直流输电技术1课件

直流输电技术直流输电技术哈尔滨工业大学电气学院刘瑞叶第第1章章 直流输电的发展及特点直流输电的发展及特点l1.1直流输电的发展直流输电的发展l1.1.1、国外的发展概况、国外的发展概况l1882年年 法国物理学家惠普勒法国物理学家惠普勒l直流发电机直流发电机:1.52kV直流电压直流电压,57km线路输送成功线路输送成功l将直流发电机串联组成高压直流送电端将直流发电机串联组成高压直流送电端l1912 100kV,15MW,190kml大容量直流发电机换向困难，串联运行复杂可靠性低大容量直流发电机换向困难，串联运行复杂可靠性低限制了发展限制了发展 19世纪末，交流发电机制造成功，交流发电、输电替代了直流世纪末，交流发电机制造成功，交流发电、输电替代了直流 l1928年年 具有栅控能力的汞弧整流阀研制成功具有栅控能力的汞弧整流阀研制成功l交流交流转换成直流转换成直流l1954年瑞典大陆哥特兰岛，年瑞典大陆哥特兰岛，lkm水下电缆，水下电缆，l晶闸管（可控硅）晶闸管（可控硅）20世纪世纪60年代年代 问世问世 l、年以前试验性阶段l）参数较低l几十千伏、几兆瓦几十兆瓦、几十千米一百多千米l）换流装置采用汞弧阀l）发展较慢l这一阶段的代表性工程有：l）德国的爱尔巴柏林工程（1945 年）其主要参数为：电压220kV，输送容量6OMW，输送距离115km（电缆），采用汞弧阀。l）瑞典的脱罗里赫坦密里路特工程（1945 年）其主要参数为：电压45kV，输送容量.MW 架空线路长度km，采用汞弧阀。l）原苏联的卡希拉莫斯科工程（1950 年）其主要参数为：电压kV、输送容量30M、输送距离k（电缆），采用汞弧阀（现已改为晶闸管阀）。l2、1954年至1972年发展阶段l1)换流装置仍采用汞弧阀，不仅参数有很大的提高，而且质量也有很大的改善,直流输电进入了工业实用阶段l2)采用直流输电具有多方面的目的:水下输电不同频率连接远距离，大功率 l典型工程：典型工程：l哥特兰岛哥特兰岛第一条商业经营的第一条商业经营的HVDC（20MW,110kV,96km)单极电缆（比建热电厂，交流电缆经济）单极电缆（比建热电厂，交流电缆经济）l伏尔加格勒伏尔加格勒-顿巴斯（顿巴斯（1962-1965）首例架空直流输电首例架空直流输电 （470km，720MW，400kV，900A）加强交流弱联加强交流弱联系系统系系统l佐久间互联（佐久间互联（1965，1993改晶闸管）改晶闸管）首个背靠背交流互联首个背靠背交流互联50Hz，60Hz）零距离，零距离，300MW，125kVl撒丁岛（意大利撒丁岛（意大利1967，1987）单极大地与海水作为回流方式单极大地与海水作为回流方式 200MW,撒丁岛撒丁岛架空线架空线-海缆海缆-科西嘉岛科西嘉岛架空线架空线-海缆海缆-意大利本土意大利本土架空架空线线 1987年扩建至年扩建至300MW，在，在corsica岛建分支换流站岛建分支换流站首个三端直流首个三端直流输电输电 l美国的太平洋联络线（美国的太平洋联络线（1970）与两条交流与两条交流500kV,60Hz 线路并联线路并联 其架空线路其架空线路1372km、kV，1440MW抑制低频振荡抑制低频振荡,北部水电北部水电南部负荷，南部负荷，86年改晶闸管，年改晶闸管，+1920MW，89年年并接晶闸管阀并接晶闸管阀+1100MWl、1972 年到现在大力发展阶段年到现在大力发展阶段l1972 年，加拿大的伊尔河直流输电工程首次采用年，加拿大的伊尔河直流输电工程首次采用晶晶闸管阀的大型工程闸管阀的大型工程（可控硅阀）。（可控硅阀）。