毕业论文-直流输电综述

1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文哈尔滨理工大学学士学位论文- PAGE II - PAGE IV -直流输电综述摘要直流输电技术不仅能够实现比交流输电技术更为经济的电能大容量远距离的传送，而且能用于两区域电网非同步互连与不同频率电网互连，也可通过控制实现功率的紧急援助、抑制低频振荡、提高交流系统的动态稳定性等。目前，随着我国“西电东送、南北互供、全国联网”战略方针的实施，发展直流输电技术，加快建设超、特高压直流输电系统已成为必然趋势。本文首先概述了直流输电技术的发展历程和在我国的发展状况，并列举一系列我国已经投运的直流输电工程，然后介绍了直流输电的运行方式、主要设备及其功能、6脉动和12脉动换流

2、装置的工作原理和直流输电系统的运行方式等，并且简要介绍了强迫换流换相技术、光触发晶闸管技术与轻型直流输电技术三种直流输电领域的新技术。最后，针对我国资源分布与电力负荷分布不均衡的国情，提出在电力网中建设特高压直流输电系统是促使我国实现能源优化配置，进一步降低输电损耗，提高输电效率与提高电网稳定性的重要手段。关键词：直流输电；输电损耗；运行方式；稳定性The introduction of DC transmission AbstractDC transmission technology can not only realize the exchange and transmission te

3、chnology more than economic power capacity of the distant transmitted, and can be used to two regional network of asynchronous interconnection and different frequency power network interconnection, also can control the power of the emergency aid, realize low frequency oscillation improvement of comm

4、unication, suppression of system dynamic stability, etc. Now, along with our countrys power transmission from west to east, north and south to send each other for and nationwide network strategic policy implementation, development DC transmission technology, speed up the construction of the super, s

5、pecial HVDC transmission system has become an inevitable trend. This paper first Outlines HVDC technology development history and in the development of our country status, and lists a series of our country has been put into operation of HVDC project, and then introduced the DC transmission operation

6、 mode, the main equipment and its function and six pulsing and 12 pulse converter devices working principle and HVDC system operation mode, and briefly introduces the force for change in technology, light flow touch Thyristor canal technology and light DC transmission technology three dc transmissio

7、n areas of new technology. Finally, in view of Chinas resources distribution and power load uneven distribution with the situation of our country, puts forward the construction of ultra-high voltage grid is to make our country HVDC system realize the energy optimization allocation, further reduce th

8、e transmission loss, improve the transmission efficiency and improve the safe and transmission loss operation of the grid.Keywords: DC transmission; transmission loss; working principle;stable目录摘要 = 1 * ROMAN IAbstract = 2 * ROMAN II TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc328559899 第1章 绪论 PAGEREF _Toc32855

9、9899 h 1 HYPERLINK l _Toc328559900 1.1 课题背景 PAGEREF _Toc328559900 h 1 HYPERLINK l _Toc328559901 1.2 国内外直流输电技术的发展 PAGEREF _Toc328559901 h 2 HYPERLINK l _Toc328559902 1.3 直流输电技术简介 PAGEREF _Toc328559902 h 3 HYPERLINK l _Toc328559903 1.3.1直流输电的领域适用 PAGEREF _Toc328559903 h 3 HYPERLINK l _Toc328559904 1.3

10、.2直流输电的分类 PAGEREF _Toc328559904 h 4 HYPERLINK l _Toc328559905 1.3.3直流输电系统的构成 PAGEREF _Toc328559905 h 6 HYPERLINK l _Toc328559906 1.4 论文的目的与研究意义 PAGEREF _Toc328559906 h 9 HYPERLINK l _Toc328559907 第2章 直流系统的主要设备 PAGEREF _Toc328559907 h 10 HYPERLINK l _Toc328559908 2.1 直流输电系统的主要设备 PAGEREF _Toc328559908

11、 h 10 HYPERLINK l _Toc328559909 2.1.1 换流变压器 PAGEREF _Toc328559909 h 10 HYPERLINK l _Toc328559910 2.1.2 换流装置 PAGEREF _Toc328559910 h 11 HYPERLINK l _Toc328559911 2.1.3 无功补偿装置 PAGEREF _Toc328559911 h 12 HYPERLINK l _Toc328559912 2.1.4 滤波装置 PAGEREF _Toc328559912 h 14 HYPERLINK l _Toc328559913 2.1.5 其它设

