高压直流输电及其发展趋势

2020/2/121高压直流输电及其发展趋势主讲人：罗隆福（教授）湖南大学电气与信息工程学院2020/2/122主要内容第一章高压直流输电概论第二章高压直流输电现状及发展趋势第三章高压直流输电在我国的发展及前景第四章结束语2020/2/123第一章高压直流输电概论1.1直流与交流输电交替历史人们对电力的应用和认识以及电力科学的发展都是首先从直流电开始的。19世纪初期发展起来的信号传输--------电报，虽然传输的电流是很微弱的，但是人们从此得到启发，并引用于电力传输。法国物理学家德普勒提出：如果输电电压选择的足够高，即使沿着电报线路也可能输送较大的功率到较远的距离。他并于1882年，用装设在米斯巴赫煤矿中的直流发电机，以1500~2000伏电压，沿着57公里的电报线路，把电力送到在慕里黑举办的国际展览会，完成了第一次输电试验，也是有史以来的第一次直流输电试验。2020/2/124第一章高压直流输电概论此后，直流输电的电压、功率和距离分别达到125千伏，20兆瓦和225公里。但由于当时是采用直流发电机串联组成高压直流电源，受端电动机也是串联方式运行的。不但高电压大容量直流电机的换向有困难，而且串联的运行方式比较复杂，可靠性差，因此直流输电在当时没有得到进一步的发展。与此同时，随着生产的发展和电能需求的不断增长，在十九世纪八十和九十年代，人们逐步掌握了多相交流电路的原理，创造了交流发电机、变压器和感应电动机。因为交流电的发电、变压、输送、分配和使用都很方便，而且经济、安全和可靠。因此，交流电就几乎完全代替了直流电，并发展成今日规模巨大的电力系统。2020/2/125第一章高压直流输电概论尽管如此，世界上有许多科学家和工程技术人员根据直流输电和交流输电各自的特点，特别是交流远距离输电会受到同步运行稳定性的限制，预见到继续发展直流输电的必要性，并陆续地建设了一些试验性工程。其间曾采用气吹电弧整流器，闸流器和引燃管作为交直流变换的换流设备。直到高电压大容量的可控汞弧整流器的研制成功，才为高压直流输电的发展创造了必要的条件。20世纪50年代以后，电力的需求增长得更快，电力系统的规模发展得更快，交流输电的局限性在生产实践中也表现得更为明显，于是直流输电技术又重新为人们所重视。2020/2/126第一章高压直流输电概论1954年，瑞典在本土和果特兰岛之间建立一条海底电缆直流输电线，是世界上第一条工业性的高压直流输电线，此后，许多国家也积极地开展了高压直流输电的研发和建设工作。六十年代可控硅整流元件的出现，为换流设备的制造开辟了新的途径，高压直流输电也出现了新的前景。2020/2/127第一章高压直流输电概论1.2为何高压输电？从发电站发出的电能，一般都要通过输电线路送到各个用电地方。根据输送电能距离的远近，采用不同的高电压输电。从我国现在的电力情况来看，送电距离在200～300KM时采用220KV的电压输电；在100KM左右时采用110KV；50KM左右采用35KV；在15KM～20KM时采用10KV，有的则用6600V。输电电压在110KV以上的线路，称为超高压输电线路。在远距离送电时，我国还有500KV和750KV的超高压输电线路。2020/2/128第一章高压直流输电概论RIP23耗为什么要采用高压输电呢？这要从输电线路上损耗的电功率谈起，当电流通过导线时，就会有一部分电能变为热能而损耗掉了。我国目前普遍采用的三相三线制交流输电线路上损耗的电功率为：2020/2/129第一章高压直流输电概论cos3UpISUCSLUPP221cos33耗式中的R为每一条输电线的电阻，I为输电线中的电流。如果要输送的电功率为P，输电线路的线电压为U，每相负载的功率因数为则输电电流还可表示为假设送电距离为L，所用输电线的电阻率为ρ，其截面积为S，则R＝ρ（L／S）。于是，损耗的电功率可写成2020/2/1210第一章高压直流输电概论22cosLPC式中。