第一章高压直流输电技术

高压直流输电技术昆明理工大学电力学院§第一章导论学习目的：1.了解直流输电的历史以及直流输电技术在我国的应用；2.掌握直流输电与交流输电的性能比较；3.掌握高压直流输电联络线的分类及直流输电的基本原理。本章重点：1.高压直流输电系统的构成；2.高压直流输电与交流输电运行特性比较；3.高压直流输电系统的主要元件及其作用。昆明理工大学电力学院1.1国外直流输电发展历史1954年以前——试验性阶段特点：（1）直流输电工程的参数比较低。（2）换流装置几乎都是采用低参数的汞弧阀。（3）发展速度较慢。昆明理工大学电力学院代表性工程1945年，德国爱尔巴-柏林：±220kV，60MW，115km（电缆），采用汞弧阀。1945年，瑞典脱罗里赫坦-密里路特：±45kV，6.5MW，50km（架空线），采用汞弧阀。1950年，原苏联卡希拉-莫斯科：±220kV，30MW，112km（电缆），采用汞弧阀（现已改为晶闸管阀）。昆明理工大学电力学院1954年-1972年——发展阶段特点：（1）直流输电设备的制造技术、施工质量、运行水平有了很大的提高，直流输电进入了工业实用阶段。（2）采用直流输电具有多方面的目的：水下输电；两个额定频率不同的交流系统互联；远距离、大功率输电。（3）换流装置仍采用汞弧阀，参数和质量有很大的提高与改善。昆明理工大学电力学院代表性工程1954年，瑞典大陆-果特兰岛工程：100kV，20MW，96km（水下电缆），采用汞弧阀。1965年，日本的佐久间工程：把50Hz和60Hz的两个不同频率的交流系统连接起来。1970年，美国太平洋联络线工程：±400kV，1440MW，1362km（架空线）。昆明理工大学电力学院1972年至现在——大力发展阶段特点：（1）新建设的直流工程几乎全部采用晶闸管阀。（2）这一阶段建设的直流输电工程几乎全是超高压工程。（3）单回线路的输电能力有了很大增加。（4）发展速度很快，而且规模越来越大。昆明理工大学电力学院第一阶段：汞弧阀换流时期1901年发明汞弧整流管，但只能用于整流，而不能进行逆变。1928年具有栅极控制能力的汞弧阀研制成功，不但可用于整流，也解决了逆变问题，它的问世使直流输电成为现实。1954年世界第一个工业性直流工程——果特兰岛直流工程在瑞典投入运行。1977年最后一个采用汞弧阀换流的直流工程投入运行。这个时期被称为汞弧换流时期。昆明理工大学电力学院从1954年世界上第一个工业性直流输电工程（哥特兰岛直流工程）在瑞典投入运行以后，到1977年最后一个采用汞弧阀换流的直流输电工程（纳尔逊河I期工程）建成，世界上共有12项汞弧阀换流的直流工程投入运行，其中最大的输送容量为1440MW（美国太平洋联络线I期工程），最高输电电压为±450kV（纳尔逊河l期工程），最长输电距离为1362km（太平洋联络线）。昆明理工大学电力学院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，使直流输电的发展受到限制。昆明理工大学电力学院第二阶段：晶闸管阀换流时期1970年，瑞典首先在果特兰岛直流工程上扩建了直流电压50kV，功率10MW，采用晶闸管换流阀的试验工程。1972年，世界上第一个采用晶闸管换流的伊尔河背靠背直流工程在加拿大投入运行。由于晶闸管换流阀比汞弧阀有明显优点，此后新建的直流工程均采用晶闸管换流阀。20世纪70年代以后汞弧阀被淘汰，开始了晶闸管换流时期。昆明理工大学电力学院特点:体积减小、成本降低；可靠性提高；晶闸管换流阀没有逆弧故障，而且制造、试验、运行、维护和检修都比汞弧阀简单而方便。昆明理工大学电力学院第三阶段：新型半导体换流设备的应用1997年3月，世界上第一个采用绝缘栅双极晶闸管（IGBT）组成电压源换流器的直流输电工业性试验工程在瑞典中部投入运行，其输送功率和电压为3MW、10kV，输送距离为10km。2000年，在瑞典、澳大利亚、爱沙尼亚和芬兰等地已有5个轻型直流输电工程投入运行。