38upc柔性电力技术(电力电子技术在电力系统中的应用)课件第四章

第四章直流输电技术•是利用稳定的直流电具有无感抗，容抗也不起作用，无同步问题等优点而采用的大功率远距离直流输电。输电过程为直流。常用于海底电缆输电，非同步运行的交流系统之间的连络等方面。4.1概述高压直流输电是交流-直流-交流形式的电力电子变换电路。电力系统目前运行的高压直流输电称为常规高压直流输电。其换流器（又称为换流阀，包含整流器和逆变器）由半控型的晶闸管器件组成，故常规高压直流输电的换流器只能采取电网（源）换流方式。电压等级的划分：交流：330kV、500kV和750kV–超高压；1000kV-特高压。直流：±500kV、±600kV–超高压；±660kV、±800kV和±1000kV-特高压。华北南方东北西藏台湾西北华中华东煤电基地水电基地负荷中心我国能源资源分布图西部能源基地与东部负荷中心距离在800-3000公里左右，远距离、大容量输电是我国未来电网发展的必然趋势。我国同步电网现状（2005年）交流联网：东北–华北–华中同步电网，容量超过2.3亿千瓦直流联网：华中–华东、华中–南方、华中–西北跨区送电能力：1140万千瓦东北西藏西北南方台湾500kVAC2001/05±500kVDC1989/09500kVAC2003/09500kVAC2001/12500kVAC2002/04±500KVDC2004/02华东±120kVDC2005/07华北华中特高压交流试验示范工程1000kV晋东南—南阳—荆门特高压交流试验示范工程起于山西晋东南（长治）变站，经河南南阳开关站，止于湖北荆门变电站。全线单回路架设，全长654公里，跨越黄河和汉江。变电容量600万千伏安。系统标称电压1000千伏，最高运行电压1100千伏，静态投资约57亿元。这条线路于2006年8月开工建设，历经28个月建设完工。工程于2006年8月取得国家发展和改革委员会下达的项目核准批复文件，同年底开工建设，2008年12月全面竣工，12月30日完成系统调试投入试运行，2009年1月6日22时完成168小时试运行投入商业运行。3个纵向输电通道为：锡盟—北京东—天津南—济南—徐州—南京；张北—北京西—石家庄—豫北—驻马店—武汉—南昌；陕北(蒙西)—晋中—晋东南—南阳—荆门—长沙。3个横向输电通道为：蒙西—晋北—石家庄—济南—潍坊；靖边—晋中—豫北—徐州—连云港；雅安—乐山—重庆—长寿—万县—荆门—武汉—皖南—浙北—上海。一环网为：淮南—南京—泰州—苏州—上海—浙北—皖南—淮南长三角。(2)年电能损失小。直流架空输电线只用两根，导线电阻损耗比交流输电小；没有感抗和容抗的无功损耗；没有集肤效应，导线的截面利用充分。另外，直流架空线路的“空间电荷效应”使其电晕损耗和无线电干扰都比交流线路小。1、经济方面：(1)线路造价低。对于架空输电线，交流用三根导线，而直流一般用两根采用大地或海水作回路时只要一根，能节省大量的线路建设费用。对于电缆，由于绝缘介质的直流强度远高于交流强度，如通常的油浸纸电缆，直流的允许工作电压约为交流的3倍，直流电缆的投资少得多。与交流输电相比，高压直流输电的优点：2、技术方面：(1)不存在系统稳定问题，可实现电网的非同期互联，而交流电力系统中所有的同步发电机都保持同步运行。(2)限制短路电流。如用交流输电线连接两个交流系统，短路容量增大，甚至需要更换断路器或增设限流装置。然而用直流输电线路连接两个交流系统，直流系统的“定电流控制”将快速把短路电流限制在额定功率附近，短路容量不因互联而增大。(4)没有电容充电电流。直流线路稳态时无电容电流，沿线电压分布平稳。(5)节省线路走廊。按同电压500kV考虑，一条直流输电线路的走廊～40m，一条交流线路走廊～50m，而前者输送容量约为后者2倍，即直流传输效率约为交流2倍。(3)调节快速，运行可靠。直流输电通过可控硅换流器能快速调整有功功率，实现“潮流翻转”(功率流动方向的改变)，在正常时能保证稳定输出，在事故情况下，可实现健全系统对故障系统的紧急支援，也能实现振荡阻尼和次同步振荡的抑制。