高压直流输电课件

高压直流输电高压直流输电HVDC高压直流输电HVDC1HVDCHVDC的主要的主要元件和基本原理元件和基本原理一、主要元件一、主要元件T TT XdT FT QcT LT DLT 基本原理交流母线交流系统 I无功补偿设备交 流滤波器直流线路Vd I 换流站I平波电抗器直 流滤波器桥I交流母线换 流变压器断路器桥II图1.1 HVDC原理图换流站II 交流系统 I I无功补偿设备交 流滤波器换 流变压器Vd II HVDC的主要元件和基本原理T TT XdT FT 2 换流器（换流器（converter）将交流电转换成直流电,或者将直流电转换成交流电的设备。HVDCHVDC的主要元件的主要元件其中，整流器整流器（Rectifier）-将交流电转换成直流电的换流器。逆变器逆变器（Inverter）-将直流电转换成交流电的换流器。换流器（converter）HVDC的主要元件3图1.2 三相全波桥式换流电路原理图MNV1V3V5V4V6V2ABC单桥Graetz桥正 极共阴极负 极共阳极桥臂/阀臂/阀桥交流端上 半 桥/共阴极半桥下 半 桥/共阳极半桥图1.2 三相全波桥式换流电路原理图MNV1V3V5V44晶闸管AM 桥臂组成方式：桥臂组成方式：晶闸管串联AM 晶闸管（串）并联 桥臂特点：桥臂特点：均压 均流电压：5.59kV电流：1.23.5kAR 主电路T thyristorT valve 12T T 晶闸管AM 桥臂组成方式：晶闸管串联AM 晶闸管（串）5 晶闸管（晶闸管（ThyristorThyristor ）特点：特点：o 单向导电o 可控导通KAG 导通的充要条件：导通的充要条件：正向电压0 控制电流脉冲 可靠关断的充要条件：可靠关断的充要条件：正向电流0 正向电压0，且持续一段时间R 串联T thyristor 12 晶闸管（Thyristor）特点：6q作用作用:使HVDC系统建立自己的对地参考点 换流变压器换流变压器(Converter Transformer)(Converter Transformer)向换流器提供适当等级的不接地三相电压源设备q特点特点:接线方式：Y0/Y,Y0/，Y0/Y/减小注入系统的谐波R 主电路 短路电抗大：1520%噪声大T T 作用:换流变压器(Converter Transforme7q作用作用:减小注入直流系统的谐波 平波电抗器（器（Smoothing Reactor）减小换相失败的几率R 主电路q参数参数:0.271.5H(架空线)12200mH(电缆线)限制直流短路电流峰值 防止轻载时直流电流间断T Xd作用:平波电抗器（Smoothing Reactor）R 8q种类种类:交流滤波器，直流滤波器 滤波器（Filter）减小注入交、直流系统谐波的设备R 主电路有源、无源滤波器无源滤波器:单调谐滤波器 双调谐滤波器 高通滤波器种类:滤波器（Filter）R 主电路9q种类种类:无源类：电容器 无功补偿设备（无功补偿设备（Reactive Power Reactive Power CampensitorCampensitor）R 主电路有源类：（同步）调相机，SVCq作用作用:提供换流器所需要的无功功率，减小换流器与系统的无功交换。换流器吸收无功功率：换流器吸收无功功率：3050%Pd(整流器)4060%Pd(逆变器)种类:无功补偿设备（Reactive Power Camp10q种类种类:架空线路电缆线路 直流线路直流线路（DC LineDC Line）R 主电路 交流断路器交流断路器（BreakerBreaker）使HVDC完全退出运行T Line种类:直流线路（DC Line）R 主电路 交流断路器（B11 从交流系统向交流系统输电时，换流站把交流系统送来的三相交流功率变换成直流功率。通过直流输电线路把直流功率输送到换流站，再由换流站将直流功率转换成交流功率，送入交流系统。这个过程称作HVDC。此时换流站为整流站，换流站为逆变站。