高压直流输电技术研究

高压直流输电技术电气工程学院专业术语•换流变压器:将电能从交流系统传输到换流器,或从换流器传输到交流系统的变压器•网侧绕组:连接到交流电网的换流变压器绕组•阀侧绕组:连接到换流器交流端子的换流变压器绕组专业术语•两绕组:只有一个网侧绕组和一个阀侧绕组,连接组别为Y,y或Y,d.•三绕组:只有一个网侧绕组和两个阀侧绕组,连接组别为Y,y和Y,d,并且两个阀侧绕组位于不同的铁芯柱上.ConvertertransformersLongquansiteACyard换流阀输电线DCfilterDCyard直流滤波器交流开关场直流场Y/∆Y/Y接地极换流站换流变11:thharmonicfilter13:thharmonicfilterHighpassfilter在线路中的位置并联电容器滤波器阀厅换流变交流场Approximately80x180meters基本布置示意图交流输电线直流场直流输电线换流变的功能改变相位角以减少谐波,隔离交直流系统变压器电抗可限制短路电流及参与换相实现交直流电压传输.根据系统需要调节输出电压(有载开关,调节范围大)YYYDi1i2i+i12InsideoftheValvehallInsideoftheValvehallInsideoftheValvehall套管伸入阀厅的配合可控硅晶闸管13内容提要1高压直流输电（HVDC）2电压源换流器直流输电（VSC-HVDC)的现状与发展趋势3基于VSC-HVDC的风力发电并网技术4VSC-HVDC应用于智能配电网141.1HVDC的概念、结构与发展HVDC是以直流输电的方式实现电能传输的输电方式。直流输电与交流输电方式的重要补充，构成现代电力传输系统。概念：15结构：1.1HVDC的概念、结构与发展AB换流变换流变整流：AC——DC逆变：DC——ACP整流器逆变器直流输电线路161.1HVDC的概念、结构与发展世界的HVDC发展：据统计，1954年至2009年世界上已投入运行的直流输电工程有100余项。在最近我国云南—广东直流工程投运前，HVDC工程中线路电压等级最高(±600kV)、输送容量最大(6300MW)的是巴西伊泰普直流输电工程，输送距离最长(1700km)的是南非英加—沙巴直流工程。1990年建成的第一个多端直流输电工程是Quebec-NewEngland五端直流输电工程。171.1HVDC的概念、结构与发展中国的HVDC发展：迄今为止，我国已投运的直流输电工程有15项，舟山直流工程已于2003年退出运行，现在运行的直流工程有14项，包括3项背靠背直流工程和2项特高压直流工程。正建的HVDC工程有6项，包括2项特高压直流工程。到2020年，我国将建成18项特高压直流工程，并成为世界上拥有直流输电工程最多、输送线路最长、容量最大的国家。183000MW2500MW7200MW3000MW9000MW10000MW1800MW2000MWHydroPowerBaseThermalBaseACMapofinterconnectionpowernetworksin2010DC191.1HVDC的概念、结构与发展工程竣工时间输送容量/MW直流电压/kV线路长度/km舟山直流工程1987100±10054葛洲坝—南桥19901200±5001045天生桥—广州20011800±500960嵊泗直流工程200260±5066.2三峡—常州20033000±500860三峡—广东20043000±500960中国已建成投运的（特）高压直流输电工程（15项）20竣工时间输送功率/MW直流电压/kV线路长度/km贵州—广东20043000±500880宝灵背靠背直流工程一期：2005二期：2009360；1100（扩建后）±120；±166.70三峡—上海20063000±5001048.6贵广二回20073000±5001194高岭背靠背直流工程20081500±1250中国已建成投运的（特）高压