高压直流输电的基本控制原理ppt(共65页)

第6章高压直流输电6.1高压支流输电概述6.2换流器的工作原理6.3高压直流输电系统的谐波抑制及无功补偿6.4高压直流输电的基本控制原理6.1高压直流输电概述高压直流输电(HVDC)将发电厂发出的交流电通过换流器转变为直流电(即整流)，然后通过输电线路把直流电送入受电端，再把直流电转变为交流电供用户使用(即逆变)。电力电子技术的一个重要应用领域，与其他应用技术相比，其实用化较早、电压与功率等级最高。6.1.1高压直流输电的发展1882年，法国物理学家德普勒用1500～2000V的直流发电机经57km的线路，把电力由米斯巴赫煤矿传送到在慕尼黑举办的国际展览会上，标志着直流输电技术的诞生。1882年诞生随着电力系统的迅速发展，带来远距离输电同步稳定性等一系列问题。1954年20世纪50年代后瑞典建成通过海底电缆向果特兰岛供电的±100kV、90km、20MW、采用汞弧阀变流的直流输电工程。标志着直流输电进入了一个新的时期。第一个采用晶闸管阀的大规模高压直流输电系统是于1972年建立的依尔河系统，它是连接加拿大新不伦威克省和魁北克省的一个±80kV/320MW背靠背高压直流输电系统。20世纪70年代晶闸管阀出现巴西伊泰普直流输电工程架空线路最高电压(±600kV)和最大输送容量(6300MW)南非英加—沙巴直流输电工程最长架空直流线路传送距离(1700km))英法海峡直流输电工程电缆线路的最大输送容量2000MW)瑞典—德国的波罗的海高压直流输电工程电缆线路的最高电压(450kV)和最长距离(250km)俄罗斯—芬兰之间的维堡高压直流输电工程背靠背换流站的最大容量(1065MW)高压直流输电自20世纪50年代兴起至今，全世界有80多项高压直流输电系统投入运行。1.1977年在上海建设成并投运了我国第一条31kV、4650kW，长8.6km的直流输电试验线路。2.1987年，我国投产了第一项高压直流输电工程浙江大陆——舟山群岛的跨海输电(50MW，100kV)工程，填补了我国高压直流输电工程的空白，为今后发展和建设高压直流输电工程提供了宝贵的建设和运行经验。3.1989年葛洲坝—上海高压直流输电工程的投入运行，标志我国高压直流输电工程已迈入世界先进行列。该直流系统采用500kV双极联络线，额定容量为1200MW，输电距离为1045km，它的建成把华东、华中这两个装机容量超过14GW的大电网连接起来，形成了我国第一个大电网联合系统，使长江葛洲坝水电站的电能源源不断送往上海。我国对高压直流输电的研究起步较晚1.4.我国第一个交直流并联运行系统天生桥—广州直流输电工程于2001年6月全面建成投运，该工程线路长度约980km，送电容量为1800MW，电压为±500kV。嵊泗高压直流输电工程是我国自行设计和建造的海底电缆高压直流工程于2002年全部建成。2.5.三峡工程的兴建、全国联网和西电东送步伐的进一步加快，为扩大高压直流输电技术的应用创造了良好的条件。3.2004年底，三峡—常州、三峡—广东、贵州—广东±500kV、3000A、3000MW的高压直流输电工程投运，标志着我国的高压直流输电技术已跨入世界先进行列。随着电力电子技术的进步和高压直流输电设备价格的下降，将使压直流输电的优势更加明显，在未来的电力系统中将会更具竞争力。我国对高压直流输电的研究起步较晚6.1.2高压直流输电的特点1.高压直流输电的优点(1)直流输电架空线路的造价低、损耗小。(2)高压直流输电不存在交流输电的稳定性问题，直流电缆中不存在电容电流，因此有利于远距离大容量送电。(3)高压直流输电可以实现额定频率不同(如50Hz、60Hz)的电网的互联，也可以实现额定频率相同但非同步运行的电网的互联。(4)采用高压直流输电易于实现地下或海底电缆输电(5)高压直流输电容易进行潮流控制，并且响应速度快、调节精确、操作方便。而交流线路的潮流控制比较困难。