BTBl280kV，320MW，4800个个SCR，40个单元模块个单元模块l）新建设的直流工程几乎全部采用晶闸管）新建设的直流工程几乎全部采用晶闸管l）直流输电工程几乎全是超高压工程）直流输电工程几乎全是超高压工程l）单回线路的输电能力比前阶段有了很大增加）单回线路的输电能力比前阶段有了很大增加 l）发展速度很快，且规模越来越大）发展速度很快，且规模越来越大 l卡拉哈卡拉哈-巴萨巴萨(1978)首个极间电压超百万伏级首个极间电压超百万伏级l 1920MW,1360km,533kV（首个跨国过程）（首个跨国过程）l斯奎尔比特（斯奎尔比特（1977）首次采用首次采用12脉动换流器脉动换流器l 750km，500MW,250kV（验证了输电比输煤发电经济）（验证了输电比输煤发电经济）l北海道北海道-本州本州首次采用光触发晶闸管首次采用光触发晶闸管l 167km(43km电缆），电缆），600MW，125kVl伊泰普（伊泰普（1986）l 6000MW,2个双极个双极600kV线路并联运行，线路并联运行，l 每极每极4个个12脉波水冷阀换流器脉波水冷阀换流器l坎顿斯德坎顿斯德-康福德（康福德（1986）美）美加，加，690MW，双极，双极450kVl 后扩充三个端口后扩充三个端口多端系统，多端系统，1500km l英吉利海峡英吉利海峡1986扩建扩建 l增加两个增加两个1000MW,双极双极270kV，8条电缆条电缆l多个厂家不同类型换流器，多个厂家不同类型换流器，装装SVCl波罗的海波罗的海1994接地极，电缆，有源滤波先进接地极，电缆，有源滤波先进l巴斯海峡巴斯海峡2005电缆电缆最长最长298.3kml1.2.2、我国高压直流输电的发展情况、我国高压直流输电的发展情况l、实验装置建设及换流设备研制、实验装置建设及换流设备研制 l中国的直流输电是在中国的直流输电是在1958 年考虑长江三峡水利资源年考虑长江三峡水利资源的开发以及三峡电站的电力外送问题时提出的。的开发以及三峡电站的电力外送问题时提出的。l1963 年在中国电力科学研究院建成年在中国电力科学研究院建成 V、A 的直流输电物理模拟装置。的直流输电物理模拟装置。l 20 世纪世纪70 年代以后，对该套装置进行了技术更新和年代以后，对该套装置进行了技术更新和改造，用晶闸管替换了原来的闸流管并采用了数字式改造，用晶闸管替换了原来的闸流管并采用了数字式的控制保护系统。的控制保护系统。l1977年在上海将报废的交流电缆改成直流实验线路年在上海将报废的交流电缆改成直流实验线路 l年代，葛南大型直流输电工程的技术年代，葛南大型直流输电工程的技术引进从瑞士引进从瑞士 公司引进了一套先进的公司引进了一套先进的大型直流输电模拟装置大型直流输电模拟装置l90 90 年代，在该套装置上又增加了全数字化的年代，在该套装置上又增加了全数字化的直流输电仿真系统（）直流输电仿真系统（），并且与暂，并且与暂态网络分析装置（态网络分析装置（）相连，从而具备）相连，从而具备了进行更大规模试验研究工作的能力。了进行更大规模试验研究工作的能力。l、直流输电工程建设、直流输电工程建设 l20 世纪世纪80 年代，中国开始建设直流输电工程，年代，中国开始建设直流输电工程，到到2005年已有年已有 项直流输电工程投入运行。项直流输电工程投入运行。l1）舟山直流输电工程）舟山直流输电工程 l年国家确定全部依靠自己的力量建设年国家确定全部依靠自己的力量建设中国第一项直流输电工程，它既解决了浙江大中国第一项直流输电工程，它既解决了浙江大陆向舟山本岛的输电问题，又具有向建设大型陆向舟山本岛的输电问题，又具有向建设大型直流输电工程过渡的工业性试验性质。工程的直流输电工程过渡的工业性试验性质。工程的第一期为单极金属回线方式，第一期为单极金属回线方式，-100kV,500A,50MW。第一期工程于。第一期工程于1984年开始施工，年开始施工，1987 年进行调试并投入试运行，年进行调试并投入试运行，1989 年正式年正式投人商业运行。工程的最终规模为双极投人商业运行。工程的最终规模为双极100kV,500A,100MW，线路全长，线路全长54km。l2、葛洲坝一南桥直流输电工程（简称葛一南、葛洲坝一南桥直流输电工程（简称葛一南直流工程）直流工程）l1982 年开始对葛洲坝水电站向华东送电进行年开始对葛洲坝水电站向华东送电进行可行性研究，由于直流输电在远距离输电和联可行性研究，由于直流输电在远距离输电和联网方面的优点，最终选择了直流输电方案。该网方面的优点，最终选择了直流输电方案。