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高压直流输电技术HighVoltageDirectCurrentTransmission——HVDC新能源电网研究所12关于本次课程的安排课时数:32学时上课地点:教五A105上课时间:第1-16周;每周一第5,6节授课教师:赵成勇教授,郭春义讲师(赵成勇负责前10周,郭春义负责其余)选课与退出选课:前2周学生可自由选择考核方式期中考试(30%):闭卷笔试(仅前9周课程内容)期末考核(50%):写读书笔记或报告(不少于5000字,鼓励仿真研究。此部分希望得分为优的同学要上台汇报(前一部分闭卷笔试成绩前1/3有资格申请),并回答问题)作业情况(10%):交作业并检查考勤情况(10%):上课抽查3座位分布和听课要求教室南侧:共62人电气1203班22人电气1204班19人电气1205班12人实践电1201班9人听课要求:座位按班相对集中,要检查考勤情况选择自学的学生要提前告诉老师直流输电课程公共邮箱:HVDCTECH@163.COM,密码为dianqi11教室北侧:共47人创新电12019人电气1201班22人电气1202班16人4关于本次课程的安排参考书目:1、浙江大学发电教研组直流输电科研组.直流输电.北京:水利电力出版社,1985.2、韩民晓,等编著.高压直流输电原理与运行.北京:机械工业出版社,2009.3、赵成勇著,柔性直流输电建模与仿真。北京:中国电力出版社,2014.4.4、赵成勇著,混合直流输电。北京:科学出版社,2014.6.5、徐政.交直流电力系统动态行为分析.北京:机械工业出版社,2004.6、赵畹君,等.高压直流输电工程技术.北京:中国电力出版社,2004.课程内容安排第一章绪论第二章高压直流输电系统的主要设备第三章换流器工作原理第四章高压直流输电的谐波抑制与无功补偿第五章直流控制与保护第六章直流输电新技术电能形态变换的基本方式输入输出直流电交流电直流电交流电逆变换通常称为逆变器顺变换通常称为整流器交直交变换器交交变换器基本概念直流变换通常称为直流斩波器能利用控制信号从关断变为导通状态吗可控阀器件能利用控制信号从导通变为关断状态吗导通可控阀器件导通状态闭锁阀器件反向截止晶闸管SCR整流二极管D反向导通晶闸管三端双向晶闸管TRIACGTOGTR,MOSFET,IGCTIGBT反向导通GTO不可控阀器件非导通状态闭锁阀器件控制信号解除后还保持导通状态吗导通关断可控阀器件电力电子变换器件状态分类NNYYNY电流驱动型电压驱动型功率集成器件PID智能模块IPM,功率集成电路PIC基本概念6kV,6kAGTO半控控器件()已应用于1000MWVSC-HVDC西北-华中背靠背联网工程扩建项目360M+750M=1100MW,330kV,500kV.换流站控制及自动化装置国产化实验在我校重点实验室展开。基本概念大功率器件制造水平及应用全控型器件及其换流技术与装置是发展方向单个IGBT最高参数6.5kV,750A4.5kV,1200A3.3kV,1500A早期的直流输电系统传统的直流输电系统现代的柔性直流输电系统10直流输电发展历程绪论11早期的直流输电系统绪论直流电是人类最先认识和利用的电能12早期的直流输电概念是由法国物理学家MarcelDeprez于1881年提出来的,即由直流发电机产生直流电能,通过输电线路向远方的直流负荷供电。1882年,他在57km的电报线路上进行了直流输电系统试验,其工作电压和输电容量分别为2.0kV和1.5kW。然而,由于其线路损耗过高,这种系统难以实际应用。早期的直流输电系统141882年,爱迪生电力照明公司在纽约主持建造了世界第一个直流电力系统,包括6台12千瓦直流发电机,用110伏电压将电力线连接成网络为6000盏电灯供电。1882年在我国,外商集资创办成立了商业化运营的上海电光公司,为城市照明提供直流电力。早期的直流输电系统15托马斯·爱迪生(1847年-1931年),有1093项专利。