直流输电基本原理0709

中国电力科学研究院曾南超直流输电基本原理内容提要•直流输电原理•换流器的结线方式•6脉动可控桥•换相过程•整流器运行•逆变器运行•等值电路图•稳态特性•两站控制特性的配合•交流量和直流量的近似关系•交直流谐波及无功补偿直流输电原理(正送)整流逆变注意:只需很小的压差Id直流输电原理(反送)整流逆变Id注意:只需很小的压差电流方向不变,仅电压极性反转！换流器的结线方式采用6脉动换流桥为基本单元与其他结线方式相比，6脉动换流桥的优点：•直流电压相同条件下，阀在断态下所承受的电压峰值较低；•直流输出功率相同条件下，换流变压器阀侧绕组容量较小；•换流变结线简单，无需两个副绕组或有中心抽头的副绕组；采用晶闸管元件（半控器件）•晶闸管导通条件正向电压触发脉冲•晶闸管关断条件电流过零晶闸管阴极阳极门极六脉动换流桥桥臂共阴极组共阳极组晶闸管阀塔6脉动二极管整流桥(未计入换相电感)eaebec共阳极组共阴极组IdId6脉动二极管整流直流电压（平均值）纹波整流器的阀电流和交流侧电流（不计换相）换相过程eaebec叠弧（换相电感）引起的电压降ddddIL3IL26ILf6UddIL335.1UU整流电压(平均值)电压降峰值整流6脉动可控桥a0时，考虑叠弧后整流电压平均值ddIL3cos35.1UaU-eaebeciaicibIdIdABCU+U-可控整流电压ddioddIL3cosUIL3cos35.1UaaUC电压矢量关系eaebec(ea+ec)/2电压矢量关系可控整流器的外特性换流器的等值电路可控整流器的阀两端电压波形单桥整流器相电流波形02468101221.510.50.511.52eaebeceaebecC1C2C3C4C5C6C1C1C2C3C4C5C6t561566126112312234233453445645561566126112312234233453445645p1p2p3p4p5p6p1p2p3p4p5p6u-u41vvaiii63vvbiii25vvciiiU+U-单桥整流器电压波形02468101221.510.50.511.52eaebeceaebecC1C2C3C4C5C6C1C1C2C3C4C5C6t561566126112312234233453445645561566126112312234233453445645p1p2p3p4p5p6p1p2p3p4p5p6u-u02468101210.50.5102468101210.50.51aaa3120180eaceabebaebcecbecaeaceabebaebcecbecatdu3VuU+U-整流桥波形整流运行直流电压相电流桥臂电压整流运行小结直流电压Vd＝Vdiocosa－dIdVdio＝1.35E理想空载直流电压E换流变阀侧线电压有效值d＝3L/等值换相电阻L从电源到阀桥之间的每相等值电抗Id直流电流单桥逆变器逆变器逆变器的直流电压（μ0）逆变电压经过计算a)IL3cos35.1(UddUACc4V5P1V5V1V1逆变器的阀电压与阀电流06.2812.5721.510.50.511.52ecebeaeaebecp4p3p6p1p2p5p1.p2P4p3p6p56126145634556112323434545656161212323445566112233445561223C6C4C4C2C3C5C6C1C2C3C5C1-uuiV1iV2iV3iV4iV5iV6单桥逆变器阀电流波形单桥逆变器换流变阀侧电流波形06.2812.5721.510.50.511.52ecebeaeaebecp4p3p6p1p2p5p1.p2P4p3p6p56126145634556112323434545656161212323445566112233445561223C6C4C4C2C