高压直流输电技术发展状况及主要应用0709

高压直流输电技术发展状况中国电力科学研究院曾南超内容提要•直流输电的发展史•直流输电之最•直流输电的特点•直流输电类型•世界直流输电的发展•我国直流输电的发展直流输电的发展史•输电最早用DC•1882年德国2kV1.5kW57km向慕尼黑国际展览会送电•1889年法国125kV20MW230km从Moutiers到Lyon(里昂)DC发电机串联高压后来被AC输电所代替（交流电机、变压器）•1954年高特兰岛（汞弧阀）第一次商业运行•70年代后期汞弧阀被淘汰•72年加拿大伊尔河BTB晶闸管阀•年增长率1981–19982096MW/年•八十至九十年代，一系列500kV级晶闸管阀高压直流输电工程投产，标志着直流输电技术的成熟。•现在，制造800kV直流系统设备，在技术上也是可行的。•目前投运的直流工程已有７０多个。使用的晶闸管元件参数已达8kV、3kA以上。1、汞弧阀换流时期1954年－1977年共有12项汞弧阀工程投运•1954年瑞典高特兰岛（汞弧阀）第一次商业运行20MW,100kV,96km海缆。•1977年加拿大纳尔逊河1期最后一项汞弧阀工程汞弧阀制造技术复杂、价格昂贵、逆弧故障率高、可靠性较低、运行维护不便、污染环境，终被淘汰。2、晶闸管阀换流时期1972年，从加拿大伊尔河晶闸管阀工程（320MW、80kV，BTB）起，进入了晶闸管阀工程时期。高压大功率晶闸管器件用于直流输电换流阀，有效地改善了直流输电的运行性能和可靠性，促进了直流输电的发展。随着微机控制保护、光电传输、网络、水冷、氧化锌避雷器等先进技术引入直流输电领域，促使直流输电技术迅速发展，成为现今交流输电的有力补充。3、新型半导体换流设备的应用•20世纪90年代以后，一种新型氧化物半导体器件－绝缘栅双极晶体管（IGBT）在工业驱动装置上得到广泛应用，并引入了直流输电领域。•1997年，第一个采用IGBT阀组成的电压源换流器的直流输电工业性试验工程（3MW、10kV、10km）在瑞典投运。称之为柔性（轻型）直流输电。现已有9个这样的直流工程投运了。•由于目前IGBT单个元件功率小、损耗大，尚不宜大容量直流输电工程采用。•近期研制出的集成门极换相晶闸管（IGCT）、大功率碳化硅器件，可能在直流输电中会有很好的应用前景。这类器件单个元件功率大、电压高、损耗小、体积小、可靠性高，且是全控器件，用它们取代普通晶闸管，将有力地推动直流输电技术的发展。直流输电之最(已投运)•最高电压600kV巴西伊泰普两个双极•最大容量2×3150MW巴西伊泰普两个双极•最长架空线1700km南非英加－沙巴•最长电缆250km瑞典－德国波罗的海工程•电缆直流电压最高450kV瑞典－德国波罗的海工程•DC电缆容量最大英法海峡2000MW•BTB站容量最大俄罗斯－芬兰1065MW三单元•12脉动桥换流容量最大我国三常、三广、三沪、贵广1。直流输电的特点1•优点：1）与相同输送功率的交流线路相比，钢芯铝线省1/3，钢材省1/2–1/3，线路造价约为AC的2/3，需要的线路走廊还窄。2）DC电缆输电：输送容量大，造价低，损耗小，不易老化，寿命长，输送距离不受限制。3）无同步稳定性问题（交流P=E1E2sin/X12）,有利于长距离大容量送电。4）可异步运行。5）Pd、换流器吸收的Q均可快速控制，可用以改善所连AC系统运行特性。6）可分期投资建设。7）电网管理方便。8）可隔离故障，有利于避免大面积停电。直流输电与交流输电的建设费用比较直流输电的特点2缺点：1）换流站：设备多，结构复杂，造价高，损耗较大，对运行人员要求高。2）产生AC、DC谐波。3）需40%-60%无功补偿。4）单极大地回线运行时，地电流引起的问题。