(6)高压直流输电工程便于分级分期建设和增容扩建，有利于及早发挥投资效益。2.直流输电的缺点(1)直流输电的换流站比交流变电站设备多、造价高、结构复杂、运行费用高。(2)换流器工作时需要消耗较多的无功，需要进行无功补偿。(3)换流器工作时，在直流侧和交流侧均产生谐波，必须装设滤波装置，使换流站的造价、占地面积和运行费用大幅度提高。(4)直流电流没有电流的过零点，灭弧较难。因此高压直流断路器制造困难，不能形成直流电网。(5)直流输电利用大地(或海水)为回路会产生一系列技术性问题。6.1.3高压直流输电的结构类型高压直流输电工程的系统结构可分为两端直流输电工程和多端直流输电工程两大类。两端直流输电系统与交流系统只有两个连接端口，一个整流站和一个逆变站，即只有一个送端和一个受端。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。直流输电工程按照直流联络线可分以下几类：(1)单极联络线直流输电系统中换流站出线端对地电位为正的称为正、极，对地电位为负的称为负极。在单级系统中，一般采用正极接地，相当于输电系统中只有一个负极，称为单级系统的负极运行。图6-2单级HVDC联络线采用负极运行的优点是：直流架空线路受雷击的概率以及电晕引起的无线电干扰都比正极运行时少。单级系统的构成方式可分为大地(海水)回流和金属导线回流。--I(2)双极联络线双极联络线有两根导线，一正一负，每端有两个额定电压的换流器串联在直流侧，两个换流器间的连接点接地。正常时，两极电流相等，无接地电流。若因一条线路故障而导致一极隔离，另一极可通过大地运行，承担一半的额定负荷，或利用换流器及线路的过载能力，承担更多的负荷。图6-3双极联络线结构--I+I+(3)同极联络线同级联络线导线数不少于两根，所有导线同极性。通常导线为负极性，因为这样由电晕引起的无线电干扰较小。系统采用大地作为回路，当一条线路发生故障时，换流器可为余下的线路供电。这些导线有一定的过载能力，能承受比正常情况更大的功率。图6-4同极联络线结构----III(4)背靠背直流输电系统背靠背直流输电系统是输电线路长度为零(即无直流联络线)的两端直流输电系统，主要用于两个非同步运行的交流系统的联网，其整流站和逆变站的设备通常装设在一个站内。由于背靠背直流输电系统无直流输电线路，直流侧损耗较小，所以直流侧电压等级不必很高。图6-5背靠背直流输电系统结构6.1.4高压直流输电系统的结构和元件图6-6双级HVDC系统以双级HVDC系统为例，HVDC系统的主要元件：(1)换流器(2)滤波器(3)平波电抗器；电感值很大，在直流输电中有着非常重要的作用：1)降低直流线路中的谐波电压和电流。2)限制直流线路短路期间的峰值电流。3)防止逆变器换相失败。4)防止负荷电流不连续。(4)无功功率源(5)直流输电线(6)电级(7)交流断路器6.2换流器的工作原理6.2.1换流阀在直流输电系统中，为实现换流所需的三相桥式换流器的桥臂，称为换流阀。换流阀功能半导体阀可分为晶闸管阀(或可控硅阀)、低频门极关断晶闸管阀(GTO阀)、高频绝缘栅双级晶体管阀(IGBT阀)三类。整流逆变开关晶闸管阀是由晶闸管元件及其相应的电子电路、阻尼回路、阳极电抗器、均压元件等通过某种形式的电气连接后组装而成的换流桥的桥臂。阀的结构晶闸管级(单元)由晶闸管元件及其所需的触发、保护及监视用的电子回路、阻尼回路构成；阀组件由串联连接的若干个晶闸管级和阳极电抗器串联后再与均压元件并联构成；单阀由若干个阀组件串联组成，由于单阀可构成6脉动换流器的一个臂，故单阀又称为阀臂；二重阀由6脉动换流器一相中的2个垂直组装的单阀组成；四重阀由12脉动换流器垂直安装在一起的4个单阀构成。图6-7阀的电气连接示意图(a)晶闸管级；(b)阀组件；(c)单阀(桥臂)；(d)换流桥6.2.212脉动换流器在大功率、远距离直流输电工程中，为了减小谐波影响，常把两个或两个以上换流桥的直流端串联起来，组成多桥换流器。