3C5C6C1C2C3C5C1-uuiv1iv1-iv4-iv441vvaiii63vvbiiiiv3iv3-iv6-iv625vvciiiiv5-iv2-iv2iv5逆变桥波形逆变运行直流电压相电流桥臂电压逆变运行小结超前角＝180°－a迭弧角关断角(δ)熄弧角，换相余裕角直流电压Vd＝Vdiocos＋dIdVd＝Vdiocos－dIdVdio＝1.35E理想空载直流电压E换流变阀侧线电压有效值d＝3L/等值换相电阻Id直流电流逆变器定γ等值电路逆变器定β等值电路稳态特性单桥换流器稳态特性μδ=γ直流电压与a角的关系换流器的功率因数2aμμμμ相关公式总结ddIL3cos35.1UaU)IL3cos35.1(UddU整流逆变叠弧角UIL2cos)cos(daaa等值电路图稳态特性S点左侧Vd=Vdzocosa-IddzS点右侧定运行Vd=Vdoncos+Id(dn+R)定运行Vd=Vdoncos-Id(dn-R)Id=(Vdzocosa-Vdoncos)/(dz+R+dn)=(Vdzocosa-Vdoncos)/(dz+R-dn)控制特性配合1定α、定β定α、定γ②①Vd1.0(p.u.)0.0Id(p.u.)(p.u.)③①Vd1.00.0Id(p.u.)控制特性配合2定Id、定β定α、定IdVd1.0(p.u.)0.0Id(p.u.)(p.u.)Vd1.00.0Id(p.u.)Cc控制特性配合3定Ud、定IdVd1.0(p.u.)0.0Id(p.u.)(p.u.)Vd0.80.0Id(p.u.)BCbc控制特性配合4电流裕度控制Vd1.0(p.u.)0.0Id(p.u.)°γIdzIdnVd1.0(p.u.)0.0Id(p.u.)γ=18°IdzIn∆I电流调节器示意Id调节例小结控制直流功率的手段•改变a角(Vd＝1.35Ecosa－dId)调节范围大；连续调节；调节速度快。主要控制手段•改变换流变抽头位置(Vd＝1.35Ecosa－dId)调节范围小；分级调节；调节速度慢。辅助控制手段小结基本控制配合1•整流站控制Id由电流调节器控制IdId＝Ido由换流变抽头调节控制换流器αα=15º±2.5º•逆变站控制Ud由关断角调节器控制γγ＝17º由换流变抽头调节控制UdUd＝Udo±1%•例：三常、三广小结基本控制配合2•整流站控制Id由电流调节器控制IdId＝Ido由换流变抽头调节控制换流器αα=15º±2.5º•逆变站控制Ud由电压调节器控制UdUd＝Udo由换流变抽头调节控制γγ＝17º±2.5º•例：天广、贵广小结基本控制配合3•整流站控制Id由电流调节器控制IdId＝Ido由换流变抽头调节控制换流变阀侧空载电压Udi0不变。•逆变站控制Ud由关断角调节器控制γγ＝17º由换流变抽头调节控制换流变阀侧空载电压Udi0不变。•例：葛南交流量和直流量的近似关系•交流电流和直流电流换流桥交流侧电流有效值I=(6/)*Id=0.78Id换流桥交流侧基波电流有效值I1=(6/)*Id*k1k1=f(a,)•交流电压和直流电压Vd=[3*2/(2)]*E*[cosa+cos(a+)]•换流器视在功率W=3*E*I•换流器总功率因数cos=[cosa+cos(a+)]/2•交流功率和直流功率P=Pd忽略换流器损耗（1％Pdn）12脉动阀组12脉动桥电源侧电流波形p21p11p31p61p51p41p61p11p61ecbeabeacebcebaecaecbeabC21C31C41C51C61C11C21C11C61tu21duC22C32C42C52C62C12C22C12C62ecaecbeabeacebcebaecaecbeabp22p12p32p62p52p42p62p12p622dudI31dI)311(dI)321(21AAAiiidI31dI)311(dI)321(21BBBiiidI)311(dI31dI)321(21CCCiii直流谐波1.