正常运行方式应是双极平衡运行，尽量减小地电流（1％In）世界直流输电的发展集中地区用途•北美地区美国长距离输电、电网互联加拿大长距离输电•西欧地区海缆输电、国际联网•亚太地区印度长距离输电、电网互联日本电网互联中国长距离输电、电网互联美国的直流输电工程1）远距离输电工程投运年份•太平洋联线（PacificIntertie）70•斯魁尔比尤特（SquareButte）77•CU工程79•魁北克－新英格兰（Quebec–NewEngland）86•英特蒙顿（Intermountain）862）联网工程•戴维德（DavidA.Hamil）77•伊迪康尼（EddyCounty）83•欧克兰宁（Oklaunion）84•黑水河（Blackwater）85•海盖特（Highgate）85•迈尔斯城（MilesCity）85•希尼（Sidney）87加拿大的直流输电工程1）远距离输电工程投运年份•温哥华（Vancouver）68•纳尔逊河双极1（NelsonRiver1）73•纳尔逊河双极2（NelsonRiver2）85•魁北克－新英格兰（Quebec–NewEngland）862）联网工程•伊尔河（EelRiver）72•查图圭（Chateaguay）84•马达瓦斯加（Madawaska）85•麦克尼尔（McNeill）89欧洲地区的直流输电工程1）直流海缆工程投运年份•高特兰1（Gotland1）54•英法海峡（CrossChannel）61•康梯－斯堪1（Konti-Skan1）65•斯卡格拉克（Skagerrak）77•高特兰2（Gotland12）87•康梯－斯堪2（Konti-Skan2）88•撒科意（SACOI）88•芬诺－斯堪（Fenno-Skan）89•波罗的海（BalticCable）94欧洲地区的直流输电工程2）陆地联网投运年份•维柏格（Vyborg）81•德尔罗尔（Duemrohr）83•艾深里西（Etzenricht）93•维也纳东南（ViennaSouth-East）933）大城市供电•金斯诺斯（Kingsnorth）76其他地区的直流输电工程1）南美洲地区投运年份•阿卡瑞（Acaray）81•伊泰普双极1（Itaipu1）86•伊泰普双极2（Itaipu12）87•加勒比（Garabi）20002）非洲地区•卡布拉巴萨（CaboraBassa）79•英加－沙巴（Inga-Shaba）823）澳洲地区•新西兰南北岛（Inter-Island）65其他地区的直流输电工程4）亚洲地区投运年份印度•温地亚恰尔（Vindhyachal）89•席乐鲁－巴索（Sileru-Barssor）89•钱德拉布尔－伯德（Chandrapur-Padghe）91•里罕德－德里（Rihand-Delhi）92•东南联络（East-SouthInterconnection）2003日本•佐久间（Sakuma）65•新信浓（Shin-Shinano）77•北本线（Hokkaido-Honshu）80•纪伊水道（KiiChannel）2000南韩•釜山－济州岛（Haenan-Cheju）97直流输电类型•两端直流输电长距离大容量输电•多端直流输电（意大利本土－科西嘉岛－撒丁岛；•加拿大魁北克－美国新英格兰（詹姆斯湾－底斯坎通－桑地旁）增加灵活性高压大容量直流开关问题•背靠背直流输电异步联网、非同步联网•柔性直流输电全控器件（GTO，IGBT）容量问题柔性直流输电柔性（轻型）直流输电技术采用由IGBT或GTO组成的电压源换流器（VSC）技术，在受端无需外部交流电网提供换相电压，所需无功功率是可控的，无需大量无功补偿设备。IGBT或GTO是全控型器件，开关频率高，功率因数高，且不会发生换相失败。目前，它们的工作电压还比晶闸管低，只用于低电压、小功率的直流输电线路。