直流输电工程（15项）1.1HVDC的概念、结构与发展21竣工时间输送功率/MW直流电压/kV线路长度/km中俄黑河背靠背直流工程2008750±1250宝鸡—德阳2010.33000±500574云南—广东2010.65000±8001373向家坝—上海2010.76400±8001907中国已建成投运的（特）高压直流输电工程（15项）1.1HVDC的概念、结构与发展22开工时间输送容量/MW直流电压/kV线路长度/km呼伦贝尔—沈阳20083000±500916格尔木—拉萨20081500±4001030宁东—山东20084000±6601348山西—江苏20093000±500858锦屏—苏南20097200±8002100溪洛渡—浙西2010(计划)6400±8001751中国在建的（特）高压直流输电工程（6项）1.1HVDC的概念、结构与发展23未来我国电网建设将依据交、直流输电相辅相成、共同发展的原则，到2020年我国将建成“强交强直”的特高压混合电网和坚强的送、受端电网。经过多方面研究比选，直流工程总计达38项。世界交流输电的焦点在中国世界直流输电的市场在中国1.1HVDC的概念、结构与发展241.2HVDC与HVAC的比较直流输电时两侧交流系统不需同步运行而交流输电必须同步运行交流远距离输电，电流的相位差在交流输电系统的两端会产生明显的相位差，并网的各系统交流电必须同步运行，否则可能在设备中环流而损坏设备，或造成不同步运行的停电事故，而直流输电线路互连时，其两端的交流电网可以按照用各自的频率和相位运行，不需进行同步调整。251.2HVDC与HVAC的比较交直流输电的等价距离由于HVDC的线路造价较低，而变电站设备较HVAC昂贵，在某一输电距离下，交、直流两种输电方式的造价费用相等，这一距离成为等价距离。261.2HVDC与HVAC的比较交直流输电的等价距离271.3HVDC的优点与应用场合HVDC的优点①输电容量不受输电距离的限制；②可以分期建设和增容扩建，双极性直流输电系统的可靠性可与两回交流输电系统相当；③采用直流输电可以实现电力系统之间的非同步联网，可以不增加被联电网的短路容量，所连的两侧交流系统可以运行在不同的频率或同频不同步；281.3HVDC的优点与应用场合④直流输电输送的有功功率和换流器消耗的无功功率均可由控制系统进行控制，可利用这种快速可控性来改善交流系统的运行性能，必要时可实现潮流的快速反转；⑤直流线路本身不消耗和发出无功功率，换流站要消耗无功功率，但与线路长度无关；⑥架空或电缆线路的造价要比交流输电低，占用的空间也更小。291.3HVDC的优点与应用场合远距离大容量输电电力系统联网直流电缆送电现有交流输电线路的增容改造直流输电的应用场合有：30内容提要1高压直流输电（HVDC）2电压源换流器直流输电（VSC-HVDC)的现状与发展趋势3基于VSC-HVDC的风力发电并网技术4VSC-HVDC应用于智能配电网312.1VSC-HVDC的结构和系统特性VSC-HVDC的结构电抗器滤波器UsVSC滤波器电抗器VSCUc直流输电线32电流源和电压源换流器的比较电流源换流器电压源换流器33电流源和电压源换流器的比较电流源换流器电压源换流器电抗器L作为直流侧的储能元件，电容器C作为交流侧的储能元件电容器C作为直流侧的储能元件，电抗器L作为交流侧的储能元件直流电流是单向的，直流电压极性随直流潮流而变化直流电压是单向的，直流电流极性随直流潮流而变化控制快速准确控制较慢损耗较小损耗较大容量大容量相对小故障承受能力和可靠性较高故障承受能力和可靠性较低电流源和电压源换流器的比较34HVDC与VSC-HVDC的比较HVDCVSC-HVDC交流侧提供换相电流，受端为有源网络，且容量足够大，否则易发生换相失败电流自关断，可向无源网络供电吸收大量的无功功率，约为输送直流功率的40％～60％，需要大量的无功功率补偿和滤波设备不需要交流侧提供无功功率且能起到STATCOM的作用，即动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压。