高压直流输电技术-PPT

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,高压直流输电技术,High Voltage Direct Current Transmission,HVDC,新能源电网研究所,1,2,关于本次课程的安排,课时数：,32,学时 上课地点：教五,A105,上课时间：第,1,16,周；每周一第,5,，,6,节,授课教师：赵成勇教授，郭春义讲师,（赵成勇负责前,10,周，郭春义负责其余）,选课与退出选课：前,2,周学生可自由选择,考核方式,期中考试（,30%),：闭卷笔试（仅前,9,周课程内容）,期末考核（,50%,）：写读书笔记或报告,(,不少于,5000,字，鼓励仿真研究。此部分希望得分为优的同学要上台汇报（前一部分闭卷笔试成绩前,1/3,有资格申请）,并回答问题）,作业情况（,10%,）：交作业并检查,考勤情况（,10%,）：上课抽查,3,座位分布和听课要求,教室南侧：共,62,人,电气,1203,班,22,人,电气,1204,班,19,人,电气,1205,班,12,人,实践电,1201,班,9,人,听课要求：座位按班相对集中，要检查考勤情况,选择自学的学生要提前告诉老师,直流输电课程公共邮箱：,HVDCTECH163.COM,密码为,dianqi11,教室北侧：共,47,人,创新电,1201 9,人,电气,1201,班,22,人,电气,1202,班,16,人,4,关于本次课程的安排,参考书目：,1,、,浙江大学发电教研组直流输电科研组直流输电北京：水利电力出版社，1985,2,、韩民晓，等编著,高压直流输电原理与运行,北京,：,机械工业出版社，,2009,3,、赵成勇著，柔性直流输电建模与仿真。,北京：中国电力出版社，2014.4,4,、,赵成勇著，混合直流输电。,北京,：,科学出版社，,2014.6,5,、徐政交直流电力系统动态行为分析北京：机械工业出版社，,2004,6,、赵畹君，等高压直流输电工程技术北京：中国电力出版社，,2004,课程内容安排,第一章,绪论,第二章,高压直流输电系统的主要设备,第三章,换流器工作原理,第四章,高压直流输电的谐波抑制与无功补偿,第五章,直流控制与保护,第六章,直流输电新技术,电能形态变换的基本方式,输入,输出,直 流 电,交 流 电,直 流 电,交 流 电,逆变换,通常称为逆变器,顺变换,通常称为整流器,交直交变换器,交交变换器,基本概念,直流变换,通常称为直流斩波器,能利用控制信号从关断变为导通状态吗,可控阀器件,能利用控制信号从导通变为关断状态吗,导通可控阀器件,导通状态闭锁阀器件,反向截止晶闸管,SCR,整流二极管,D,反向导通晶闸管,三端双向晶闸管,TRIAC,GTO,GTR,，,MOSFET,，,IGCT IGBT,反向导通,GTO,不可控阀器件,非导通状态闭锁阀器件,控制信号解除后还保持导通状态吗,导通关断可控阀器件,电力电子变换器件状态分类,N,N,Y,Y,N,Y,电流驱动型,电压驱动型,功率集成器件,PID,智能模块,IPM,，功率集成电路,PIC,基本概念,6,kV,6 kA,GTO,半控控器件（）已应用于,1000MW VSC-HVDC,西北华中背靠背联网工程扩建项目,360M,750M,1100MW,，,330kV,500kV.,换流站控制及自动化装置国产化实验在我校重点实验室展开。,基本概念,大功率器件制造水平及应用,全控型器件及其换流技术与装置是发展方向,单个,IGBT,最高参数,6.5kV,，,750A,4.5kV,，,1200A,3.3kV,，,1500A,早期的直流输电系统,传统的直流输电系统,现代的柔性直流输电系统,10,直流输电发展历程,绪论,11,早期的直流输电系统,绪论,直流电是人类最先认识和利用的电能,12,早期的直流输电概念是由法国物理学家,Marcel,Deprez,于,1881,年提出来的，即由直流发电机产生直流电能，通过输电线路向远方的直流负荷供电。