IGBT单个元件的功率小、损耗大，不利于大型直流输电工程采用。近期研制成功的集成门极换相晶闸管（IGCT）和大功率碳化硅元件有很好的应用前景。昆明理工大学电力学院1.2我国直流输电发展1963年中国电科院便建成1000伏/5安的直流输电物理模拟装置，并利用该装置开始了对直流输电换流技术及控制保护系统进行初步的研究。20世纪70年代以后，中国电科院用晶闸管替换原来的闸流管并采用了数字式的控制保护系统。中国直流输电跨越了汞弧阀换流时代，直接从晶闸管换流阀开始，并同时对直流输电的其他设备也进行了试制。1974年在西安高压电气研究所建成8.5kV、200A，容量1.7MW的背靠背换流试验站。1977年在上海利用杨树浦发电厂到九龙变电所之间的23kV交流报废电缆，建成了31kV、150A、4.65MW的直流输电实验工程，全长8.6km。昆明理工大学电力学院我国直流输电工程建设：•宁波－舟山群岛（100kV，50MW，1988年投运）•葛洲坝－上海（500kV，1200MW，1989年投运）•上海－嵊泗群岛（±50kV，60MW，2002年投运）•天生桥－广州（500kV，1800MW，2001年双极投运）•三峡左岸－常州（500kV，3000MW，2003年投运）•三峡－广东（500kV，3000MW，2004年投运）•贵州－广东（500kV，3000MW，2004年投运）•灵宝背靠背（西北－华中联网工程，2005年投运）•三峡－上海（500kV，3000MW，2007年投运）•贵州－广东二回（500kV，3000MW，2007年投运）昆明理工大学电力学院云广特高压直流输电工程是世界上第一个±800千伏直流输电工程，西起云南楚雄州禄丰县，东至广州增城，工程2009年单极投运，2010年双极投运，额定容量500万kW，额定电流3125A，输送距离1438km，动态总投资137亿元，是我国电网建设史上一个里程碑，在世界电力工程史上也是一个重大突破。昆明理工大学电力学院截至2007年，我国直流输电线路总长度达7085km，输送容量达1856万kW，线路总长度和输送容量均居世界第一。与此同时，超高压直流输电工程的设计建设、运行管理和设备制造水平也达到国际领先地位。为优化配置能源资源，我国正在实施发展特高压输电、大核电、大水电、大煤电的“一特三大”战略。到2020年，我国将建成覆盖华北、华中、华东地区的特高压交流同步电网，建成±800kV向家坝-上海、锦屏-苏南、溪洛渡-株洲、溪洛渡-浙西等特高压直流工程l5个，包括特高压直流换流站约30座，线路约2.6万km，输送容量达9440万kW，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。昆明理工大学电力学院国家电力公司部署了“西电东送、南北互联、全国联网”的方针。全国互联电网的基本格局是：以三峡输电系统为主体，向东西南北方向辐射，形成以北、中、南送电通道为主体，南北电网间多点互联，纵向通道联系较为紧密的全国互联电网格局。北、中、南三大片电网之间原则上采用直流背靠背或常规直流隔开，以控制交流同步电网的规模。昆明理工大学电力学院RectifierInverterLine/CableACsystemACsystemHVDCHighVoltageDirectCurrent1.3直流输电工程系统构成及元件昆明理工大学电力学院目前电力系统中的发电和用电的绝大部分均为交流电，要采用直流输电必须进行换流。整流：在送段将交流电变换为直流电，经过直流输电线路将电能送往受端。（整流站）逆变：在受端将直流电变换为交流电，送到受端的交流系统中去。（逆变站）昆明理工大学电力学院直流输电工程的系统结构：两端（或端对端）直流输电系统：只有一个整流站和一个逆变站的直流输电系统，它与交流系统只有两个连接端口，是结构最简单的直流输电系统。多端直流输电系统：与交流系统有三个或三个以上的连接端口，有三个或三个以上的换流站。