课件-高压直流输电-系统(李兴源)

高压直流输电系统李兴源四川大学第1章导论在特定条件下，高压直流（HVDC）输电的优点超过交流输电：超过30km左右的水下电缆两个交流系统之间的异步联接大容量远距离架空线输电1.1高压直流输电运行特性及其与交流输电的比较（1）技术性能；（2）可靠性；（3）经济性。技术性能的比较（1）功率传输特性众所周知，随着输送容量不断增长，稳定问题越来越成为交流输电的制约因素。为了满足稳定问题，通常需采取串补、静补、调相机、开关站等措施，有时甚至不得不提高输电电压。但是，这将增加很多电气设备，代价是昂贵的。直流输电没有相位和功角，当然也就不存在稳定问题，只要电压降、网损等技术指标符合要求，就可达到传输的目的，无需考虑稳定问题，这是直流输电的重要特点，也是它的一大优势。（2）线路故障时的自防护能力交流线路单相接地后，其消除过程一般约0.4～0.8s，加上重合闸时间，约0.6～1s恢复。直流线路单极接地，整流、逆变两侧晶闸管阀立即闭锁，电压降到零，迫使直流电流降到零，故障电弧熄灭不存在电流无法过零的困难，直流线路单极故障的恢复时间一般在0.2～0.35s内。从自身恢复的能力看，交流线路采用单相重合闸，需要满足单相瞬时稳定，才能恢复供电，直流则不存在此限制条件。若线路上发生的故障在重合（直流为再启动）中重燃，交流线路就三相跳闸了。直流线路则可用延长留待去游离时间及降压方式来进行第2、第3次再启动，创造线路消除故障、恢复正常运行的条件。对于单片绝缘子损坏，交流必然三相切除，直流则可降压运行，且大都能取得成功。（3）过负荷能力通常，交流输电线路具有较高的持续运行能力，受发热条件限制的允许最大连续电流比正常输送功率大得多，其最大输送容量往往受稳定极限控制。直流线路也有一定的过负荷能力，受制约的往往是换流站。通常分2h过负荷能力、10s过负荷能力和固有过负荷能力等。前两者葛上直流工程分别为10％和25％，后者视环境温度而异。总的来说，就过负荷能力而言，交流有更大的灵活性。直流如果需要具有更大的过负荷能力，则必须在设备选型时要预先考虑，此时需要增加投资。（4）利用直流输电调节作用能提高交流系统的稳定性如前所述，直流输电具有快速响应的特点，当交流系统发生故障时，利用直流输电的调节作用，能有效地提高交流系统的稳定性。著名的美国BPA500kV交直流并列运行线路，2回长152lkm交流线路共送2860MW，平均1回送电1430MW，直流的调节作用是重要措施之一。（5）潮流和功率控制交流输电取决于网络参数、发电机与负荷的运行方式，值班人员需要进行调度，但又难于控制，直流输电则可全部自动控制。（6）短路容量两个系统以交流互联时，将增加两侧系统的短路容量，有时会造成部分原有断路器不能满足遮断容量要求而需要更换设备。直流互联时，不论在哪里发生故障，在直流线路上增加的电流都是不大的，因此不增加交流系统的断路容量。（7）调度管理由于通过直流线路互联的两端交流系统可以有各自的频率，输送功率也可保持恒定（恒功率、恒电流等）。对送端而言，整流站相当了交流系统的一个负荷。对受端而言，逆变站则相当于交流系统的一个电源。互相之间的干扰和影响小，运行管理简单方便，深受电力管理、运行部门的欢迎。对我国当前发展的跨大区互联、合同售电、合资办电等形成的联合电力系统，尤为适宜。（8）线路走廊按同电压500kV考虑，1条500kV直流输电线路的走廊约40m，1条500kV交流线路走廊约为50m，但是1条同电压的直流线路输送容量约为交流线路的2倍，直流输电的线路走廊，其传输效率约为交流线路的2倍甚至更多一点。下列因素限制了直流输电的应用范围：直流断路器的费用高；不能用变压器来改变电压等级；换流设备的费用高；由于产生谐波，需要交流和直流滤波器；控制复杂。近年来，直流技术已有了明显的进步，除了上述的第二条除外，其余缺点都可予以克服。