fā)生局部放電，使完全擊穿游離的一種自持放電現(xiàn)象。影響：1、氣體放電過程中的光、聲、熱等效應(yīng)以及化學(xué)反應(yīng)都將引起能量損耗——電暈損耗。2、電暈放電會形成高頻電磁波，引起干擾。3、使空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生臭氧及氧化氮等產(chǎn)物引起腐蝕。第49頁,共67頁，2024年2月25日，星期天七、柔性交流輸電（FACTS）技術(shù)7.1FACTS的定義和產(chǎn)生的背景條件及其作用和意義1、定義除HVDC之外，所有應(yīng)用于電力系統(tǒng)中且作為交流輸電性能改進(jìn)的各種電力電子控制器及其協(xié)調(diào)組合進(jìn)行控制的技術(shù)。2、FACTS技術(shù)的良好發(fā)展勢頭來自于良好的背景條件（1）交流輸電系統(tǒng)在運行和發(fā)展中的困難所形成的客觀需要。（2）直流輸電技術(shù)的競爭壓力（3）已有FACTS控制器研制和應(yīng)用經(jīng)驗的集累（4）電力電子技術(shù)及其元件本身的發(fā)展3、FACTS技術(shù)的作用和意義（1）給出交流輸電功能革新的完整技術(shù)渠道（2）提出一個“升流”的輸電改造途徑（3）對輸電網(wǎng)和輸電線運行的作用（4）對輸電網(wǎng)其它運行控制技術(shù)的影響（5）將改變交流輸電的傳統(tǒng)應(yīng)用范圍（6）對FACTS控制器本身的發(fā)展推動

第50頁,共67頁，2024年2月25日，星期天7.2FACTS技術(shù)的局限性和問題1、“升流”能力有局限“線路熱穩(wěn)定”的能力、線損、壓降、過電壓、干擾、附件載流能力、事故后的影響等約束限制。2、FACTS控制器的造價（1）應(yīng)用單位所能接受（2）控制器的規(guī)模和需求數(shù)量的矛盾3、FACTS技術(shù)對研究和試驗工具提出的新需求所有電力系統(tǒng)的成熟軟件包和各種試驗工具中都需要重新補(bǔ)入FACTS控制器的模型和相應(yīng)算法或輔件，并適應(yīng)其動態(tài)動作的特性要求。4、需預(yù)防FACTS控制器和電力設(shè)備及其他控制器之間的不良相互作用FACTS控制器在當(dāng)前大多仍屬于晶閘管控制型，因此必然會產(chǎn)生高次諧波，甚至諧波振蕩等問題。FACTS控制器之間、FACTS控制器與按分散控制理論研制的快速控制器（繼電保護(hù)、PSS、SVC、勵磁系統(tǒng)其它附加控制等）之間、FACTS控制器與常規(guī)機(jī)械操作型控制器（汽門快關(guān)、電氣制動、調(diào)速器……）之間的各種相互關(guān)第51頁,共67頁，2024年2月25日，星期天7.2FACTS技術(shù)的局限性和問題系或相互作用必須認(rèn)真研究。對于FACTS控制器和FMS（能量管理系統(tǒng)）相應(yīng)功能的關(guān)系和作用，更是有大量的工作需要研究進(jìn)行。5、FACTS控制器對一些輔助性支持技術(shù)將提出新要求6、切換用的電力電子斷路器（SSCB）輸電線的切換操作和事故快速斷開、重合閘等開關(guān)設(shè)備是提高輸電線和輸電網(wǎng)可控性能的重要電器。它的電力電子化具有重大意義。因固態(tài)斷路器（SSCB）比常規(guī)的機(jī)械型更具有競爭性。此外，故障幾乎可在瞬間清除，將會使設(shè)備損壞和用戶停電的損失大為減少。目前已研制出了配電網(wǎng)用的13kV，600A的晶閘管斷路器。而研制高壓和超高壓的SSCB還需要克服更大的技術(shù)上和造價上的困難。第52頁,共67頁，2024年2月25日，星期天7.3已開發(fā)的FACTS控制器及其應(yīng)用

（一）直接作用于輸電的FACTS控制器：這類FACTS控制器大多以自己的輸出環(huán)節(jié)直接串接于或并接于高壓交流輸電線上，進(jìn)行快速調(diào)節(jié)控制。1、靜止無功補(bǔ)償器（SVC）主要功能：保證動態(tài)無功功率的快速調(diào)節(jié)；事故時的電壓支持作用，保持電壓水平；清除電壓閃變；平息系統(tǒng)振蕩。為了減小諧波和降低損耗，將電抗器改為多組由晶閘管控制投切型，和一組較大容量的可控電容器組并聯(lián)。SVC中的可控電抗器（TCR）單獨應(yīng)用時也是FACTS控制器之一。最近國內(nèi)外擬采用快速真空開頭投切電容器（MSC）與TCR聯(lián)合組成的靜態(tài)補(bǔ)償裝置系統(tǒng)。由于它的技術(shù)可靠性高，投資也適中，且保持了快速調(diào)無功的作用，因此，比較適宜于超高壓杻紐變電站。2、靜止調(diào)相器它是SVC革新改進(jìn)后的裝置，由三相逆變器構(gòu)成，并由一并聯(lián)電容器上的電壓進(jìn)行激發(fā)驅(qū)動，其三相輸出電壓與交流網(wǎng)三相電壓同相，連接變壓器通過

