高压直流输电总结

高压直流输电总结一、高压直流输电概述：1.高压直流输电概念：高压直流输电是交流-直流-交流形式的电力电子换流电路，由将交流电变换为直流电的整流器、高压直流输电线路及将直流电变换为交流电的逆变器三部分组成。注意：高压输电好处是在输送相同的视在功率S的前提下，高压输电能够降低输电线路流过的电流，减少线路损耗，提高输送效率（,）。2.高压直流输电的特点：（1）换流器控制复杂，造价高；（2）直流输电线路造价低，输电距离越远越经济；（3）没有交流输电系统的功角稳定问题；（4）适合海底电缆（海岛供电、海上风电）和城市地下电缆输电；（5）能够非同步（同频不同相位，或不同频）连接两个交流电网，且不增加短路容量；（6）传输功率的可控性强，可有效支援交流系统；（7）换流器大量消耗无功，且产生谐波；（8）双极不对称大地回线运行时存在直流偏磁问题和电化学腐蚀问题；（9）不能向无源系统供电，构成多端直流系统困难。3.对直流输电的基本要求：（1）能够灵活控制输送的（直流）电功率（大小可调；一般情况下，应能够正反双向传送电功率（功率方向可变）；（2）维持直流线路电压在额定值附近；（3）尽可能降低对交流系统的谐波污染；（4）尽可能少地吸收交流系统中的无功功率；（5）尽可能降低流入大地的电流。注意：大地电流的不利影响包括①不同接地点之间存在电位差，形成电解池，造成电化学腐蚀；②变压器接地中性点流过直流电流，造成变压器直流偏磁，使变压器噪声增加、损耗加大、振动加剧。4.高压直流输电的适用范围：答：1.远距离大功率输电;2.海底电缆送电;3.不同频率或同频率非周期运行的交流系统之间的联络;4.用地下电缆向大城市供电;5.交流系统互联或配电网增容时,作为限制短路电流的措施之一;6.配合新能源供电。二、高压直流输电系统的基本构成：1.双端直流输电的基本构成：（1）单极大地回线（相对于大地只有一个正极或者负极）：图2-1（2）单极金属回线：图2-2（3）双极大地回线（最常用）：图2-3（4）双极单端接地（很少用）：图2-4（5）双极金属回线（较少用）：图2-5（6）并联式背靠背：图2-6（7）串联式背靠背：图2-72.多端直流输电的基本构成：（1）三端并联型；图2-8（2）三端串联型；图2-9注意：这里的“双端”、“多端”指的是所接换流站的个数（交流电网接入点的个数），而不是换流器的个数。3.多端直流输电的特点：（1）可以经济地连接多个交流系统；（2）因缺少大容量直流断路器，无法切除输电线路的短路故障，因而限制了它的发展。三、换流技术复习：1.三相全控整流电路原理图：图3-1（1）大电感负载（符合直流输电工程实际）；（2）交流输入电压的相序与晶闸管触发顺序的关系（135462）；（3）阀的组成、静态均压（电阻分压）和动态均压（电容分压）原理与电路；（4）均压系数（）、电压裕度系数（）；（5）阀串联元件数的确定；（6）电压变化率限制和电流变化率限制。图3-22.三相全控桥的波形图：（详见电力电子书P152、P153、P160）3.三相全控桥计算公式:（1）直流输出电压的理想计算公式:(1.1)（为线电压）（2）考虑交流侧电抗的直流输出电压的计算公式（缺口面积是始于α的面积与始于α+γ的面积之差的一半，缺口面积=）:(1.2)（3）阀电流有效值：(1.3)（4）交流侧线电流有效值的计算公式:(1.4)4.三相全控桥的外特性（全控桥外特性：直流输出电压Ud与直流输出电流Id间的函数关系）：（1）逆变器外特性：a)方程：(1.5)b)曲线：端电压Ud随输出负载电流Id的增加而下倾的直线；（以定α表示）图3-3（2）整流器外特性：a)方程：i.用控制角α表示：(1.6)ii.用逆变角β表示（α=180°-β代入上式）：(1.7)iii.用熄弧角δ表示（δ=β-γ，γ是换相角）：(1.8)（）(1.9)（）图3-4理想定β的面积比理想定δ小2个缺口面积:b)曲线：i.