这些技术如下：直流断路器的进展；晶闸管的模块化结构和额定值增加；光触发晶闸管；换流器采用12或24脉波运行；采用氧化金属变阻器；换流器控制采用数字和光纤技术。可靠性的比较强迫停运率电能不可用率总的来说，从可靠性和可用率两个指标来看，交、直流两种输电方式是相当的，都是可行的。经济性的比较交、直流两种输电方式，就其造价而言，各具如下特色：（1）输送容量确定后，直流换流站的规模随之确定，其投资也即固定下来，距离的增加，只与线路造价有关。交流输电则不同，随着输电距离的增加，由于稳定、过电压等要求。需要设置中间开关站。因此，对于交流输电方式，输电距离不单影响线路投资，同时也影响变电部分投资。（2）就变电和线路两部分看，直流输电换流站投资占比重很大，面交流输电的输电线路投资占主要成分。（3）直流输电功率损失比交流输电小得多。（4）当输送功率增大时，直流输电可以采取提高电压、加大导线截面的办法，交流输电则往往只好增加回路数。随着输电距离的改变，交、直流两种输电方式的造价和总费用将相应作增减变化。在某一输电距离下，两者总费用相等，这一距离称为等价距离。这是一个重要的工程初估数据。概括地说，超过这一距离时，采用直流有利；小于这一距离时，采用交流有利。对于超高压输电系统，典型架空线路的等价距离大约为800km。尽管地下电缆或是海底电缆的造价比架空线路高了一个数量级，但其等价距离却只有50km。1.2高压直流输电系统的结构和元件高压直流联络线大致可分以下几类：（1）单极联络线；（2）双极联络线；（3）同极联络线。图1.3.1单极HVDC联络线图1.3.2双极HVDC联络线图1.3.3同极HVDC联络线高压直流输电系统的元件第2章换流器理论及特性方程图2.2.2三相全波桥式电路图2.2.3三相全波桥式换流器等效电路整流器和逆变器工作方式图2.3.1桥式整流器的等效电路图2.3.4逆变器的等效电路dV为正）图2.3.3描述整流器及逆变器运行所用的角交流量和直流量之间的关系换流器的稳态方程归纳如下：acdoBTEV23BIXVVdcdod3cos或BIXVVdcdod3cos)/(cos1dodVVacddPIVPtanPQ多桥换流器图2.6.112脉波换流桥采用12脉波换流桥时，直流电压的纹波减小；6次和18次谐波分量消失（6脉波换流桥的直流侧有6次及其整倍数的谐波，然而12脉冲换流桥只有12次及其整倍数的谐波）。第3章高压直流输电系统的控制和特性3.1控制的基本原理coscosdordoidcrLciVVIRRRdrdrdPVI2dididdrLdPVIPRI图3.1.1HVDC输电联络线（a）示意图；（b）等值电路；（c）电压分布。高压直流系统通过控制整流器和逆变器的内电势（Vdorcosα）和（Vdoicosγ）来控制线路上任一点的直流电压以及线路电流（或功率）。这是通过控制阀的栅／门极的触发角或通过切换换流变压器抽头以控制交流电压来完成的。要变更功率输送的方向，可采取更换两端的直流电压极性的方法。在选择控制特性时，应该考虑下列要求：防止交流系统电压的变化引起直流电流的大波动；保持直流电压在额定值附近；保持送端和受端的功率因数尽可能高；防止逆变器的换相失败。运用换流器的快速控制来防止直流电流的大波动，这是保证HVDC线路满意运行的一个重要要求。以下是维持高功率因数的几个原因：在给定变压器和阀的电流和电压额定值的条件下，使换流器的额定功率尽可能高；减轻阀上的应力；使换流器所连接的交流系统中设备的损耗和电流额定最小；在负荷增加时，使交流终端的电压降最小；使供给换流器的无功功率费用最小。控制特性图4.1.2理想的稳态伏安特性（Vd是在整流器上测量的值；逆变器特性包括LdRI电压降）图3.1.3实际的换流器控制稳态特性图3.1.4电流调节器在正常电压下，逆变器的恒熄弧角（CEA）特性曲线和整流器持性曲线相交于E。可是，逆变器的CEA特性（CD）不会和由表示的在降低电压下的整流器特性曲线相交。