第53頁,共67頁，2024年2月25日，星期天7.2FACTS技術(shù)的局限性和問題系或相互作用必須認(rèn)真研究。對于FACTS控制器和FMS（能量管理系統(tǒng)）相應(yīng)功能的關(guān)系和作用，更是有大量的工作需要研究進(jìn)行。5、FACTS控制器對一些輔助性支持技術(shù)將提出新要求6、切換用的電力電子斷路器（SSCB）輸電線的切換操作和事故快速斷開、重合閘等開關(guān)設(shè)備是提高輸電線和輸電網(wǎng)可控性能的重要電器。它的電力電子化具有重大意義。因固態(tài)斷路器（SSCB）比常規(guī)的機(jī)械型更具有競爭性。此外，故障幾乎可在瞬間清除，將會使設(shè)備損壞和用戶停電的損失大為減少。目前已研制出了配電網(wǎng)用的13kV，600A的晶閘管斷路器。而研制高壓和超高壓的SSCB還需要克服更大的技術(shù)上和造價上的困難。第54頁,共67頁，2024年2月25日，星期天7.3已開發(fā)的FACTS控制器及其應(yīng)用

（一）直接作用于輸電的FACTS控制器：這類FACTS控制器大多以自己的輸出環(huán)節(jié)直接串接于或并接于高壓交流輸電線上，進(jìn)行快速調(diào)節(jié)控制。1、靜止無功補(bǔ)償器（SVC）主要功能：保證動態(tài)無功功率的快速調(diào)節(jié)；事故時的電壓支持作用，保持電壓水平；清除電壓閃變；平息系統(tǒng)振蕩。為了減小諧波和降低損耗，將電抗器改為多組由晶閘管控制投切型，和一組較大容量的可控電容器組并聯(lián)。SVC中的可控電抗器（TCR）單獨應(yīng)用時也是FACTS控制器之一。最近國內(nèi)外擬采用快速真空開頭投切電容器（MSC）與TCR聯(lián)合組成的靜態(tài)補(bǔ)償裝置系統(tǒng)。由于它的技術(shù)可靠性高，投資也適中，且保持了快速調(diào)無功的作用，因此，比較適宜于超高壓杻紐變電站。2、靜止調(diào)相器它是SVC革新改進(jìn)后的裝置，由三相逆變器構(gòu)成，并由一并聯(lián)電容器上的電壓進(jìn)行激發(fā)驅(qū)動，其三相輸出電壓與交流網(wǎng)三相電壓同相，連接變壓器通過

第55頁,共67頁，2024年2月25日，星期天7.3已開發(fā)的FACTS控制器及其應(yīng)用的電流將依其一、二次電壓相等，大于、小于的關(guān)系而等于0或為容性或感性電流。整個裝置的無功功率大小或極性都是由這兩個電壓的幅值差所決定的通過電流進(jìn)行調(diào)整。故其整體功能和一同步調(diào)想機(jī)相似，而簡化為一靜態(tài)裝置。在事故時，電壓降低的情況下，比SVC提供更大的無功支持能力。如果并聯(lián)電容器，是蓄電池組成或超導(dǎo)儲能電抗器所取代，則事故支持的時間還可延長。正如同步調(diào)相機(jī)可利用自己旋轉(zhuǎn)的質(zhì)量中所儲存的能量一樣。靜止調(diào)相器用途廣泛，除輸電網(wǎng)外，還可配置于發(fā)電廠和配電網(wǎng)中。制造靜止調(diào)相器必須應(yīng)用門極判斷晶閘管GTO。

3、超導(dǎo)磁能蓄能器（SMES）此裝置結(jié)構(gòu)簡單，由電力電子換流器（SCR或GTO）控制的一個大容量超導(dǎo)蓄能線圈所組成。此裝置動作快速、無損耗、維護(hù)工作量小、放電/充電的效率在95%以上、可清除低頻振蕩、造價高。作為蓄能器，可提供幾秒的備用電力、還可提供同步功率以提高輸電的靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性、提高遠(yuǎn)距離輸電的輸送能力、延長發(fā)電設(shè)備壽命、提供無功第56頁,共67頁，2024年2月25日，星期天7.3已開發(fā)的FACTS控制器及其應(yīng)用功率改進(jìn)電壓穩(wěn)定性，改進(jìn)電壓質(zhì)量。微型化可用于配電網(wǎng)。

4、固態(tài)斷路器（Solid-StateCircuitBreaker)采用晶閘管（大功率）型的斷路器，可在交流電流第一次過零點時斷開，其開斷時延只有幾個毫秒。如果采用GTO，MCT或MTO等元件，電流可瞬時被切斷，效果將大為提高。日本采用SSCB（斷開時間50ms）配合常規(guī)串聯(lián)補(bǔ)償，可將原有340MW的輸送能力提高到6800MW，如果將SSCB的開斷時間縮短到17ms，則只需單獨采用SSCB就可達(dá)到同樣的效果。

5、次同步諧振阻尼器（SSR-Damper)基本結(jié)構(gòu)與TCSC（可控串聯(lián)補(bǔ)償）相