昆明理工大学电力学院一、两端直流输电系统一个两端直流输电工程，除整流站、逆变站和直流输电线路以外，还有接地极、接地引线和一个满足运行要求的控制保护系统。两端直流输电系统可分为单极系统（正极或负极）、双极系统（正负两极）和背靠背直流系统（无直流输电线路）三种类型。昆明理工大学电力学院（一）单极系统a.单极大地回线方式单极大地回线方式是利用一根导线和大地（或海水）构成直流侧的单极回路，两端换流站均需接地。这种方式的大地（或海水）相当于直流输电线路的一根导线，流经它的电流为直流输电工程的运行电流。昆明理工大学电力学院昆明理工大学电力学院b.单极金属回线方式单极金属回线方式是利用两根导线构成直流侧的单极回路，其中一根低绝缘的导线用来代替单极大地回线方式中的地回线。昆明理工大学电力学院昆明理工大学电力学院（二）双极系统1.双极两端中性点接地方式2.双极一端中性点接地方式3.双极金属中线方式昆明理工大学电力学院双极两端中性点接地方式昆明理工大学电力学院双极一端中性点接地方式昆明理工大学电力学院双极金属中线方式昆明理工大学电力学院（三）背靠背直流系统系统昆明理工大学电力学院二、多端直流输电系统将直流系统联接到交流电网上的节点多于两个，就构成了多端高压直流系统。如果两个直流系统接到一个共同的交流系统上，并且两个直流系统之间的交流阻抗较小，就构成了多馈入直流系统。多端直流输电系统可以解决多电源供电或多落点受电的输电问题，它还可以联系多个交流系统或者将交流系统分成多个孤立运行的电网。昆明理工大学电力学院昆明理工大学电力学院高压直流输电系统的主要元件昆明理工大学电力学院（1）换流器完成交-直流和直-交流转换，由阀桥和有抽头切换器的变压器构成。阀桥包括6脉波或12脉波的高压阀。换流变压器向阀桥提供适当等级的不接地三相电压源。昆明理工大学电力学院（2）平波电抗器这些大电抗器有高达1.0H的电感，在每个换流站与每极串联，它们有以下作用：1.降低直流线路中的谐波电压和电流；2.防止逆变器换相失败；3.防止轻负荷电流不连续；4.限制直流线路短路期间整流器中的峰值电流。昆明理工大学电力学院（3）谐波滤波器换流器在交流和直流两侧均产生谐波电压和谐波电流。这些谐波可能导致电容器和附近的电机过热，并且干扰远动通信系统。因此，在交流侧和直流侧都装有滤波装置。昆明理工大学电力学院（4）无功功率支持直流换流器内部要吸收无功功率。稳定条件下，所消除的无功功率是传输功率的50%左右。在暂态情况下，无功功率的消耗更大。因此，必须在换流器附近提供无功电源。对于强交流系统，通常用并联电容补偿的形式。根据直流联络线和交流系统的要求，部分无功电源可采用同步调相机或静止无功补偿器（SVC）。用作交流滤波的电容也可以提供部分无功功率。昆明理工大学电力学院（5）电极大多数的直流联络线设计采用大地作为中性导线，至少在较短的一段时间内是这样。与大地相连接的导线需要有较大的表面积，以便使电流密度和表面电压梯度最小。这个导线被称为电极。如前所述，如果必须限制流经大地的电流，可以用金属性回路的导体作为直流线路的一部分。昆明理工大学电力学院（6）直流输电线它们可以是架空线，也可以是电缆。除了导体数和间距的要求有差异外，直流线路与交流线路十分相似。（7）交流断路器为了排除变压器故障和使直流联络线停运，在交流侧装有断路器。它们不是用来排除直流故障的，因为直流故障可以通过换流器的控制更快地清楚。昆明理工大学电力学院1.4直流输电工程的特点一、直流输电的优点（1）输送相同功率时，线路造价低。（2）线路损耗小。（3）适宜于海下输电。（4）没有系统稳定问题。（5）能限制系统的短路电流。（6）调节速度快、运行可靠。（7）实现交流系统的异步连接。昆明理工大学电力学院二、直流输电的缺点：（1）换流站的设备较多、结构复杂、造价高、可靠性差。（2）换流装置要消耗大量的无功功率。（3）产生谐波影响。（4）换流装置几乎没有过载能力，对直流系统的运行不利。（5）缺乏高压开关。（6）直