,1882,年，他在,57km,的电报线路上进行了直流输电系统试验，其工作电压和输电容量分别为,2.0kV,和,1.5kW,。,然而，由于其线路损耗过高，这种系统难以实际应用。,早期的直流输电系统,14,1882,年，爱迪生电力照明公司在纽约主持建造了世界第一个直流电力系统，包括,6,台,12,千瓦直流发电机，用,110,伏电压将电力线连接成网络为,6000,盏电灯供电。,1882,年在我国，外商集资创办成立了商业化运营的上海电光公司，为城市照明提供直流电力。,早期的直流输电系统,15,托马斯,爱迪生（,1847,年,1931,年），有,1093,项专利。,1892,年创立爱迪生通用电气公司。,爱迪生力挺直流电,，是为了让他发明的电灯泡有用武之地，不然人们不会使用电灯泡，他也赚不到钱。,因为爱迪生错误的打压了交流电的应用，爱迪生通用电气公司的股东以此为耻，一致通过将他赶出公司，更名为通用电气公司。,早期的直流输电系统,17,直流电压的提升和降低是困难的。为了提高直流电压，提出了串联直流输电系统（发电侧和配电侧均串联），但是经济性低，可靠性差，缺少电气隔离。,Rene,Thury,对串联系统进行了重大改进：在直流电机上加装自动调节器、并联短路器的方法，实现了串联系统中任何一台发电机或电动机的故障退出与重新接入以及运行调整，极大地提高了可靠性。,典型的,Thury,串联系统,由于直流输电的诸多困难，交流输电应运而生,18,1884,年到,1885,年，匈牙利,Kroly,Zipernowsky,、,Ott,Blthy,和,Miksa,Dri,提出了心式和壳式铁心变压器技术。,1888,年,5,月,16,日，美国科学家,Nikola Tesla,（特斯拉）在美国电气工程师学会（,AIEE,）上，发表了题为,A New System of Alternating Current Motors and Transformers,的著名演讲。,1889,年，英国工程师,Charles Parsons,制造出汽轮发电机。,1891,年，欧洲建设了第一个三相交流输电系统，工作电压和输送距离分别为,25kV,和,175km,。,交流发电机的发明者,尼古拉,特斯拉诞生于,1856,年。,1882,年，他继爱迪生推广直流电后不久，即发明了并制造出世界上第一台交流电发电机。,实验物理学派领导人，军事派科学家（区别于爱因斯坦的理论物理学派）,于,1912,年和爱迪生共同获得诺贝尔奖，但他拒绝和爱迪生一起领奖而放弃。,早期的直流输电很快不再存在,21,随着三相交流同步发电机、变压器、异步电动机等技术的日益成熟，特别是交流输电系统的低成本投入和高额的回报，使早期的直流输电系统很快就被三相交流输电系统所替代。,到,1937,年，早期的直流输电系统不再存在，越来越多的三相交流输电系统出现在世界各地。,由于正弦交流电有便于变压（升降压）、产生旋转磁场等技术特点，逐渐形成了今天占统治地位的三相交流电网。,交流,电,为什么要选用正弦函数波形？,1893,年,4,月，美国电气工程师,A.E.Kennelly,发表了一篇论文，他说如果交流电采用正弦波，就可以引入,“,阻抗,”,概念，和直流电路一样可利用欧姆定律来计算交流电路。,这篇文章发表后，正弦波立即在电气工程领域得到应用。,论文中提出，正弦交流电路如同直流电路一样，电压和电流有效值之比为一常数，称之为阻抗；因此，在线性电路中是遵守欧姆定律的。他从电气参数计算上说明了采用正弦函数波形交流电的理由。,23,传统的直流输电系统,直流输电再次兴起,24,20,世纪,50,年代后，电力需求日益增长，三相交流输电线路和交流电网迅速发展。,尽管如此，交流输电技术在实际应用中也遇到了难题。,在远距离大容量输电方面，由于交流架空输电线路存在电容效应、趋肤效应和传输线效应，其输电容量和输送距离受到限制。