所以，整流器电压的大幅度降低会引起电流和功率在短时间内下降到零，这个时间取决于直流电抗器，从而系统将会停运。为了避免上述问题，逆变器也要配置一个电流控制器，其整定的电流值比整流器的电流整定值小。完整的逆变器特性曲线由DGH给出。它包括两部分：一部分为恒定熄弧角（CEA）特性曲线，一部分为恒定电流特性曲线。整流器和逆变器的组合特性图3.1.5每个换流器有逆变和整流组合特性的运行可选择的逆变器控制方式1）直流电压控制方式。用闭环电压控制取代调节γ到固定值（CEA），可以保证在直流线路上的一个期望点维持恒定电压，通常该点为送端（整流器）。维持期望的直流电压所必需的逆变器电压可以通过计算线路的RI电压降来估计。与恒定γ角控制（有下降的电压特性曲线）相比较，这种电压控制方式的有点在于，它的逆变器V-I特性曲线是一条水平线，如图3.1.6（a）所示。另外，这种电压控制方式的γ值略高，因而换相失败的可能性较小。一般来说，和抽头切换装置相配合，该电压控制方式维持γ角大约在18。。2）恒定β角控制。用触发超前角β表示的逆变器等值电路如图2.17（a）所示。β保持恒定时，逆变器的V-I特性曲线斜率为正，如图3.1.6（b）所示。在低负荷时，恒定的β还能保证不会产生换相失败。可是，在较高的电流（较大的叠弧）下，会遇到最小γ值问题。恒定β控制方式并不适用于正常运行状态。它被认为时一种备用的控制方式，在暂态条件下直接作用于触发角是有益的。（5）控制方式的稳定性如图3.1.7所示，在接近于逆变器的CEA特性曲线和CC特性曲线的过渡部分的某些电压水平下，整流器的特性曲线和逆变器的CEA特性曲线的交点不能很好地确定。在这个区域内，交流电压的微小变动将引起直流电流的大改变（100％），而且会在控制方式与抽头切换之间产生来回摆动的趋势。为避免这个问题，经常在逆变器的CEA和CC控制特性曲线的过渡部分引入一个斜率为正的特性（恒定β），如图3.1.8（a）所示。另一种变化如图3.1.8（b）所示，它是通过一个电压反馈回路来控制直流电压。图3.1.6可选择的逆变器运行方式图3.1.7控制方式混淆的区域图3.1.8使控制方式稳定的修正伏安特性（7）电流限制确定电流指令时必须考虑如下限制：1）最大电流限制。为避免换流阀受到过热损害。一般短时间最大电流限定在正常满负荷电流的1.2到1.3倍。2）最小电流限制。当电流值较低时，电流的波动会引起它的不连续或间断。因此，在12脉波的运行情况下，电流在一个周期内会被中断12次。这种情况是不允许的，因为在中断瞬间电流变化率很高，会在变压器绕组和直流电抗器上感应出高电压（Ldi／dt）。3）低电压限制电流指令（VDCOL）。在低电压条件下，要想保持额定直流电流或额定功率是不可期望或不可能的，其原因如下：当一个换流器的电压降超过30％时，和它相隔很远的换流器的无功需求将增加，这对交流系统可能有不利的影响。远端换流器的或β必须更高以控制电流，因而引起无功功率的增加。系统电压水平的降低也会使滤波器和电容器所提供的无功功率明显减少，而通常换流器吸收的无功功率大部分由它们提供。当电压降低时，也会面临换相失败和电压不稳定的风险。这些和低电压条件下的运行状况有关的问题可通过引入“依赖于电压的电流指令限制”（VDCOL）来防止。当电压降低到预定值以下时，这个限制降低了最大容许直流电流。VDCOL特性曲线可能是交流换相电压或直流电压的函数。图3.1.9示出了这两种类型的VDCOL。图3.1.9依赖于电压的电流指令限制（a）作为交流电压函数的电流限制；（b）作为直流电压函数的电流限制。图3.1.10有VDCOL、最小电流和最小触发角限制的静态伏安特性（8）最小触发角限制如图3.1.5所示，通过控制电流指令和电流裕度可以控制线路的传输功率。这些信号能通过一个远动通信线路传送到换流站。在换相失败或直流线路故障时，逆变器可能切换为整流方式。这将逆转功率输送方