第三章-直流输电稳态特性

2012-09-271高压直流输电技术HighVoltageDirectCurrentTransmissionTechnology西安交通大学高压教研室汲胜昌2012年09月~11月版权所有，未经许可，请勿自行传播2012-09-272第三章直流输电的稳态特性2012-09-273第3章直流输电的稳态特性☆3.1直流输电工程额定值☆3.2直流输电最小输送功率☆3.3直流输电过负荷☆3.4直流输电降压运行☆3.5双极对称与不对称运行方式☆3.6直流输电系统的稳态运行特性☆3.7直流输电系统损耗2012-09-2743.1直流输电工程额定值一、额定值的概念直流输电工程的额定值主要是指工程在长期连续运行时的输送能力，以功率额定值、电压额定值和电流额定值来表示，它们分别被称为工程的额定功率、额定电压和额定电流。额定值是进行工程设计、设备参数选择以及决定工程造价的基础参数。在进行工程设计时，对工程的过负荷额定值、降压运行额定值和功率倒送额定值也需作出规定。2012-09-275额定直流功率是指在所规定的系统条件和环境条件的范围内，在不投入备用设备的情况下，直流输电工程连续输送的有功功率。直流输电工程是以一个“极”为一个独立运行单位。每个极的额定直流功率为极的额定直流电压和额定直流电流的乘积。直流输电的主回路系统通常包括整流站、逆变站和直流输电线路三部分，每一部分都有损耗，因此额定直流功率的测量点需做出规定，通常：额定直流功率的测量点在整流站的直流母线处。二、额定直流功率2012-09-276在额定直流功率和输电距离确定的条件下，可以对额定直流电压进行优化选择。额定直流电压选定后，则自然就有了额定直流电流，因为它等于额定直流功率除以额定直流电压。逆变站直流母线的额定功率和额定电压是从整流站的数值中减去直流线路损耗或线路压降而得到的。2012-09-277换流器的最大直流功率（换流器的有功功率）额定直流功率=最大直流功率？(1)整流站的单极直流功率：Pd1=Ud1×Id(2)逆变站的单极直流功率：Pd2=Ud2×IddrddIXUU10113cosdrddIXUU20223cosRUUIddd21由此可知：在运行中可以通过改变α或γ以及Ud01或Ud02来改变Id和Ud，从而得到不同的Pd。2012-09-278对于一个给定的交流和直流系统，当Ud01和Ud02为最大值、α和γ为最小值、Id为最大值，xr1和xr2给定时，可得到换流器的最大有功功率。ddrddddIIXUIUP)3cos(10111当dPd1/dId=0时，可得到整流器在给定系统条件下，达到最大有功功率时的直流电流IdPM1：10116cosrddPMXUI以整流器为例说明：11dPMdMIUP通常换流器的额定容量和额定电流均比其最大值要小许多。只有在故障情况下，Id大幅增加时，换流器才有可能瞬时接近其最大有功功率。2012-09-279额定直流电流是直流输电系统直流电流的平均值，它应能在规定的所有系统条件和环境条件下长期连续运行，没有时间的限制。额定直流电流对设备类型、参数以及换流站冷却系统的设计具有重要意义。当额定直流功率确定后，额定直流电流通常是由额定直流电压的选择来确定。通常背靠背直流输电工程，由于无直流输电线路，可以选择较低的额定直流电压和较大的额定直流电流；而远距离输电直流输电工程，则选择较高的额定直流电压和较小的额定直流电流。三、额定直流电流2012-09-2710额定直流电压是在额定直流电流下输送额定直流功率所要求的直流电压的平均值。在换流站的额定交流电压、换流变压器额定抽头以及换流器额定触发角的条件下，运行在额定直流电流下的直流电压。通常规定送端整流站的额定直流电压为工程的额定直流电压。换流站额定直流电压的测量点在换流站直流高压母线上的平波电抗器线路侧和换流站的直流低压母线之间，接地极引线除外。四、额定直流电压TVLd2012-09-2711直流输电工程的额定直流电压目前还没有像交流输电（如：35、110、220、330、500、750、1000kV等）那样形成电压等级的系列，对每一个直流工程都要进行额定直流电压的优化选择。原因：1）直流输电工程数目较少；2）换流技术经历过从汞弧阀到晶闸管（还有IGBT）的转变。局面：造成了额定直流电压较繁杂，未形成系列，如：17、25、50、70、80、82、85、100、125、140、150、160、180、200、250、266、270、350、400、450、500、533、600、660、800等。2012-09-2712随着直流输电技术的发展、成熟以及工程数量的增多，直流输电的额定直流电压也会像交流输电那样，形成一定的电压等级系列，以利于设备的制造和降低工程费用。2012-09-27133.2直流输电最小输送功率直流输电工程的最小输送功率主要取决于工程的最小直流电流，而最小直流电流则是由直流断续电流来决定的。直流电流不是平直的，而是叠加有波纹的。电流波纹的幅值取决于直流电压的波纹幅值、直流线路参数以及平波电抗器电感值等。当直流电流的平均值小于某一定值时，直流电流波形可能出现间断，即直流电流出现断续现象。这种电流断续的状态，对于直流输电工程是不能允许的。因为电流断续将会在换流变压器、平波电抗器等电感元件上产生很高的过电压。因此，直流输电工程规定有最小直流电流限值，不允许直流运行电流小于此限值。通常取等于或大于连续电流临界值的两倍。2012-09-2714假定：①平抗线路侧的电压恒定，无纹波；②平抗的桥侧，直流电压波形是由正弦波形的弧线组成的（6段或12段）；③不计平抗的电阻。如何确定连续电流临界值？