柔性直流输电•ABB、西门子公司都在开发ABB（HVDCLight）,西门子（HVDCPlus）•97年3月第一个柔性直流输电在瑞典中部投运IGBT，3MW,10kV,10km•2005年已建成9个工程(瑞典、澳大利亚、挪威、丹麦、美国)•最大容量330MW（美国CrossSound±150kV,40km,2002年8月）国外直流设备主要供货商•ABB约占６０％•SEIMENS主要是BTB工程•AREVA（前身是阿尔斯通）ABB直流工程分布西门子直流工程分布直流输电技术的发展1）应用领域作为交流输电有力的补充（长距离大容量输电；联网；特殊条件下的输电）2）技术上的发展•设计标准化、系列化每一高压直流输电工程都是根据其接入系统的具体要求量身定做的，包括其额定直流功率、额定直流电压、性能要求等重要参数都是按照接入系统的具体要求，优化选取的，还远没有交流设备那样标准化、系列化。规范化有利于设备设计、制造，降低设备成本、降低工程造价，促进直流输电发展。直流输电技术的发展•换流阀应用更高参数的晶闸管，减少阀元件数；应用新型器件光直接触发日本三菱、德国西门子电容换相技术（CCC）瑞典ABB改善换流站无功特性，减少无功消耗强迫换相技术柔性直流输电技术减小换流站无功消耗防止换相失败户外式结构提高可靠性，降低成本。•滤波器连续调谐改善性能有源型减少占地直流输电技术的发展•直流控制保护硬件集成度进一步提高提高系统可靠性软件编程图示化、人机界面更友好在线监测自检功能提高、远方诊断主机实时操作系统•多端直流输电更加灵活、经济。应用控制技术意大利本土－科西嘉－撒丁岛拉地松－尼可来－桑地旁开发直流断路器，形成直流网络。•特高压直流技术±800kV、±1000kV我国的直流输电工程我国直流输电的发展一、研究阶段•1963年中国电科院闸流管6脉动物理模拟1kV,5A•1974年西高所BTB6脉动晶闸管换流站8.5kV,200A,1.7MW•1977年杨树浦电厂－九龙变23kV旧AC电缆改6脉动直流输电试验工程31kV,150A,4.65MW,8.6km二、工程阶段自１９８７年舟山直流工程开始1.已投运的高压直流工程(1)舟山直流工程舟山高压直流工程是我国第一个试验性小容量跨海高压直流输电工程，也是第一个具有完全自主知识产权的高压直流输电工程。此工程于1987年建成，额定直流电压为－100kV、额定直流电流0.5kA、额定输送直流功率50MW。直流线路西起浙江穿山半岛，跨海东至舟山岛，全长54km，其中包括海缆线路13km。其换流阀为水冷空绝缘型晶闸管阀，每极6脉动双重阀，每阀由192只耐压2.5kV/2.0kV的晶闸管串联而成。换流变压器为3相3绕组型。直流控制保护系统是基于小规模数字集成电路构建的。此工程的投产为缓解当时舟山岛用电紧张的局面发挥了重要作用。舟山工程地理位置1.已投运的高压直流工程(2)葛南直流工程葛南高压直流工程是我国第一个西电东送的长距离、大容量高压直流输电工程。两端换流站设备由当时的瑞士BBC公司和德国西门子公司联合供货，直流线路则自建。此工程于1990年8月双极投产，额定直流电压为500kV、额定直流电流1.2kA、额定输送直流功率1200MW。直流线路西起湖北宜昌、东至上海南桥，全长1045km。其换流阀为水冷空绝缘型晶闸管阀，每极12脉动四重阀，每阀由120只耐压5.5kV的晶闸管串联而成。换流变压器为单相3绕组型。此工程的直流控制保护系统是以BBC公司开发的PHSC系统为基础构建的（站控为P13系统）。PHSC系统是一种多处理器总线结构，代表了二十世纪八十年代初期的先进技术水平。2005年5月,对其直流控制保护系统进行了改造，用南瑞继保公司生产的MACH2系统替换了原来的PHSC系统。葛南直流工程南桥站1.已投运的高压直流工程(3)溗泗直流工程溗泗高压直流工程是我国第一个应用引进技术自己建设的跨海高压直流输电工程。此工程于2003年建成，额定直流电压为50kV、额定直流电流0.6kA、额定输送直流功率60MW。直流线路西起上海，跨海东至溗泗岛，全长66km，其中包括海缆线路60km。其换流阀为水冷空绝缘型晶闸管阀，每极6脉动二重阀，每阀由45只耐压3.6kV的晶闸管串联而成。换流变压器为单相3绕组型。直流控制保护系统是许继公司在引进的PHCS技术的基础上研制的。此工程的投产为缓解溗泗岛用电紧张的局面发挥了重要作用。1.已