若VSC容量允许，VSC-HVDC系统可向故障系统提供有功功率和无功功率的紧急支援，提高系统功角电压的稳定性。35HVDC与VSC-HVDC的比较潮流翻转时，直流电流方向不变而直流电压极性发生翻转，不利于构建多端直流输电系统潮流翻转时直流电流反向，而直流电压极性不变，有利于构成并联多端直流系统换流器对于交流系统来说，除了是一个负荷（在整流站）和一个电源（在逆变站）以外，还是一个谐波电流源采用SPWM技术，开关频率较高，经低通滤波后就可得到所需的交流电压，可不用换流变压器，所需滤波装置的容量也大大减小控制量只有触发角，2个象限运行，不可单独控制有功功率或无功功率可在4个象限运行，同时且独立控制有功和无功功率换流站间需要通讯换流站间的通讯不是必需的HVDCVSC-HVDC36HVDC与VSC-HVDC的比较此外，由于VSC交流侧电流可以控制，所以不会增加系统的短路容量。这意味着增加新的轻型HVDC线路后，交流系统的保护整定无需改变。VSC-HVDC能够提高系统阻尼，因此不但不会引起发电机组的次同步振荡，而且会提高发电机组的次同步振荡阻尼VSC-HVDC换流站设备小型化和标准模块化模块化设计，占地面积小，设计、生产、安装和调试周期大大缩短，并具有更高的可靠性。37VSC-HVDC的运行原理一般的，若交流系统电压的相位是δs，换流器交流电压与直流电压Ud存在如下关系：可见，对于交流系统而言，VSC可等效于一个端电压幅值、相角均可控，无旋转惯量的同步发电机。cd()2sMUURLPsQsPcQcUs∠δsUc∠(δs-δ)is23:3038VSC-HVDC的控制原理采用PWM调制时，是调制波相角，Uc正比于调制度m。故利用调制波相角和调制度m能同时控制有功功率P和无功功率Q。23:3039VSC-HVDC的稳态特性2sinSVKPX2(1cos)SVKQXACACVsjXTVNVcon∆VIINqINpVNReIm∆VVcon交流系统换流变压器换流器交流系统和换流器之间基波潮流的等效电路VSC与交流系统基波潮流的相量图由变压器的交流系统端看进去的有功和无功功率23:30consVKV其中，40VSC-HVDC的稳态特性保持恒定而改变K时，得到一系列的直线，如边界值min和max；保持K恒定而改变时，能得到一系列曲线，如Kmin=1-x,Ki=1.0,Kmax=1+x等；当使换流站传输能力恒定将得到|P+Q|=1的圆;调整参数和K，可使VSC连续运行在圆内的任意一点。因此，它能独立控制有功功率和无功功率的交换。若不需要传输有功功率，换流站可以作为STATCOM运行，为交流系统提供容性或感性无功支持minVn=1.0Q(p,u)inductiveKmin=1-xKmax=1+x|Pn+Qn|=1Ki=1.0capacitiveP（p,u）maxVSC的PQ图23:3041换流桥换流变压器换流电抗器交流滤波器直流电容器直流电缆控制与保护系统2.2VSC-HVDC的设备主要由七部分构成：4243VSC-HVDC的设备1—换流桥换流桥每个桥臂是由若干个IGBT级联而成。对于大容量换流器，每臂可能有上百个IGBT级联而成。IGBT旁边都反并联一个二极管，它不仅是负载向直流侧反馈能量的通道，同时也起续流的作用。44VSC-HVDC的设备2—换流变压器不同于CSC-HVDC，VSC-HVDC并不需要特殊的换流变压器或移相变压器，其所用换流变压器与常规的单相或三相变压器大体类似。45VSC-HVDC的设备3—换流电抗器换流电抗器是VSC与交流侧能量交换的纽带，决定有功功率与无功功率的控制性能作用滤除换流器所产生的特征谐波，以获得期望的基波电流和基波电压；抑制直流过电流的上升速度。46VSC-HVDC的设备4—直流电容器作用：为逆变器提供电压支撑；缓冲桥臂关断时的冲击电流；减小直流