对于6脉动桥来说，如下图所示：Ldid(t)Udud(t)eaebec零参考相位)90sin()30sin()150sin(tEetEetEemcmbmaddddUtuttiL)(d)(d2012-09-2715ddddUtuttiL)(d)(dtUtuLtiddddd])([1)(对于ud(t)而言，在不计换相角时，它是由交流线电压正弦波的弧线段组成，每段60°。起始弧度由触发角α决定。例如，对于V1向V3换相后的60°弧线段，为（eb-ec）的一部分，起于ωt=α，终于ωt=60°+α，即：3)3sin(3)(ttEtumd另外，当不计平抗电阻时，平抗线路侧的电压为：cos0ddVU2012-09-2716因此，平抗两端的电压差为：Ldid(t)Udud(t)cos)3sin(3cos)3sin(3)(000dddmddVtVVtEUtu]cos)()6sin(3[])(cos)3cos(3[d]cos)3sin(3[1d])([1)(000cttLVcttLVttVLtUtuLtidddddddddd2012-09-2717]cos)()6sin(3[)(0cttLVtiddd因为：ωt=α或ωt=60°+α时，电压最小，这时直流电流也出现最小值，假定此时恰好是id=0的情况（临界，再小就断续了）。即：令ωt=α时，id=0，由此可得：]cos)()6sin(3[00cLVdd所以：)6sin(3cosc)}(cos)]6sin()6[sin(3{)(0ttLVtiddd2012-09-2718)}(cos)]6sin()6[sin(3{)(0ttLVtiddd所以，临界直流电流的平均值为：3)6()d()(3ttiIddlj)sin0931.0(0ddLV6脉动同理，对于12脉动来说，临界直流电流为：)sin023.0(0)12(dddljLVI12脉动连续直流电流临界值与平抗值、触发角α以及脉动数有关2012-09-2719在进行直流输电工程设计时，先选定最小直流电流值，为其额定直流电流的5%~10%。)sin0931.0(0)6(dddljLVI)sin023.0(0)12(dddljLVI另外，最小直流电流值通常取等于或大于连续电流临界值的两倍。即：连续电流临界值为最小直流电流值的1/2。这就可以根据上式对平抗的电感值进行核算或选择。直流输送功率为直流电压和直流电流的乘积，当最小直流电流确定后，则可得到最小直流输送功率。2012-09-2720直流输电工程大多有降压运行的功能，此时α增大，sinα增大，临界连续电流值增大，从而要求的最小直流电流也要增大。所以，若此时Ld不变，降压运行有可能产生电流断续现象。例如：α=0时，Idlj=0，假定选择最小直流电流为0；若α增加，还按最小直流电流为0来运行，则会产生断续。这时，应增大Ld，使临界连续电流也减小才行。大部分直流输电工程，在选定的平抗电感值情况下，降压运行不需要提高最小直流电流值。由于降压运行时直流电压的降低，当最小直流电流不变时，直流工程的最小输送功率也将相应减小。2012-09-27213.3直流输电过负荷直流输电过负荷——通常指直流电流高于其额定值。过负荷能力——指直流电流高于其额定值的大小和持续时间的长短。换流设备的过负荷能力决定于直流电流。根据系统运行需要，过负荷形式分为：（1）连续过负荷；（2）短期过负荷；（3）暂态过负荷在直流输电工程设计时，需对其过负荷能力进行规定。2012-09-2722主要在双极直流输电工程中，当一极故障长期停运或者当电网的负荷或电源出现超计划水平时采用。在此运行条件下，无时间限制。在最高环境温度下，投入备用冷却设备时的连续过负荷电流值约为额定直流电流的1.05～1.10倍。通常取连续过负荷额定值小于额定直流电流的1.20倍。因为额定直流电流是在最严酷条件下都可以正常运行的，若环境温度降低，冷却设备投入，则可以长期的过负荷。换流变、平抗绕组的热点温度，晶闸管结温，都不允许超过其规定值（1）连续过负荷2012-09-2723（2）短期过负荷在大多数情况下，大部分设备故障和系统要求，只需要直流输电在一定的时间内提高输送能力，而不需要连续过负荷运行。（在此时间内，故障可修复或系统的调度可采取相应的措施）通常选择2h为短期过负荷持续时间。(只要直流输电在一定时间内提高输送能力，不需要连续过负荷运行）短期过负荷额定值取直流电流额定值的1.10倍。此时，换流变和平抗不是限制因素，主要是晶闸管换流阀及其冷却系统的设计时需考虑短期过负荷。2012-09-2724（3）暂态过负荷为满足利用直流输电的快速控制来提高交流系统暂态稳定的要求，在数秒钟内直流电流高于其额定值的能力。持续时间一般为3～10s。对于常规的设计，晶闸管换流阀5s的过负荷能力可达到额定直流电流的1.3倍。我国天广、三常、三广已达到1.5倍。若增加冷却系统的容量，暂时过负荷能力还可提高晶闸管是唯一的限制因素。2012-09-2725直流输电过负荷总结：项目连续过负荷短期过负荷暂态过负荷持续时间限制因素过负荷能力持续时间无2h3～10s限制因素换流变、平抗、晶闸管晶闸管及其冷却系统晶闸管过负荷能力1.05～1.10IdN1.1IdN1.3IdN2012-09-2726过负荷设计时考虑因素（1）环境温度（重要）电力设备的额定值通常是设计在最高环境温度下的，而最高温度只在有限的时间内发生，在低于此温度时，就有进一步提高输送容量的余度。（2）设备的热时间常数（温度改变的时间）热时间常数小的设备，应考查各种过负荷运行条件下的温度值不能超过其安全运行的温度值。如：换流阀需计算在过负荷情况下产生的热量以及冷却系统的要求。热时间常数大的设备，依情况而定。如油冷换流变压器、平波电抗器等