用逆变角β表示：上翘直线（负值面积随电流增大），端口电压的绝对值随直流电流的增加而增加（正内阻）；ii.用熄弧角δ表示：下倾直线（负值面积随电流减小），端口电压的绝对值随直流电流的增加而下降（负内阻）；图3-5逆变器外特性曲线（以定β和定δ表示）5.三相全控桥的等值电路：（1）整流器等值电路:图3-6整流器等值电路(1.10)a)内电势，内阻为正的可调电压源；b)端口电压随输出电流增大而减小。（2）逆变器等值电路：图3-7逆变器等值电路a)用β表示的等值电路，端口电压随电流增大而增大（正内阻）；b)用δ表示等值电路，端口电压随电流增大而减小（负内阻）。（3）双端直流输电系统的等值电路:图3-8直流系统等值电路图6.双端直流输电系统工作点：（1）工作点的确定：通常将线路电阻RL纳入逆变器侧，则用β表示的外特性曲线因正值内阻增加而上翘更多，用δ表示的外特性曲线因负值内阻减小而使下倾减缓或微上翘。由直流输电系统等值电路可见，两侧电路工作时，应该具有相同电流和端口电压，表现在曲线上，就是两侧换流器的外特性曲线的交点，这就是工作点。图3-9双端直流系统工作点的确定（两条线交点）（2）工作点稳定性判据：采用小扰动法在工作点加上一点小扰动看看系统能不能回到原来的稳定点。（结论：整流侧外特性曲线的斜率小于逆变侧外特性曲线的斜率，系统可以稳定运行。）7.双桥换流器（电力电子那个十二脉波）（整流器和逆变器结构相同）：（1）电路图：两个三相全控桥串联；图3-10（2）交流输入电压：两个三相交流输入电压的相位互差30°（频率相同，幅值相同）；（3）触发顺序：1-1-2-2-3-3-4-4-5-5-6-6；（4）直流输出电压瞬时值波形和纹波频率：每工频基波含12个均匀波头；（5）直流输出平均电压：等于两个全控桥直流输出平均电压之和；（6）双桥换流器的优点：a)在晶闸管元件耐压能力和串联数不变的条件下，双桥输出电压是单桥的两倍；采用桥串联代替元件串联；b)直流输出电压的谐波幅值比单桥更小，谐波频率更高，因而更易于滤除；c)交流公共母线的电流谐波比单桥更小，最低次谐波次数更高；d)当双桥中发生任一桥故障时，可以将故障桥隔离（短接），另一正常单桥仍可继续工作；（1）逆变器实现逆变的条件：a)外接直流电源，其极性必须与晶闸管的导通方向一致；b)外接交流系统，其在直流侧产生的整流电压平均值应小于直流电源电压；c)晶闸管的触发角α应在的范围内连续可调。四、换流器的谐波分析：1.谐波的危害：（1）对铁磁设备的影响。谐波造成额外的铁耗导致发热、振动和噪声，降低了设备出力、效率及寿命；（2）对旋转电机的影响：谐波造成转矩脉动，转速不稳；（3）对电力电容器的影响：谐波可能引起谐振过电压；（4）对电力系统测控的影响：谐波使测量误差增加，可能导致控制失灵，保护误动；（5）3次谐波电流过大可能使中性线过流；（6）谐波叠加在基波上，使电气应力增加，对各种电气设备尤其是电容器的绝缘造成威胁；（7）谐波对通信线路造成干扰。2.谐波分析的数学工具：傅里叶级数。3.谐波分析的基本假设：（1）交流电源为三相对称标准正弦波电压源；（2）三相交流电路各相阻抗参数相等；（3）换流器采用60°等间隔触发；（4）直流电流恒定（水平无纹波）；（5）不考虑换相角的影响；在上述基本假设条件下，分析得出的谐波，称之为“特征谐波”。4.谐波分析的基本步骤：（1）写出尽可能简洁的周期函数表达式f（x）；（2）计算傅立叶级数的系数an和bn；（3）写出与周期函数f（x）等价的傅立叶级数表达式；（4）分析f（x）的傅立叶级数构成成分，得出有用结论。5.谐波分析内容：（1）直流输出电压的特征谐波分析：a)谐波频率：等于6n（n=1，2，3，…）倍工频基波频率；b)谐波幅值是控制角α的函数：α=0°和α=180°幅值最小，α=90°幅值最大；HVDC运行时，整流侧α=12°～15°，逆变侧定δ运行；c)谐波幅值随谐波次数的增加而减小；d)n=0时的直流分量就等于直流电压平均值。