多桥换流器结构由偶数桥组成，其中每两个桥布置成为一个双桥。每一个双桥中的两个桥由相位差为30º°的两组三相交流电源供电，可以通过接线方式分别为Y—Y和Y—D的两台换流变压器得到。图6-812脉动换流桥双桥换流器：如果换流器只有一对换流桥串联组成，则称这样的换流器为双桥换流器。结构特点：共有12个阀臂，正常运行时阀臂开通的顺序为11—12—21—22—31—32—41—42—51—52—61—62，各个臂开通的时间间隔为交流侧周期的十二分之一(即在相位上间隔30º°)。由于整流输出电压在每个交流电源周期中脉动12次，故该换流桥也称为12脉动换流桥。直流电压和交流电流波形(忽略换流过程)波形分析：交流系统流向变压器一次侧总电流的基波分量为两个桥电流的基波分量之和。不考虑换流重叠角时，其波形如图所示。可以看出，交流系统流向变压器一次侧的总电流比单桥换流器的电流更接近于正弦波。在双桥换流器中，其交流侧的6k1次(k为奇数)谐波分量被有效地消除，这显著地减少了滤波器的投资。此外，采用双桥换流器时，直流电压的纹波也将显著减小。6.2.3高压直流输电的稳态计算采用多桥换流器时，交流和直流量之间的关系讨论如下：(1)直流侧电压整流器直流电压Udr为逆变器直流电压Udi为drr2rBrdrdr0Brd31.35coscosπUNUXINURIdii2iBididi0Bid31.35coscosπUNUXINURIdii2iBididi0Bid31.35coscosπUNUXINURI(2)直流侧电流单极方式双极方式drdiddUUIRdrdidd2UUIR式中：Rd为直流回路电阻，主要包括直流线路电阻、平波电抗器电阻、单极方式包括接地极引线电阻和接地极电阻等。(3)交流侧电流交流侧变压器二次侧电流Ia与直流侧电流Id的关系为交流侧变压器二次侧基波电流有效值Ia1与直流侧电流Id的关系为add20.8163IIIa1dd60.78πIII(4)直流功率整流站直流功率单极方式双极方式逆变站直流功率单极方式双极方式直流线路损耗drdrdPUIdrdrd2PUIdididPUIdidid2PUI2ddrdiddPPPRI6.3高压直流输电系统的谐波抑制及无功补偿任何形式的换流器在换流的同时都会产生谐波，高压直流输电系统也不例外。谐波不仅影响着电能质量，而且对电网本身、电网中的电力设备、计量装置、保护装置、通信系统都会产生严重的干扰。因此必须对高压直流输电系统产生的谐波进行准确分析计算并合理配置滤波装置。由于滤波器在工频下呈容性，因此除了抑制谐波外还可起无功补偿的作用。6.3.1高压直流输电系统的谐波特点直流输电系统的平波电抗器电抗值通常比换相电抗值要大的多，所以对于与换流器连接的交流系统来说，换流器及其直流端所连接的直流系统可以看作一个高内阻抗的谐波电流源。为了正确估计谐波所引起的不良影响、正确设计和选择滤波装置，必须对直流输电系统中的谐波进行分析。在分析谐波时，通常先采用一些理想化的假设条件，这样不但可以使分析得到简化，而且对谐波中的主要成分可以得出具有一定精度的结果，根据这些假设条件，得出有关特征谐波的结论。然后，对某些假定条件加以修正，使分析计算接近于直流输电系统实际的运行和控制情况。简化假设条件如下：(1)交流电压是三相对称、平衡的正弦电压，除了基波以外，没有任何谐波分量。(2)换流变压器的三相结构对称，各相参数相同。(3)换流器的直流侧接有无限大电感的平波电抗器，直流电流是没有谐波分量的恒定电流。(4)在同一换流站中，各换流阀以等时间间隔的触发脉冲依次触发，且触发角保持恒定。实际上，用于计算特征谐波的理想条件是不存在的，总是存在比较小量的非特征谐波。特征谐波单纯由于换流器接线方式而产生的谐波称为特征谐波。例如：一个脉动数为p的换流器，在它的直流侧将主要产生n=kp次的电压谐波，而在它的交流侧将主要产生n=kp±1次的电流谐波，其中k为任意的整数。