该工程既解决了葛洲坝电站向华东上海地区的送工程既解决了葛洲坝电站向华东上海地区的送电问题，又实现了华中与华东两大电网的非同电问题，又实现了华中与华东两大电网的非同期联网，它具有期联网，它具有输电和联网输电和联网的双重性质的双重性质。l葛南直流工程为双极葛南直流工程为双极kV、200A、1200MW，输送距离约，输送距离约m。l1985 年年10 月开工，月开工，1989 年年9 月极月极 投入运投入运行，行，1990年年8 月全部工程建成，并投人商业运月全部工程建成，并投人商业运行。原瑞士行。原瑞士BBC 公司和德国西门子公司提供。公司和德国西门子公司提供。l(ABB=瑞典瑞典ASEA+瑞士瑞士BBC）l、天生桥广州直流输电工程（简称天一、天生桥广州直流输电工程（简称天一广直流工程）广直流工程）l1991 年开始进行可行性研究，年开始进行可行性研究，1997 年与德国年与德国西门子公司签订了供货合同，西门子公司签订了供货合同，2000年年12 月极月极 投人运行，投人运行，2001 年工程全部建成。该工程年工程全部建成。该工程为西电东送工程的一部分。直流工程为双极为西电东送工程的一部分。直流工程为双极500、1800 A、1800，西起天生，西起天生桥水电站附近的马窝换流站，东至广州的北郊桥水电站附近的马窝换流站，东至广州的北郊换流站。全长约换流站。全长约960 k。l、嵊泗直流输电工程、嵊泗直流输电工程l嵊泗直流输电工程是中国自行设计和建造的双嵊泗直流输电工程是中国自行设计和建造的双极海底电缆直流工程。极海底电缆直流工程。l主要解决从上海向嵊泗岛及宝钢马迹山码头的主要解决从上海向嵊泗岛及宝钢马迹山码头的送电问题，同时也专虑到嵊泗岛上的风力发电送电问题，同时也专虑到嵊泗岛上的风力发电发展到一定规模时也具有向上海反送的功能，发展到一定规模时也具有向上海反送的功能，工程的主要特点是受端为弱交流系统。工程为工程的主要特点是受端为弱交流系统。工程为双极双极50、A、，共、，共66.2km，其中，其中59.7km为海底电缆。为海底电缆。l1996 年完成各种研究工作，年完成各种研究工作，1997 年进行设备年进行设备订货，订货，2002 年工程全部建成。年工程全部建成。l除控制保护装装置由许继电气股份有限公司供除控制保护装装置由许继电气股份有限公司供货外，其余全部设备均由西安电力机械股份有货外，其余全部设备均由西安电力机械股份有限公司承包限公司承包。l、三峡常州直流输电工程（简称三、三峡常州直流输电工程（简称三常直流工程）常直流工程）l主要为解决三峡水电站向华东电网的送电问题，主要为解决三峡水电站向华东电网的送电问题，同时也加强了华中与华东两大电网的非同期联同时也加强了华中与华东两大电网的非同期联网。工程为双极网。工程为双极500、3000 A、3000，全长约，全长约860。工程于。工程于2002 年年12月月极极1 投入运行，投入运行，2003 年年5 月全部建成月全部建成。l2004以后投入的直流工程以后投入的直流工程l三峡广东直流输电工程三峡广东直流输电工程(2004.2-6)l工程为双极工程为双极500、3000 A、3000，全长，全长约约960 km。ABBl贵州广东直流输电工程贵州广东直流输电工程(2004.6)l工程为双极工程为双极500、3000 A、3000，全长，全长约约960 km。siemensl灵宝背靠背直流工程灵宝背靠背直流工程（2005）l360MW、120kV、3000Al三峡上海（三峡上海（2006）3000MW，1040kml贵州广东第回直流输电贵州广东第回直流输电(2007)l 3000MW。125km1.2直流输电系统的构成直流输电系统的构成l1.2.1高压直流输电的分类高压直流输电的分类l1)长距离直流输电（海岛，远距离送电）长距离直流输电（海岛，远距离送电）l2)背靠背方式直流输电3)交、直流并列输电方式交、直流并列输电方式4）交、直流叠加输电（研究阶段、无工程实例）交、直流叠加输电（研究阶段、无工程实例）直流不受功角稳定限制，交流有中间落点直流不受功角稳定限制，交流有中间落点5）三极直流输电（换流器组合拓扑，利用已有交流通）三极直流输电（换流器组合拓扑，利用已有交流通道）试验阶段道）试验阶段1.2.2 直流系统的构成直流系统的构成l1）直流单极输电70年代建设的太平洋联络线年代建设的太平洋联络线1为回流导体为回流导体2）直流双极输电）直流双极输电3）直流多回线输电）直流多回线输电4）多端直流输电）多端直流输电l并联并联 树枝型树枝型l并联并联 环网型环网型1.3高压直流输电特点及适用的场合高压直流输电特点及适用的场合l一、输送相同功率时，线路造价低l对于架空线路，交流输电通常采用3 根导线，而直流只需1 根（单极）或2 根（双极）导线。