直流输电基本原理.ppt

中国电力科学研究院 曾南超,直流输电基本原理,内容提要,直流输电原理 换流器的结线方式 6脉动可控桥 换相过程 整流器运行 逆变器运行 等值电路图 稳态特性 两站控制特性的配合 交流量和直流量的近似关系 交直流谐波及无功补偿,直流输电原理(正送),整流,逆变,注意:只需很小的压差,Id,直流输电原理(反送),整流,逆变,Id,注意: 只需很小的压差,电流方向不变,仅电压极性反转！,换流器的结线方式,采用6脉动换流桥为基本单元 与其他结线方式相比， 6脉动换流桥的优点： 直流电压相同条件下，阀在断态下所承受的电压峰值较低； 直流输出功率相同条件下，换流变压器阀侧绕组容量较小； 换流变结线简单，无需两个副绕组或有中心抽头的副绕组； 采用晶闸管元件（半控器件） 晶闸管导通条件 正向电压 触发脉冲 晶闸管关断条件 电流过零,晶闸管,阴极,阳极,门极,六脉动换流桥,桥臂,共阴极组,共阳极组,晶闸管阀塔,6脉动二极管整流桥(未计入换相电感),ea,eb,ec,共阳极组,共阴极组,Id,Id,6脉动二极管整流,直流电压（平均值）,纹波,整流器的阀电流和交流侧电流（不计换相）,换相过程,ea,eb,ec,叠弧（换相电感）引起的电压降,整流电压(平均值),电压降,峰值整流,6脉动可控桥,a 0 时，考虑叠弧后整流电压平均值,-,ea,eb,ec,i a,i c,i b,Id,Id,A,B,C,U+,U-,可控整流电压,C,电压矢量关系,ea,eb,ec,(ea+ec)/2,电压矢量关系,可控整流器的外特性,换流器的等值电路,可控整流器的阀两端电压波形,单桥整流器相电流波形,U+,U-,单桥整流器电压波形,U+,U-,整流桥波形,整流运行,直流电压,相电流,桥臂电压,整流运行小结,直流电压 VdVdiocos dId Vdio1.35E 理想空载直流电压 E 换流变阀侧线电压有效值 d 3L/ 等值换相电阻 L 从电源到阀桥之间的每相 等值电抗 Id 直流电流,单桥逆变器,逆变器,逆变器的直流电压（ 0 ）,逆变电压,A,C,c4,V5,P1,V5V1,V1,逆变器的阀电压与阀电流,单桥逆变器阀电流波形,单桥逆变器换流变阀侧电流波形,逆变桥波形,逆变运行,直流电压,相电流,桥臂电压,逆变运行小结,超前角 180 迭弧角 关断角 () 熄弧角，换相余裕角 直流电压 VdVdiocos dId VdVdiocos dId Vdio1.35E 理想空载直流电压 E 换流变阀侧线电压有效值 d 3L / 等值换相电阻 Id 直流电流,逆变器定等值电路,逆变器定等值电路,稳态特性,单桥换流器稳态特性,=,直流电压与角的关系,换流器的功率因数,相关公式总结,整流,逆变,叠弧角,等值电路图,稳态特性,S点左侧 Vd = Vdzocos- Id dz S点右侧 定 运行 Vd = Vdoncos +Id (dn + R) 定 运行 Vd = Vdoncos - Id (dn - R) Id = (Vdzocos - Vdoncos) /(dz+R + dn) = (Vdzocos - Vdoncos )/(dz+R - dn),控制特性配合1,定、定 定、定,控制特性配合2,定Id、定 定、定Id,控制特性配合3,定Ud、定Id,控制特性配合4,电流裕度控制,I,电流调节器示意,Id调节例,小结,控制直流功率的手段 改变角(Vd1.35Ecos dId) 调节范围大；连续调节；调节速度快。 主要控制手段 改变换流变抽头位置(Vd1.35Ecos dId) 调节范围小；分级调节；调节速度慢。 辅助控制手段,小结 基本控制配合1,整流站控制Id 由电流调节器控制Id Id Ido 由换流变抽头调节控制换流器 =152.5 逆变站控制Ud 由关断角调节器控制 17 由换流变抽头调节控制Ud Ud Udo1% 例：三常、三广,小结 基本控制配合2,整流站控制Id 由电流调节器控制Id Id Ido 由换流变抽头调节控制换流器 =152.5 逆变站控制Ud 由电压调节器控制Ud Ud Udo 由换流变抽头调节控制 17 2.5 例：天广、贵广,小结 基本控制配合3,整流站控制Id 由电流调节器控制Id Id Ido 由换流变抽头调节控制换流变阀侧空载电压Udi0不变。 逆变站控制Ud 由关断角调节器控制 17 由换流变抽头调节控制换流变阀侧空载电压Udi0不变。 例：葛南,交流量和直流量的近似关系,交流电流和直流电流 换流桥交流侧电流有效值 I=( 6/)*Id = 0.78Id 换流桥交流侧基波电流有效值 I1=( 6/)*Id*k1 k1 = f(,) 交流电压和直流电压 Vd = 3*2/(2)*E*cos+cos( +) 换流器视在功率 W = 3*E*I 换流器总功率因数 cos = cos + cos (+)/2 交流功率和直流功率 P = Pd 忽略换流器损耗（ 1Pdn）,12脉动阀组,12脉动桥电源侧电流波形,直流谐波,1. 