在输送的电功率、输电距离、输电导线材料及负载功率因数都一定的情况下，C为一常数。由上式可以看出，输电线截面积S一定时，输电电压U愈高，损耗的电功率P耗就愈小；如果允许损耗的电功率P耗一定时（一般不得超过输送功率的10％），电压愈高，输电导线的截面积就愈小，这可大大节省输电导线所用的材料。2020/2/1211第一章高压直流输电概论从减少输电线路上的电功率损耗和节省输电导线所用材料两个方面来说，远距离输送电能要采用高电压或超高电压。2020/2/1212第一章高压直流输电概论1.3HVDC系统主要构成直流输电系统由换流(逆变)站、接地极、接地极线路和直流送电线路构成。换流站是用于联接交流侧和直流侧的装置,也就是供交流电与直流电间进行变换的换流装置。详见图1所示。2020/2/1213第一章高压直流输电概论2020/2/1214第一章高压直流输电概论换流装置由换流变压器、换流器、控制极触发装置、控制保护装置及其它辅助装置等构成。直流线路与交流线路一样,由导线、地线、绝缘子、金具、杆塔、基础和接地装置等组成。地线、基础、接地装置的设计与交流一样。2020/2/1215第一章高压直流输电概论1.4直流送电系统运行方式一两端直流输电系统（1）单极系统，大地、金属线（或海水）作为回线，常用作故障切换运行方式；（2）双级系统，常用的接线方式；（3）背靠背系统，无中间的输电线路，常用作不同电网的互联。二多端直流输电系统，由三个或三个以上换流站连接换流站之间的高压直流输电系统，因技术原因，暂时还没有被广泛应用。2020/2/1216第一章高压直流输电概论1.5高压直流输电相对于交流输电的特点（1）高压直流输电与其相联的两个交流系统的频率和相位无关。据此可通过直流输电环节连接两独立交流系统,既能获取减小热备用容量等联网效益,又可各自保持有功及无功功率平衡等电网管理的独立性。另外,一电网短路可因直流环节的隔离作用而不直接株连另一电网,从而避免全系统大面积停电。故高压直流输电很适于电网间的互联。2020/2/12171.5高压直流输电相对于交流输电的特点（2）高压直流输电只传送有功功率。故不会增大所联交流电网的短路容量,即不增大断路器遮断容量,且直流电缆无充电电流,可长距离送电。2020/2/12181.5高压直流输电相对于交流输电的特点（3）高压直流输电的传送功率(包括大小和方向)快速可控。故可方便而精确地严格按计划实时控制所联交流电网间的交换功率,且不受两端交流电网运行工况的影响,特别适合于所联两电网间按协议送电。还可通过快速准确地控制直流功率来有效提高所联交流电网或所并联交流线路的稳定性。2020/2/12191.5高压直流输电相对于交流输电的特点（4）高压直流输电线路经济。因单、双极直流输电分别只需一、二根导线(相当于一、二回交流线路),故直流输电线路所需线路走廊宽度小,线材、金具、塔材都少,塔轻使塔基工程量也小。输电距离较远时,直流线路节省的费用将大于直流换流设备多花的费用,线路越长,节省越多。因而高压直流输电特别适用于长距离大容量输电。2020/2/1220第一章高压直流输电概论1.6高压直流输电的应用根据直流输电系统的特点，HVDC系统应用主要在以下几个方面：远距离大容量输电。直流输电线路的造价和运行费用均比交流输电低，而换流站的造价和运行费用比交流变电所的高。因此，对同样的输送容量，输送距离越远，直流比交流的经济性能越好。详细比较见图2所示。2020/2/1221图2高压交、直流输电费用与线路长度的关系图现在架空线路的交直流输电等价距离为：500－600KM；海底电缆的交直流输电等价距离为：50KM。第一章高压直流输电概论2020/2/12221.6高压直流输电的应用电力系统联网。直流联网有如下优点（1）直流联网为非同步联网（2）被联网间交换的功率，可以用直流输电的控制系统进行快捷、方便地控制，而不受被联电网运行条件的影响。（3）联网后不增加被联电网的短路容量，不需要考虑短路容量的增加，相应增加断路器的遮短容量以及电缆采用限流等问题。