1892年创立爱迪生通用电气公司。爱迪生力挺直流电,是为了让他发明的电灯泡有用武之地,不然人们不会使用电灯泡,他也赚不到钱。因为爱迪生错误的打压了交流电的应用,爱迪生通用电气公司的股东以此为耻,一致通过将他赶出公司,更名为通用电气公司。早期的直流输电系统17直流电压的提升和降低是困难的。为了提高直流电压,提出了串联直流输电系统(发电侧和配电侧均串联),但是经济性低,可靠性差,缺少电气隔离。ReneThury对串联系统进行了重大改进:在直流电机上加装自动调节器、并联短路器的方法,实现了串联系统中任何一台发电机或电动机的故障退出与重新接入以及运行调整,极大地提高了可靠性。4台3kV/300kW发电机总电压12kV、电流100A避雷器输电线路16km2台3kV/300kW电动机2台500V/50kW电动机1台3kV/300kW电动机2台1kV/100kW电动机避雷器典型的Thury串联系统由于直流输电的诸多困难,交流输电应运而生181884年到1885年,匈牙利KárolyZipernowsky、OttóBláthy和MiksaDéri提出了心式和壳式铁心变压器技术。1888年5月16日,美国科学家NikolaTesla(特斯拉)在美国电气工程师学会(AIEE)上,发表了题为ANewSystemofAlternatingCurrentMotorsandTransformers的著名演讲。1889年,英国工程师CharlesParsons制造出汽轮发电机。1891年,欧洲建设了第一个三相交流输电系统,工作电压和输送距离分别为25kV和175km。交流发电机的发明者尼古拉·特斯拉诞生于1856年。1882年,他继爱迪生推广直流电后不久,即发明了并制造出世界上第一台交流电发电机。实验物理学派领导人,军事派科学家(区别于爱因斯坦的理论物理学派)于1912年和爱迪生共同获得诺贝尔奖,但他拒绝和爱迪生一起领奖而放弃。早期的直流输电很快不再存在21随着三相交流同步发电机、变压器、异步电动机等技术的日益成熟,特别是交流输电系统的低成本投入和高额的回报,使早期的直流输电系统很快就被三相交流输电系统所替代。到1937年,早期的直流输电系统不再存在,越来越多的三相交流输电系统出现在世界各地。由于正弦交流电有便于变压(升降压)、产生旋转磁场等技术特点,逐渐形成了今天占统治地位的三相交流电网。交流电为什么要选用正弦函数波形?1893年4月,美国电气工程师A.E.Kennelly发表了一篇论文,他说如果交流电采用正弦波,就可以引入“阻抗”概念,和直流电路一样可利用欧姆定律来计算交流电路。这篇文章发表后,正弦波立即在电气工程领域得到应用。论文中提出,正弦交流电路如同直流电路一样,电压和电流有效值之比为一常数,称之为阻抗;因此,在线性电路中是遵守欧姆定律的。他从电气参数计算上说明了采用正弦函数波形交流电的理由。23传统的直流输电系统直流输电再次兴起2420世纪50年代后,电力需求日益增长,三相交流输电线路和交流电网迅速发展。尽管如此,交流输电技术在实际应用中也遇到了难题。1.在远距离大容量输电方面,由于交流架空输电线路存在电容效应、趋肤效应和传输线效应,其输电容量和输送距离受到限制。2.在交流电网联网方面,一是无法实现两个不同工作频率的交流电网的联网;二是当两个相同工作频率的交流电网联网形成更大的交流电网后,受到系统运行稳定性差和短路容量增大等限制。3.在电缆输电方面,由于电缆电容远大于架空线路,电缆电容的充放电电流产生很大损耗,严重限制了电缆输电距离和效率。在一定条件下的技术经济比较结果表明,采用直流输电更为合理,且比交流输电有更好的经济效益和优越的运行特性。因而,直流输电重新被人们重视。25直流输电的优点及特点:1、输送相同容量下,线路造价低,适合于远距离输电;直流架空线路的走廊宽度约为交流线路的一半,可以充分利用线路走廊的资源;等价距离概念。