在交直流线路并列运行时，如果交流线路发生短路，可短暂增大直流输送功率以减少发电机转子加速，提高系统的可靠性。直流输电的缺点：(1)换流装置较昂贵。这是限制直流输电应用的最主要原因。在输送相同容量时，直流线路单位长度的造价比交流低；而直流输电两端换流设备造价比交流变电站贵很多。这就引起了所谓的“等价距离”问题。(2)消耗无功功率多。一般每端换流站消耗无功功率约为输送功率的40%～60%，需要无功补偿。(3)产生谐波影响。换流器在交流和直流侧都产生谐波电压和谐波电流，使电容器和发电机过热、换流器的控制不稳定，对通信系统产生干扰。(4)缺乏直流开关。直流无波形过零点，灭弧比较困难。目前把换流器的控制脉冲信号闭锁，能起到部分开关功能的作用，但在多端供电式，就不能单独切断事故线路，而要切断整个线路。(5)不能用变压器来改变电压等级。直流输电主要用于长距离大容量输电、交流系统之间异步互联和海底电缆送电等。与直流输电比较，现有的交流500kV输电(经济输送容量为1000kW、输送距离为300～500km)已不能满足需要，只有提高电压等级，采用特高压输电方式，才能获得较高的经济效益。HVDC的适用场合高电压、远距离、大容量输电跨海送电两个交流系统的非同期运行由地下电缆向大城市供电交流系统互联或者配电网增容时，作为限制短路容量的措施之一配合新能源输电特高压交流输电的主要优点：(1)提高传输容量和传输距离。随着电网区域的扩大，电能的传输容量和传输距离也不断增大。所需电网电压等级越高，紧凑型输电的效果越好。(2)提高电能传输的经济性。输电电压越高输送单位容量的价格越低。(3)节省线路走廊。一般来说，一回1150kV输电线路可代替6回500kV线路。采用特高压输电提高了走廊利用率。特高压输电的主要缺点：系统的稳定性和可靠性问题不易解决。从技术性能看HVDC的优点线路故障时的自防护能力强故障恢复时间AC单线：≈0.6-1sDC单极：≈0.2-0.35s单片绝缘子损坏AC：三相退出运行DC：降压运行从可靠性看HVDC的优点可靠性指标：强迫停运率、电能不可用率名称交流直流交流直流单回双回单极双极单回双回单极双极线路[次/百公里.年]0.2990.0540.1260.0550.290.0540.140.01两端变电（换流）站（次/年）0.5600.1204.800.200.60.061.40.25交直流工程综合强迫停运率从可靠性看HVDC与HVAC交直流输电线路的电能不可用率名称电能不可用率输电容量损失50％输电容量损失100％交流直流交流直流线路0.750.070.0500.016变电（换流）站0.070.620.0070.002总计0.820.690.0570.018结论：HVDC与HVAC的可靠性相当等价距离：HVDC与HVAC总投资费用相等时，输电线路的长度。架空线路：600-800km电缆线路：20-40km高压直流输电的历史•1928年，汞弧阀（具有冷阴极的汞蒸气离子阀）研制成功，使高压直流输电成为现实；•1954年瑞典哥特兰岛建立第一个HVDC系统；•1967年意大利的撒丁岛(Sardinia)工程；•1970年美国太平洋联络线(PacificIntertie)工程；•1972年，将加拿大魁北克(Québec)和新布伦兹维克(NewBrunswick)非同步连接起来的伊尔河(EelRiver)背靠背直流输电工程首次全部采用晶闸管阀，从此后新建的直流输电工程全部采用晶闸管换流阀，直流输电因此得到了很大的发展；•1973加拿大纳尔逊河(NelsonRiver)工程；•1984年巴西建立了电压等级最高的±600kVHVDC系统；•1998年阿根廷与巴西利用直流实现两国电网的互联；•1954年至今全世界共有90余个已建、在建、或已退役的直流输电工程，总容量约为82163MW；直流输电技术在我国的发展•1978年在上海投运了第一条31kV、150A、长度9km的直流输电试验线路；•1987年完成宁波至舟山的直流试验工程；•1990年，葛上500kV直流工程投运，标志着我国高压直流输电工程进入世界先进行列；•1997年建设天广直流，又重新引进了部分技术，直流输电技术得以衔接；•1998年开始建设三峡送出直流工程；•我国已成为世界上拥有直流输电系统最多的国家，目前已经投运和正在建设的直流工程有8项；•三常、三广、三沪、贵广工程双极容量均为3000MW，容量位居世界第二位。