,在交流电网联网方面，一是无法实现两个不同工作频率的交流电网的 联网；二是当两个相同工作频率的交流电网联网形成更大的交流电网后，受到系统运行稳定性差和短路容量增大等限制。,在电缆输电方面，由于电缆电容远大于架空线路，电缆电容的充放电电流产生很大损耗，严重限制了电缆输电距离和效率。,在一定条件下的技术经济比较结果表明，采用直流输电更为合理，且比交流输电有更好的经济效益和优越的运行特性。因而，直流输电重新被人们重视。,25,直流输电的优点及特点：,1,、输送相同容量下，线路造价低，适合于远距离输电；,直流架空线路的走廊宽度约为交流线路的一半，可以充分利用线路走廊的资源；等价距离概念。,2,、适合于海下电缆输送 在同等绝缘材料条件下，直流电缆的允许工作电压比在交流电压下约高,3,倍；,绝缘老化慢，使用寿命长；,26,3,、大电网之间通过直流输电互联,(,如背靠背方式，,back to back DC transmission system,),，两个交流电网之间可以非同步（解耦）运行，不会互相干扰和影响，输送功率的大小和方向可以快速控制和调节，可迅速进行网间功率支援等。,5,、,直流输电系统的投入不会增加原有电力系统的短路电流容量，也不受系统稳定极限的限制；,6,、直流输电工程的一个极发生故障时另一个极能继续运行，且可充分发挥其过负荷能力，即可以不减少或少减少输送功率损失；,7,、直流本身带有调制功能，可以根据系统的要求作出反应，可以对机电振荡产生阻尼，可以阻尼低频振荡，从而提高电力系统暂态稳定水平；,日本东、西部电力系统分别以,50,赫和,60,赫运行,由两个直流背靠背变频站互联,北海道和本州之间采用直流海底电缆互联,最终采用双极,250,千伏输电线路。,27,传统直流输电尚待克服的缺点：,1,、换流设备造价昂贵；,2,、无论整流侧还是逆变侧均需要大量的无功功率。需要增设补偿装置，约为输送功率,40,60%,容量的电容器装备。,3,、换流设备是最大的谐波发生源，需要在其交流侧和直流侧装设大容量，多调谐的滤波器。占地约为换流站的,15%,多；,4,、直流变压器、直流断路器、直流传感器等电力元件及设备尚待开发。,传统的直流输电系统,28,传统直流输电系统是建立在发电和配电均为交流电基础上的。,传统直流输电是先将送端的交流电整流为直流电，由直流输电线路送到受端，再将直流电逆变为交流电，送入受端的交流电网。,传统直流输电系统经历了汞弧阀换流器和晶闸管阀换流器两个阶段。,传统的直流输电系统,早期采用汞弧阀换流器,29,1901,年发明的汞弧阀只能用于整流，不能用于逆变。,1914,年提出栅控汞弧阀概念，,1928,年研制成功，可实现整流和逆变。,1920,年到,1940,年期间，先后研制出不同类型的大功率汞弧阀。,1932,年，美国建成了一个连接,40Hz,交流电网与,60Hz,负荷的,12kV,直流输电系统。,1954,年，瑞典建成了一个连接瑞典大陆与哥特兰岛的海底电缆的直流输电系统，其工作电压、输电容量和距离为,100kV,、,20MW,和,90km,。,1977,年，最后一个采用汞弧阀的直流输电系统投入运行。,在,1954,年到,1977,年期间，全世界共有,12,个采用汞弧阀的直流输电系统投入运行，最高工作电压为,450kV,，最大输电容量为,1440MW,，最长输送距离为,1362km,。,汞弧阀制造技术复杂、价格昂贵、逆弧故障率较高、可靠性较低、运行维护不便。,30,1971,年,150,kV,汞弧阀,瑞典直流工程,传统的直流输电系统,后期完全,采用晶闸管换流器,31,1957,年，发明了晶闸管阀（又称可控硅整流器）。,20,世纪,70,年代，高压大功率晶闸管阀以及微机控制技术开始应用于直流输电系统，使其运行性能与可靠性得到明显改善。,1970,年，瑞典大陆与哥特兰岛的直流输电系统进行扩建增容，将晶闸管阀换流器叠加在原有的汞弧阀换流器上，增容后工作电压由,100kV,提高到,150kV,、输电容量由,20MW,提高到,30MW,。,1972,年，第一个