直流输电对其线路走廊、铁塔高度、占地面积等方面，也比交流输电优越。对于电缆线路，直流电缆与交流电缆相比，其投资费和运行费都更为经济。l二、线路有功损耗小l由于直流架空线路仅使用根或2 根导线，所以在导线上的有功损耗较小。同时，由于直流线路没有感抗和容杭，在线路上也就没有无功损耗。l三、适宜于海下输电l海下输电必须采用电缆。电缆的绝缘在直流电压和交流电压作用下的电位分布、电场强度和击穿强度都不相同，以同样截面积的油浸纸绝缘电缆为例，用于直流时的允许工作电压比在交流下约高3 倍。因此，在有色金属和绝缘材料相同的条件下，2 根芯线的直流电缆线路输送的功率比3 根芯线的交流电缆线路输送的功率P大得多。所以海下输电采用直流电统在投资上比采用交流电缆经济得多。国际上对架空线路其等价距离约为国际上对架空线路其等价距离约为500-700km，电缆线路约为，电缆线路约为 20-40kml四、没有系统的稳定问题互联性l在交流输电系统中，所有连接在电力系统的同步发电机必须保持同步运行。所谓“系统稳定”，就是指在系统受到扰动后所有互联的同步发电机具有保持同步运行的能力。由于交流系统具有电抗，输送的功率有一定的极限，当系统受到某种扰动时，有可能使线路上的输送功率超过它的极限。l五、能限制系统的短路电流l用交流输电线路连接两个交流系统时，由于系统容量增加，将使短路电流增大，有可能超过原有断路器的遮断容量，这就要求更换大量设备，增加大量的投资。而用直流输电线路连接两个交流系统时，就不存在上述问题，这对于交流系统的互联具有极大的实用价值。l六、调节速度快，运行可靠六、调节速度快，运行可靠l直流输电通过晶闸管换流器能够方便、快速地调节有直流输电通过晶闸管换流器能够方便、快速地调节有功功率和实现潮流翻转。功功率和实现潮流翻转。正常运行时保证稳定地正常运行时保证稳定地输出功率，输出功率，事故情况下，可通过正常的交流系统事故情况下，可通过正常的交流系统一侧由直流线路对另一侧事故系统进行一侧由直流线路对另一侧事故系统进行紧急支援紧急支援。l在交、直流线路并联运行时，当交流系统发生短路，在交、直流线路并联运行时，当交流系统发生短路，可暂时增大直流输送的功率以减小发电机转子加速，可暂时增大直流输送的功率以减小发电机转子加速，从而提高系统运行的稳定性。从而提高系统运行的稳定性。l单极运行单极运行直流输电的缺点直流输电的缺点l一、换流站的设备多、结构复杂价格昂贵l二、换流装置要消耗大量的无功功率l三、换流装置是一个谐波源，在运行中要产生谐波，影响系统的运行l四、换流装置几乎没有过载能力，所以对直流系统的运行不利l五、由于目前高压直流断路器还处于研制阶段，所以阻碍了多端直流系统的发展l六、以大地作为回路的直流系统，运行时会对沿途的金属构件和管道有腐蚀作用，以海水作为回路时，会对航海导航仪表产生影响。直流输电的应用直流输电的应用l根据的优缺点，直流输电适用于以下场合：l1）远距离大功率输电l2）海底电缆送电l3）不同频率或同频率非周期运行的交流系统之间的联络 l4）用地下电缆向大城市供电l5）交流系统互联或配电网增容时，作为限制短路电流的措施之一l 6）配合新能源的输电 1.4 直流输电的最新研究方向直流输电的最新研究方向l世界各国在现有直流输电工程设计、建设和运行经验的基础上，正广泛深入地开展如下的研究工作：l l）研究电压更高、容量更大的晶闸管元件，改进换流阀的机、电、热各方面的结构，以进一步降低换流器的造价和提高可靠性。2）研究采用大规模集成电路元件和微机处理技术，充分发挥直流输电优越的调节性能，以适应各种运行工况的需要。l3）研究交、直流的并列运行和调节，以提高输送功率极限。