二、二、HVDC的基本原理的基本原理R 主电路 从交流系统向交流系统输电时，换流站把12 Id计算公式：整流站输送功率：逆变站接受的功率：直流线损：R 主电路 Id计算公式：R 主电路13 描述整流器工作方式的几个角度：=触发延迟角 =叠弧角（换相角）=熄弧延迟角=+描述逆变器工作方式的几个角度：=触发超前角=-=熄弧超前角=-=叠弧角=-=-二、二、HVDC的基本原理的基本原理 描述整流器工作方式的几个角度：=触发延迟角 14换流方程 整流侧逆变侧二、二、HVDC的基本原理的基本原理换流方程 二、HVDC的基本原理15 HVDC系统的控制系统的控制一、直流系统的控制要求具有下列基本功能：一、直流系统的控制要求具有下列基本功能：1 1、减小由于交流系统电压的变化而引起的直流电流波动。、减小由于交流系统电压的变化而引起的直流电流波动。2 2、限制最大直流电流，防止换流器受到过载损害；限制、限制最大直流电流，防止换流器受到过载损害；限制最小直流电流，避免电流间断而引起过电压。最小直流电流，避免电流间断而引起过电压。3 3、尽量减小逆变器发生换相失败的概率。、尽量减小逆变器发生换相失败的概率。4 4、适当地减小换流器所损耗的无功功率。、适当地减小换流器所损耗的无功功率。1.51.5、正正常常运运行行时时，直直流流电电压压保保持持在在额额定定值值水水平平，使使得得当当输送给定功率时线路的功率损耗适当。输送给定功率时线路的功率损耗适当。二、基本控制方式二、基本控制方式 整流器采用定电流控制和整流器采用定电流控制和限制控制限制控制 逆变器采用恒定熄弧角（逆变器采用恒定熄弧角（CEACEA）控制和电流控制）控制和电流控制 HVDC系统的控制一、直流系统的控制要求具有下列基本功能16直流输电系统中，由于换流器的非线性特性，在直流输电系统中，由于换流器的非线性特性，在交流系统和直流系统中将出现谐波电压和电流。而交流系统和直流系统中将出现谐波电压和电流。而交直流系统间的谐波相互渗透、相互影响，使得谐交直流系统间的谐波相互渗透、相互影响，使得谐波问题的研究变得异常复杂波问题的研究变得异常复杂在在一些理想化的一些理想化的假设条件下，换流站网侧的三相电假设条件下，换流站网侧的三相电流和直流侧电压中的谐波，其次数和特性比较规律，流和直流侧电压中的谐波，其次数和特性比较规律，它们统称为特征谐波它们统称为特征谐波对于一个换流桥来说，在交流侧产生对于一个换流桥来说，在交流侧产生pnpn1(p1(p为脉为脉波数，波数，n n为正整数为正整数)次特征谐波，而在直流侧产生次特征谐波，而在直流侧产生pnpn次特征谐波。次特征谐波。谐波及滤波器谐波及滤波器直流输电系统中，由于换流器的非线性特性，在谐波及滤波器17各种各样的不对称，如不等间隔的触发脉冲、母线各种各样的不对称，如不等间隔的触发脉冲、母线电压不对称和相间换相电抗的不对称，将产生额外电压不对称和相间换相电抗的不对称，将产生额外的谐波，即的谐波，即“非特征谐波非特征谐波”目前抑制谐波最广泛采用的方法是装设滤波器。近年来，目前抑制谐波最广泛采用的方法是装设滤波器。近年来，随着电力电子技术的发展，出现了新型谐波补偿装置随着电力电子技术的发展，出现了新型谐波补偿装置有源电力滤波器。这种滤波器即使在谐波频率迅速变有源电力滤波器。这种滤波器即使在谐波频率迅速变化时，也能产生相应的补偿电流，并可根据需要对无功化时，也能产生相应的补偿电流，并可根据需要对无功功率进行动态补偿。这是一种非常理想、很有前途的补功率进行动态补偿。这是一种非常理想、很有前途的补偿装置。偿装置。谐波及滤波器谐波及滤波器各种各样的不对称，如不等间隔的触发脉冲、母线谐波及滤波器18 短路比与有效短路比短路比与有效短路比 无功问题无功问题 与低有效短路比系统有关的问题与低有效短路比系统有关的问题交直流系统的相互作用交直流系统的相互作用 短路比与有效短路比交直流系统的相互作用19换相失败：在换相电压反向（具有足够的去换相失败：在换相电压反向（具有足够的去游离裕度）之前未能完成换相的故障游离裕度）之前未能完成换相的故障换相失败不是由于阀的误操作引起的，而是换相失败不是由于阀的误操作引起的，而是外部条件引起的。换相失败对于逆变器来说外部条件引起的。换相失败对于逆变器来说更为普遍，往往在大直流电流低交流电压等更为普遍，往往在大直流电流低交流电压等扰动时发生。仅当触发电路故障时，整流器扰动时发生。仅当触发电路故障时，整流器才会发生换相失败才会发生换相失败故障故障换相失败：在换相电压反向（具有足够的去故障20 HVDC HVDC输电系统的分类输电系统的分类 一、两端HVDC输电系统：由两个换流站组成的直流输电系统。类型：类型：两端直流输电系统，多端直流输电系统 类型：类型：i.单极类ii.双极类iii.同极类iv.