2、适合于海下电缆输送在同等绝缘材料条件下,直流电缆的允许工作电压比在交流电压下约高3倍;绝缘老化慢,使用寿命长;263、大电网之间通过直流输电互联(如背靠背方式,backtobackDCtransmissionsystem),两个交流电网之间可以非同步(解耦)运行,不会互相干扰和影响,输送功率的大小和方向可以快速控制和调节,可迅速进行网间功率支援等。5、直流输电系统的投入不会增加原有电力系统的短路电流容量,也不受系统稳定极限的限制;6、直流输电工程的一个极发生故障时另一个极能继续运行,且可充分发挥其过负荷能力,即可以不减少或少减少输送功率损失;7、直流本身带有调制功能,可以根据系统的要求作出反应,可以对机电振荡产生阻尼,可以阻尼低频振荡,从而提高电力系统暂态稳定水平;日本东、西部电力系统分别以50赫和60赫运行,由两个直流背靠背变频站互联,北海道和本州之间采用直流海底电缆互联,最终采用双极±250千伏输电线路。27传统直流输电尚待克服的缺点:1、换流设备造价昂贵;2、无论整流侧还是逆变侧均需要大量的无功功率。需要增设补偿装置,约为输送功率40~60%容量的电容器装备。3、换流设备是最大的谐波发生源,需要在其交流侧和直流侧装设大容量,多调谐的滤波器。占地约为换流站的15%多;4、直流变压器、直流断路器、直流传感器等电力元件及设备尚待开发。传统的直流输电系统28传统直流输电系统是建立在发电和配电均为交流电基础上的。传统直流输电是先将送端的交流电整流为直流电,由直流输电线路送到受端,再将直流电逆变为交流电,送入受端的交流电网。传统直流输电系统经历了汞弧阀换流器和晶闸管阀换流器两个阶段。传统的直流输电系统—早期采用汞弧阀换流器291901年发明的汞弧阀只能用于整流,不能用于逆变。1914年提出栅控汞弧阀概念,1928年研制成功,可实现整流和逆变。1920年到1940年期间,先后研制出不同类型的大功率汞弧阀。1932年,美国建成了一个连接40Hz交流电网与60Hz负荷的12kV直流输电系统。1954年,瑞典建成了一个连接瑞典大陆与哥特兰岛的海底电缆的直流输电系统,其工作电压、输电容量和距离为100kV、20MW和90km。1977年,最后一个采用汞弧阀的直流输电系统投入运行。在1954年到1977年期间,全世界共有12个采用汞弧阀的直流输电系统投入运行,最高工作电压为±450kV,最大输电容量为1440MW,最长输送距离为1362km。汞弧阀制造技术复杂、价格昂贵、逆弧故障率较高、可靠性较低、运行维护不便。301971年150kV汞弧阀瑞典直流工程传统的直流输电系统—后期完全采用晶闸管换流器311957年,发明了晶闸管阀(又称可控硅整流器)。20世纪70年代,高压大功率晶闸管阀以及微机控制技术开始应用于直流输电系统,使其运行性能与可靠性得到明显改善。1970年,瑞典大陆与哥特兰岛的直流输电系统进行扩建增容,将晶闸管阀换流器叠加在原有的汞弧阀换流器上,增容后工作电压由100kV提高到150kV、输电容量由20MW提高到30MW。1972年,第一个全部采用晶闸管阀换流器的80kV、320MW的背靠背直流联网工程在加拿大投入运行。1979年,莫桑比克到南非的直流输电系统投入运行,其工作电压、输送距离和输电容量分别为±533kV、1920MW、1410km。此后,基于晶闸管阀换流器的高压大容量直流输电系统得到快速发展。传统的直流输电系统—大功率晶闸管换流器占主导地位321977年,我国上海曾经建成31kV工业性实验直流电缆线路;1987年,中国第一条直流输电工程舟山直流输电工程投运,其工作电压、输送距离和输电容量分别为±100kV、100MW、54km。2010年,世界上第一个±800kV特高压直流输电系统在中国投入运行,输电容量和输送距离分别为5000MW和1418km。2014年1月,世界上输电容量最大的±800kV特高压直流输电系统-哈密至郑州在中国投运行,输电容量为8000MW。至此我国特高压工程共
本文标题:高压直流输电技术
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