我国已投运的高压直流输电工程（截止2006年底）序号工程名称额定电压/kV额定电流/A额定容量/MW输送距离/km投运年份1舟山工程10050050541989年2葛南工程±5001200120010451989年3天广工程±500180018009802000年4三常工程±500300030008602002年5嵊泗工程±5060060662002年6三广工程±500300030009762004年7贵广Ⅰ回工程±500300030008822004年8灵宝工程120300036002005年9三沪工程±5003000300010402006年葛洲坝换流站南桥换流站•（2003-04-29）三常直流工程（三峡至常州±500千伏）创下两项世界记录：一项是在29个月的时间内，按计划完成全部工程建设任务，世界其他类似工程没有一个工程能按期完成；一项是单级输送功率160万千瓦，超过单级输送功率150万千瓦的世界记录。”•（2006年12月15日）世界上首个最高电压等级的±800千伏特高压直流输电工程：云南至广东±800千伏特高压直流输电工程，西起云南楚雄州禄丰县，东至广州增城市，输电距离1438公里，动态总投资137亿元，额定输电容量500万千瓦，是我国在建单条输电容量最大的工程之一，是云电送粤的主力通道。该条线路的输电能力相当于目前云南省全省用电负荷的80％。据了解，此前世界上已有的直流输电最高电压等级为±600千伏。•（2009年11.17）±800千伏特高压向家坝－上海直流输电示范工程，被誉为迄今为止世界上电压等级最高、输送容量最大、输电距离最长等18项世界纪录的直流输电工程。截至2020年我国±800kV直流投资规划情况分析表(单位：km，MW，亿元)主要设备：换流器、换流变压器、平波电抗器、交流滤波器、直流避雷器及控制保护设备等。高压直流输电系统接线图高压直流输电工作原理换流变压器：•接在换流桥与交流系统之间的电力变压器。采用换流变压器实现换流桥与交流母线的连接，并为换流桥提供一个中性点不接地的三相换相电压。换流变压器与换流桥是构成换流单元的主体。是交、直流输电系统中的换流、逆变两端接口的核心设备。•由于换流变压器的运行与换流器换相造成的非线性密切相关，它在漏抗、绝缘、谐波、直流偏磁、有载调压和试验等方面与普通电力变压器有不同的特点和要求。换流变压器在直流输电系统中的作用：1、传送电力；2、把交流系统电压变换到换流器所需的换相电压；3、利用变压器绕组的不同接法，为串接的两个换流器提供两组幅值相等、相位相差30°(基波电角度)的三相对称的换相电压以实现十二脉动换流；4、将直流部分与交流系统相互绝缘隔离，以免交流系统中性点接地和直流部分中性点接地造成直接短接，使得换相无法进行；5、换流变压器的漏抗可起到限制故障电流的作用；6、对沿着交流线路侵入到换流站的雷电冲击过电压波起缓冲抑制的作用。a)平波电抗器b)电容滤波c)谐振滤波器－＋dLdR)(aЈЈ«LRC)(b－＋dRdL1L2LnL1C2CnC)(c作用：防止轻载时直流电流断续，抑制直流故障电流的快速增加以及减小直流电流纹波。(a)单调谐滤波器(b)双调谐滤波器(c)双调谐带高通滤波器(d)二阶高通滤波器(e)三阶高通滤波器(f)C型阻尼高通滤波器图滤波器常用的接线方式CLCLRRRLRLRR1C1C1C1C1L1L2C2C2C2C)(a)(b)(c)(d)(e)(f作用：抑制换流器注入交、直流系统