采用静止无功功率补偿装置，以进一步提高直流联络线的性能。l4）研究更大断流容量的高压直流断路器和发展多端直流系统。l5）研究高压直流电场以及电晕、无线电干扰对环境的影响。l6）研究高次谐波的测量方法和消除谐波的新措施及装置。l7）进一步开展直流输电系统的数字仿真及其计算方法的研究。l8）进一步开展高压直流系统可靠性计算方法的研究。l9）开展高压直流过电压、直流污秽及绝缘配合的研究。换流器件最新发展换流器件最新发展lGTO，IGBT,IGCT实现的换流器l不依赖所联交流电网实现自身换向l送入交流网的有功无功可控l谐波少，减少滤波器的造价l可以向弱交流系统输电1.5 直流输电新技术直流输电新技术l1.5.1 器件换向直流输电(全控器件）l电压源、电流源型换流器，轻型直流输电l无需换流变压器、直流滤波器、平波电抗器、无功补偿器，简化了交流滤波器l设备少，结构简单l低于150kV，小于200MW有优势 传统的不能向小容量交流系统供电，产生的谐波次数低容量大，换流器吸收无功，换流站投资大在220kV以上用多端直多端直流互联流互联风电场风电场并网并网海上钻井海上钻井平台平台/孤岛孤岛供电供电电网互联电网互联/电力交电力交易易太阳能发太阳能发电并网电并网特大城特大城市供电市供电柔性直流输电典型应用领域柔性直流输电典型应用领域阀阀基基控控制制器器机机柜柜换换流流阀阀机机柜柜柔性直流输电关键技术研究柔性直流输电关键技术研究柔性直流输电系统低压样机原理及实物图柔性直流输电系统低压样机原理及实物图 我国首条自主知识产权的上海南汇风电场柔性直流示范工程建设正在开展，预计将于2010年底投运。工程的投运将打破ABB在柔性直流输电工程上的独家垄断地位。柔性直流输电示范工程建设柔性直流输电示范工程建设示范工程换流站效果图示范工程换流站效果图示范工程原理图示范工程原理图柔性直流输电示范工程建设柔性直流输电示范工程建设柔性直流输电换流阀阀子模块柔性直流输电换流阀阀子模块柔性直流输电换流阀模块柔性直流输电换流阀模块n通过自主知识产权的技术开发，中国电力科学研究院已掌握了柔性直流输电的基础理论、设备研发、工程应用等多方面的关键技术；n目前已完成柔性直流输电换流阀等系列关键设备的工程样机研制和部分试验，正在开展相应的工程设备制造和试验平台建设。n上海南汇风电场30kV柔性直流输电接入示范工程预计将于2010年底投运；n工程的建设和成功运行，将为大型风电场并网提供一个良好的技术手段，可充分满足坚强智能电网接纳大规模间歇式电源的要求；n对于在大区以至全国范围内消纳大规模可再生能源，以及应对逐步发展的海上风电场的集中送出问题，具有重要的示范和借鉴作用；n工程的运行也标志着中国电科院成为世界上具有柔性直流输电装备制造和集成能力的三家单位之一，将为提升我国电力装备制造水平，起到积极的推动作用。6 6、柔性直流输电示范工程建设、柔性直流输电示范工程建设1.5.2 强迫换相换流器强迫换相换流器l在换流器和换流变压器间串联电容 电容换相换流器CCC电容的附加电压使换相电压滞后保证换相成功l可控串联电容换流器CSCC 将电容串在母线和交流滤波器间 改变电容串的晶闸管的触发角改变电容值 减少换向失败1.5.3 特高压直流输电特高压直流输电-600kV以上以上l800kV是适合直流输电的电压 等级 2009 我国 云-广l计划到1000kVl减少线路损耗、节约土地，经济高效的输电方式l12脉波双极运行64例：伊泰普工程（串联）例：伊泰普工程（串联）WWFOZ DO FOZ DO IGUAUIGUAUIBINAIBINATIJUCOTIJUCOPRETOPRETOANDEANDEITAIPUITAIPU500 kV500 kV345 kV345 kV500 kV500 kV500 kV500 kV+600 kV+600 kV+600 kV+600 kV4xT14xT24xT14xT2T34xSCWWWWWW65例例:埃基巴斯图兹埃基巴斯图兹唐波夫唐波夫直流输电工程直流输电工程（并联）（并联）1.5.4 光触发晶闸管光触发晶闸管l门级有光敏区l电信号-光信号-门极l触发电路元件减少l可靠性增强l检修周期长l成本低