直流侧谐波•特征谐波n=kp6脉动换流器6、12、18、…12脉动换流器12、24、36、…•非特征谐波产生的原因：交流电压中含有谐波电压两个6脉动组的换流变漏抗／变比误差两极换流器运行参数不相等换流变三相漏抗误差触发脉冲不等距直流谐波直流谐波的危害1）对直流系统本身直流侧设备附加发热设备额定值运行费用2）对直流线路和接地极线路邻近通信系统的干扰主要是明线电话线路3）通过换流器使交流谐波换流器是频率转换器直流谐波2.对邻近通信线路产生噪声干扰干扰电压沿线分布计算：Vi=Kz*=Kz*Ie(i)Vi直流线路上i点谐波电压对电话线路产生的干扰电压Kz1kHz频率下直流线与电话线间的耦合阻抗n直流谐波次数Pn,Hfn次谐波的等效加权系数及耦合系数Inn次谐波电流(极线和地线中谐波电流代数和)Ie(i)i点等效谐波干扰电流实测：与直流线路相距1km平行架设一条实验线路，测量干扰电压。501222**nnnnfIPH直流滤波器等效干扰电流表示所有谐波的综合干扰效应，沿线分布Ieq(i)=[Ie(i)A2+Ie(i)B2]1/2Ie(i)A换流站A直流谐波电压源在i点产生的等效干扰电流幅值Ie(i)B换流站B直流谐波电压源在i点产生的等效干扰电流幅值3.性能衡量标准Ieq目前国际上尚无统一标准单极运行双极平衡运行葛洲坝工程(mA)450150天广工程(mA)1000500印度Rihand-Delhi810270直流谐波4.减小直流谐波的途径•增加脉动数超过12脉动不合算•减小阀的触发角受运行方式限制•改变直流线路参数增大衰减常数(理论)•装设直流滤波器工程应用5.直流滤波器类型•无源型(葛南、三常、三广等)•有源型完全有源型混合有源型(天广)直流谐波•直流滤波器类型选择•目前世界上已投运的高压直流输电工程中，两种型式的直流滤波器都有采用。•无源直流滤波器已有多年的运行经验，在大多数工程中采用。•有源直流滤波器首次于1991年在康梯—斯堪I工程中投入试运行，后来又在斯卡格拉克III和波罗的海电缆工程中被采用。我国天—广直流工程则是采用有源直流滤波器的远距离架空线路直流输电工程。直流谐波直流滤波器的配置方案目前世界上的HVDC工程，通常采用如下直流滤波器的配置方案：(1)在12脉冲换流器低压端的中性母线和地之间连接一台中性点冲击电容器以滤除流经该处的各低次非特征谐波，一般不装设低次谐波滤波器以避免增加投资。(2)在换流站每极直流母线和中性母线之间并联两组双调谐或三调谐无源直流滤波器。调谐到12／24／36次。三常直流滤波器贵广1回直流滤波器交流谐波及无功补偿换流变网侧电流波形六脉动阀组Y/Y六脉动阀组Y/D十二脉动阀组交流谐波及无功补偿1.换流器交流侧谐波(特征谐波)n＝kp±1k=1,2,3,….,n6脉动换流器5,7；11,13；17,19；23,25；….12脉动换流器11,13；23,25；35,37；….谐波次数，幅值。InI1/n换流器产生的谐波随运行工况而变化（如Id，a，）。2.交流谐波的危害损耗增加电器发热机械振动交流谐波随直流电流变化交流谐波及无功补偿3.谐波治理加装相应滤波器，不让谐波流入系统。背景谐波的影响低次谐波调谐滤波器单调谐，双调谐，三调谐高次谐波高通•普通交流滤波器•连续调谐安顺换流站交流场交流谐波及无功补偿4.换流器交流侧谐波(非特征谐波)非特征谐波产生原因：•Id中存在纹波•Uac中存在谐波•交流基波电压不对称•换流变阻抗相间差异•Y/Y和Y/换流桥点火角差异、变比差异、阻抗差异•点火脉冲不完全等距治理：必要时加装相应滤波器，如3次谐波滤波器。交流谐波及无功补偿5.谐波指标定义单次谐波畸变率Dn=Un*100%/U1总的谐波畸变率D=/U1*100%电话谐波