直流侧谐波 特征谐波 n=kp 6脉动换流器 6、12、18、 12脉动换流器 12、24、36、 非特征谐波 产生的原因： 交流电压中含有谐波电压 两个6脉动组的换流变漏抗变比误差 两极换流器运行参数不相等 换流变三相漏抗误差 触发脉冲不等距,直流谐波,直流谐波的危害 1）对直流系统本身 直流侧设备附加发热 设备额定值 运行费用 2）对直流线路和接地极线路邻近通信系统的干扰 主要是明线电话线路 3）通过换流器使交流谐波 换流器是频率转换器,直流谐波,2. 对邻近通信线路产生噪声干扰 干扰电压 沿线分布 计算：Vi = Kz* = Kz*Ie(i) Vi 直流线路上 i点谐波电压对电话线路产生的干扰电压 Kz 1kHz频率下直流线与电话线间的耦合阻抗 n 直流谐波次数 Pn , Hf n次谐波的等效加权系数及耦合系数 In n次谐波电流(极线和地线中谐波电流代数和) Ie(i) i点 等效谐波干扰电流 实测： 与直流线路相距1km 平行架设一条实验线路，测量干扰电压。,直流滤波器,等效干扰电流 表示所有谐波的综合干扰效应，沿线 分布 Ieq(i) = Ie(i) A2+ Ie(i) B 21/2 Ie(i) A 换流站A直流谐波电压源在i点产生的等效干扰电流幅值 Ie(i) B 换流站B直流谐波电压源在i点产生的等效干扰电流幅值 3. 性能衡量标准 Ieq目前国际上尚无统一标准 单极运行 双极平衡运行 葛洲坝工程 (mA) 450 150 天广工程(mA) 1000 500 印度Rihand-Delhi 810 270,直流谐波,4. 减小直流谐波的途径 增加脉动数 超过12脉动不合算 减小阀的触发角 受运行方式限制 改变直流线路参数 增大衰减常数(理论) 装设直流滤波器 工程应用 5. 直流滤波器类型 无源型 (葛南、三常、三广等) 有源型 完全有源型 混合有源型 (天广),直流谐波,直流滤波器类型选择 目前世界上已投运的高压直流输电工程中，两种型式的直流滤波器都有采用。 无源直流滤波器已有多年的运行经验，在大多数工程中采用。 有源直流滤波器首次于1991年在康梯斯堪I工程中投入试运行，后来又在斯卡格拉克III和波罗的海电缆工程中被采用。我国天广直流工程则是采用有源直流滤波器的远距离架空线路直流输电工程。,直流谐波,直流滤波器的配置方案 目前世界上的HVDC工程，通常采用如下直流滤波器的配置方案： (1) 在12脉冲换流器低压端的中性母线和地之间连接一台中性点冲击电容器以滤除流经该处的各低次非特征谐波，一般不装设低次谐波滤波器以避免增加投资。 (2) 在换流站每极直流母线和中性母线之间并联两组双调谐或三调谐无源直流滤波器。 调谐到122436次。,三常直流滤波器,贵广1回直流滤波器,交流谐波及无功补偿,换流变网侧电流波形,六脉动阀组Y/Y,六脉动阀组Y/D,十二脉动阀组,交流谐波及无功补偿,1. 换流器交流侧谐波(特征谐波) nkp1 k=1,2,3,.,n 6脉动换流器 5,7；11,13；17,19； 23,25； . 12脉动换流器 11,13；23,25；35,37；. 谐波次数，幅值。 In I1/n 换流器产生的谐波随运行工况而变化（如 Id， ）。 2. 交流谐波的危害 损耗增加 电器发热 机械振动,交流谐波随直流电流变化,交流谐波及无功补偿,3. 谐波治理 加装相应滤波器，不让谐波流入系统。 背景谐波的影响 低次谐波 调谐滤波器 单调谐，双调谐，三调谐 高次谐波 高通 普通交流滤波器 连续调谐,安顺换流站交流场,交流谐波及无功补偿,4. 换流器交流侧谐波(非特征谐波) 非特征谐波产生原因： Id 中存在纹波 Uac 中存在谐波 交流基波电压不对称 换流变阻抗相间差异 Y/Y和Y/换流桥点火角差异、变比差异、阻抗差异 点火脉冲不完全等距 治理： 必要时加装相应滤波器，如3次谐波滤波器。,交流谐波及无功补偿,5. 谐波指标定义 单次谐波畸变率 Dn = Un*100%/U1 总的谐波畸变率 D = /U1* 100% 电话谐波波形系数 THFF = /U1 Un n次谐波相压（有效值） U1 额定基波相压 （有效值） n 谐波次数 Kn n*50/800 Pn n次谐波噪音评价系数/1000,交流谐波及无功补偿,6. 谐波控制指标（例） 单次谐波畸变率 Dn 1 总的谐波畸变率 D 2 电话谐波波形系数 THFF 1,三常直流交流滤波指标,换流器无功需求,交流谐波及无功补偿,7. 换流站需要无功 用晶闸管阀进行换流，采用电网电源换相技术，换流器在运行中要吸取无功功率，其值一般为所交换的有功功率的40%60%（额定功率下），通常在换流站需要装设适当的无功补偿装置 ，以满足系统无功平衡的要求。 无功功率补偿装置一般有以下几种形式： (1) 交流滤波器及电容器组。 (2) 交流并联电抗器。 (3) 静止补偿装置。 (4) 同步调相机。,交流谐波及无功补偿,8. 换流站无功补偿设备 交流滤波器的基波无功 固有的 n次滤波器 每相基波无功 QC(n2/(n2 -1)U2 U 基波相电压 并联电容器 费用低、容量与电压平方成比例 同步补偿机 费用高、维护量大、可提高稳定性 静止补偿器 费用高、调节性能好 当短路比（SPd）3时，通常采用交流滤波器及电容器组和电抗器组。 当短