（2）交流线电流的特征谐波分析：a)YY接线变压器一次电流特征谐波分析：除基波外只剩有5、7、11、13、……次等6k±1次谐波。b)YD接线变压器一次电流特征谐波分析：（波形相同，幅值比YY接线大倍）除基波外只剩有5、7、11、13、……次等6k±1次谐波。（3）双桥换流器直流侧电压特征谐波分析（根据假设直流电流无纹波，故只分析直流电压）：12k±1次谐波。五、换流器的功率因数计算：1.功率因数的定义：功率因数等于有功功率P与视在功率S之比，即：(1.11)功率因数λ的大小反映的是有功功率P在视在功率S中所占的比重，是功率的利用系数，反映功率的利用程度。三相全控桥交流侧的电压是正弦波形，电流是方波，故有功功率P等于基波电压有效值U（即）与基波电流有效值、及基波电压与基波电流相角差的余弦值的乘积。（不考虑换相角γ时，；考虑换相角γ时，）2.只考虑基波时的功率因数：(1.12)3.考虑谐波时的功率因数：(1.13)上式是不考虑换相角时的情况。(1.14)上式是考虑换相角时的情况。六、高压直流输电系统主设备：1.换流器：（1）双桥换流器与四重阀结构：一个三相全控桥有6个桥臂（阀），一个桥臂（阀）由120个晶闸管串联而成；每15个晶闸管构成一个基本单元，每两个基本单元（30个晶闸管）组装为一个半层阀；每4个半层阀构成一个阀。四重阀：双桥换流器同一相上的4个阀的组合体。图6-1四重阀示意图（2）等间隔（60°）触发与等控制角（α）触发：a)等间隔（60°）触发方式：α1=移相控制；相对于1号自然换相点滞后角度α1；从脉冲2开始，均滞后前一个脉冲60°，即：αk+1=αk+60°（k=2，3，4，5，6）。b)等控制角α触发方式：α1=α2=α3=α4=α5=α6；即6个触发脉冲都是相对于各自的自然换相点滞后一个相同角度。c)两种触发方式比较：在三相电压对称的条件下，两种触发方式等效，但是在三相电压不对称的条件下，后者的触发脉冲不等间隔，导致交流电流波形正负半波宽度不等，平均电流不为零，造成变压器偏磁。（3）晶闸管换流器对晶闸管元件的基本要求：a)耐压强度高；b)载流能力强；c)开通时间和电流上升率的限制，即约为100A/s；d)关断时间与电压上升率的限制，即约为200V/s。（4）触发脉冲的传送方式：a)光纤方式；b)电磁方式。图6-2（a）为光纤方式，（b）（c）为电磁方式（5）高压（就地）取电技术：图6-3光电变换电路的高压（就地）取电方法2.换流变压器：（1）工作电流波形是方波；（2）耐压要求高；（3）可能存在一定偏磁（直流分量）；（4）有载调压、调压范围大、调节频繁。3.平波电抗器：（1）作用：a)直流电流滤波（平波）；b)限制线路短路电流的上升率；c)防止小电流运行时的电流断续；d)阻断雷电波的侵入；e)减小对沿线通讯设施的干扰；（2）如何选取直流电抗器的电感值：答：直流电抗器的作用是减少直流侧的交流脉动量，小电流时保持电流的连续性以及当直流送电回路发生故障时，能抑制电流的上升速度。从作用来看，它的电感量越大越好。但是过大，当电流迅速变化时在直流电抗器上产生的过电压就越大；另外作为一个延时环节，过大对直流电流的自动调节不利。所以满足上述三项要求的前提下，直流电抗器的电感Ld应尽量小。故选取直流电抗器电感值的具体方法是：①按减少直流侧的交流脉动分量的情况确定电感值；②以小电流时保持电流的连续性和直流送电回路发生故障时能抑制电流上升速度的情况进行验算。4.滤波器：（1）滤波原理：高阻抗串联分压隔离（如平波电抗器，滤除谐波电压），低阻抗并联支路分流（如LC滤波器，滤除谐波电流）；工作频率低于谐振频率时，滤波器呈容性，工作频率高于谐振频率时呈感性。（2）交流滤波器的种类及其阻抗特性：a)单调谐滤波器（只有一个谐振频率）：图6-4单调谐滤波器图6-5单调谐滤波器阻抗特性b)双调谐滤波器（有两个谐振频率）：图6-6双调谐滤波器图6-7双调谐滤波器阻抗特性c)高通滤波器：图6-8高通滤波器图6-9高通滤波器阻抗特性（3）交流侧滤波器