背靠背T SPT SPT SPT SP HVDC输电系统的分类 类型：两端直流输电系21 单极类：单极类：一线一地制、两线制一线一地制、两线制 一线一地制一线一地制 两线制两线制IdId 单极类：一线一地制、两线制 一线一地制 两线制Id22 双极类：双极类：两线一地制、两线制、三线制两线一地制、两线制、三线制 两线一地制两线一地制 两线制两线制 三线制三线制IdId 双极类：两线一地制、两线制、三线制 两线一地制 两线制 三23 同极类：两线一地制、三线制 三线制三线制IdId 同极类：两线一地制、三线制 三线制IdId24 背靠背背靠背(Back-to-Back)：单极类、双极类、同极类：没有直流线路的HVDC系统。适用性适用性 两个不同额定频率不同额定频率交流系统的互联互联举例：举例：1972年，加拿大，HVDC首次全部采用晶闸管元件新不伦威克省魁北克省水电站280kV,2 160MW背靠背 1965年,日本，sakuma工程：2125kV,300MW,1200A,50/60HzT BtB图 背靠背(Back-to-Back)：单极类、双极类、同极类25 背靠背背靠背(B-t-B)：1991.7,潘家口抽水蓄能电站-我国第一个抽水蓄能电站：10kV,60MW,50/3862HzG：150MWG/M：90MWSFC：60MWG/MG/MG/MGSFC电电力力系系统统10kV10kV-Static Frequency Converter 背靠背(B-t-B)：G/MG/MG/MGSFC电力系统26 双端双端HVDCHVDC系统典型设计方案系统典型设计方案 ：双极双桥双极双桥如：v 葛上工程v 天广工程v 三常工程v 灵宝工程v 贵广工程 双端HVDC系统典型设计方案：双极双桥如：27葛上葛上HVDC系统图系统图：209kVIdId500kV500kV500kV198kV葛洲坝220kV南 桥葛上HVDC系统图：209kVIdId5028二、多端HVDC输电系统（MTDC-Multi-Terminal DC)由两个以上换流站组成的HVDC输电系统。分类：分类：（恒电流）串联恒电流）串联-多个换流站串联于直流网络中，公共电流流经所有换流站。（恒电压）并联恒电压）并联-多个换流器并联接于同一个公共电压端上的MTDC。二、多端HVDC输电系统（MTDC-Multi-Te29 （恒电压）并联式（恒电压）并联式MTDC 分类：分类：(1)辐射状直流网络型辐射状直流网络型-HVDC网络呈辐射形状的并联式MTDC(2)网状直流网络型网状直流网络型-HVDC网络呈环网形状的并联式MTDC （恒电压）并联式MTDC 分类：30(1)(1)辐射状直流网络型辐射状直流网络型MTDC-MTDC-并联式并联式交流系统交流系统1432（a）系统 原 理 图（b）换流站 原理图124+_3(1)辐射状直流网络型MTDC-并联式交流系统交流系统1431(2)(2)网状直流网络型网状直流网络型MTDC-MTDC-并联式并联式4（a）系统 原 理 图系统2 系统13（b）换流站 原理图24+13(2)网状直流网络型MTDC-并联式4（a）系统 原 理32 （恒电流）串联式（恒电流）串联式MTDC系统系统1432（a）系统 原 理 图（b）换流站 原理图 IdIdIdId （恒电流）串联式MTDC系统系统1432（a）系统33晶闸管晶闸管-8kV(-9kV)-2kA-5 inch wafer晶闸管-8kV(-9kV)-2kA-5 inc34晶闸管晶闸管R 晶闸管R 35 阀单元阀单元 阀单元36政平换流站阀塔政平换流站阀塔R 政平换流站阀塔R 37均压示意图均压示意图C1R2R1R2R1C1避雷器L1C2R3R4R 均压示意图C1R2R1R2R1C1避雷器L1C2R3R4R 38均流示意图均流示意图MA图b)电抗器均流示意图RMA图a)电阻均流示意图RR 均流示意图MA图b)电抗器均流示意图RMA图a)电阻均流39政平换流变压器R 政平换流变压器R 40政平换流站500kV交流开关场R 政平换流站500kV交流开关场R 41政平换流站平波电抗器R 政平换流站平波电抗器R 42输电线路R 输电线路R 43巴西-阿根廷联络线1-B-t-B工程俯瞰2000,-2*500MW-2*500kV-60/50Hz-525/500kV-60/50Hz R 巴西-阿根廷联络线1-B-t-B工程俯瞰2000,R44