（4）可以方便地利用直流输电的快速控制来改善交流电网的运行性能，减少互联电网的相互影响，提高电网运行的稳定性，降低大电网大面积停电的概率。2020/2/1223第二章HVDC发展现状及发展趋势2.1HVDC现状和新发展现状自1954年瑞典哥特兰的世界上第一项高压直流输电工程投运以来,高压直流输电技术已随着电力电子技术的突飞猛进而飞速发展,它在长距离输电、电网互联等方面有独特优点,已作为高压交流输电技术的有力补充而在全世界广泛应用,目前其工程约90个。2020/2/1224第二章HVDC发展现状及发展趋势目前HVDC所存在的问题（1）换流器较贵；换流器在运行中需要较多的无功功率，并要装设滤波装置；换流器过载的能力较小。（2）目前尚无适用的直流高压断路器，对发展多端电网有一定影响。（3）以大地作为回流电路时，会引起沿途金属构件和管线的腐蚀。2020/2/1225新发展1、传统CCC的发展近年来，随着连续可调交流滤波器（ContinuouslyTunableACFilter)、有源交流滤波器（ActiveACFilter)等技术的发展，晶阀管控制串联电容器（ThyristorControlledSeriesCapacitor,TCSC)技术的成熟，传统的串联电容器换流器CCC（CapacitorCommutatedConverter)重新成为一个研究、开发热点，并发展了一种新的换流器－－CSCC（ControlledSeriesCapacitorConverter)。这种换流器的基本思想是在换流变压器的二次侧串联连接的电容器来补偿换流器的无功功率消耗。第二章HVDC的现状和新发展2020/2/1226第二章HVDC的现状和新发展2、基于电压源换流器的新型高压直流（VSC-HVDC）输电系统传统直流输电以半控型功率器件为基础，电流不能自关断，CCC/CSCC采用附加接线实现强迫关断，是对传统直流输电的改进。但是CCC/CSCC和传统的直流输电一样，仍然采用触发相位控制，只能工作于有源逆变方式，与电网换相换流器有本质的区别，被认为是未来直流输电中电网换相换流器的理想替代者。ABB公司率先进行了基于VSC的直流输电实验，并将这一技术称为轻型高压直流（HVDCLight）输电。该项技术已经被美国和澳大利亚电网公司应用于电网互联。2020/2/1227第二章HVDC的现状和新发展3、高压交流（HVAC）到HVDC线路的转换在世界的许多国家，要获得批准建设一条新的架空输电线路变得越来越困难，电网的运营商必须不断提高现有输电线路的输送能力。将现有的交流输电线路转变成直流输电线路将为电网提供一条新的发展途径。同样的输电线路可以提高31%－175%的输电能力。2020/2/1228第二章HVDC的现状和新发展4电网互联技术针对欧洲同步电网（UCTE）面临潜在扩大的压力，以及随着我国和印度的负荷需求的不断增大，这些地区装机，输电的容量均需要进一步提高。众所周知，电网互联能够带来巨大的技术和经济上的效益，但由于同步互联电网固有的局限性，同步时直流输电技术也会对系统稳定和电压崩溃的抑制效果等方面产生不良影响，如可能造成雪崩式大面积停电，这些观点的论述则导致减少同步电网的规模。然而，对于交直流的混合系统，并不存在对电网规模的限制，专家推荐采用HVDC技术解决远距离、大功率输电问题，同时采用FACTS技术控制交流系统的潮流和电压。2020/2/1229第三章高压直流输电在我国发展前景3.1高压直流输电在我国的发展现况现已完成HVDC工程：中国自1987年第一条高压直流输电工程－舟山直流输电工程投入运行以来，到2005年7月我国已有8项直流输电工程相继投入运行，其中包括：葛洲坝－南桥、天生桥－广州、三峡－常州、三峡－广东贵州－广东及如灵宝背靠背等多个高压直流输电工程。2020/2/1230第三章高压直流输电在我国发展前景3.2特高压输电技术在我国的发展特高压