12、备 PAGEREF _Toc328559913 h 18 HYPERLINK l _Toc328559914 2.2 本章小结 PAGEREF _Toc328559914 h 19 HYPERLINK l _Toc328559915 第3章 直流输电换流原理 PAGEREF _Toc328559915 h 20 HYPERLINK l _Toc328559916 3.1 6脉动整流器工作原理 PAGEREF _Toc328559916 h 20 HYPERLINK l _Toc328559917 3.2 6脉动逆变器工作原理： PAGEREF _Toc328559917 h 23 HYPERL

13、INK l _Toc328559918 3.3 12脉动换流器工作原理 PAGEREF _Toc328559918 h 24 HYPERLINK l _Toc328559919 3.4 直流输电稳态工况计算常用公式 PAGEREF _Toc328559919 h 25 HYPERLINK l _Toc328559920 3.5 本章小结 PAGEREF _Toc328559920 h 27 HYPERLINK l _Toc328559921 第4章 直流输电稳态特性 PAGEREF _Toc328559921 h 28 HYPERLINK l _Toc328559922 4.1 直流输电工程额

14、定值 PAGEREF _Toc328559922 h 28 HYPERLINK l _Toc328559923 4.2 直流输电工程的运行方式 PAGEREF _Toc328559923 h 29 HYPERLINK l _Toc328559924 4.2.1 全压运行与降压运行方式 PAGEREF _Toc328559924 h 29 HYPERLINK l _Toc328559925 4.2.2 功率正送与功率反送 PAGEREF _Toc328559925 h 29 HYPERLINK l _Toc328559926 4.2.3 双极对称与不对称运行方式 PAGEREF _Toc3285

15、59926 h 30 HYPERLINK l _Toc328559927 4.3 直流输电工程控制方式 PAGEREF _Toc328559927 h 30 HYPERLINK l _Toc328559928 4.4 本章小结 PAGEREF _Toc328559928 h 31 HYPERLINK l _Toc328559929 第5章 直流输电的新技术及新发展 PAGEREF _Toc328559929 h 32 HYPERLINK l _Toc328559930 5.1 强迫换相换流器 PAGEREF _Toc328559930 h 32 HYPERLINK l _Toc32855993

16、1 5.2 光触发晶闸管 PAGEREF _Toc328559931 h 32 HYPERLINK l _Toc328559932 5.3 轻型直流输电 PAGEREF _Toc328559932 h 33 HYPERLINK l _Toc328559933 5.4 本章小结 PAGEREF _Toc328559933 h 33 HYPERLINK l _Toc328559934 结束语 PAGEREF _Toc328559934 h 34 HYPERLINK l _Toc328559935 致谢 PAGEREF _Toc328559935 h 35 HYPERLINK l _Toc32855

17、9936 参考文献 PAGEREF _Toc328559936 h 36 HYPERLINK l _Toc328559937 附录 PAGEREF _Toc328559937 h 39PAGE II- - PAGE V - PAGE 10 - PAGE 52 -绪论课题背景直流输电技术是电力电子技术在电力系统输电领域中应用最早同时也是较成熟的技术。应用在电力系统上的直流输电由将交流变换为直流电的整流器、高压直流输电线路以及将直流电变换为交流电的逆变器三部分构成。目前，高压直流输电在电力系统中得到广泛应用，直流输电由于自身的结构和性能，具有一系列特点：1. 经济性与高压交流输电相比，高压直流输电

18、的合理性和适用性在远距离，大容量输电中具有明显优势。直流输电线路的造价和运行费用比交流输电低，而换流站的造价和运行费用均比交流变电站的高。因此，对同样输电容量，输送距离越远，直流比交流的经济性越好。通常规定，当直流输电线路和换流站的造价与交流电线路和直流换流站的造价相等时的输电距离为等价距离，也就是说，当以远距离输送电能为目的时，对于一定的输送功率，当输电距离大于等价距离时，采用直流输电更为经济。架空线路目前等价距离为600-700km,电缆线路的等价距离为20-40km设费用。设费用2. 互连性交流输电能力受到同步发电机间功角稳定问题的限制，且随着输电距离的增大，同步机间的联系电抗增大，稳定

19、问题更为突出，交流输电能力受到更大限制。相比之下，直流输电不存在功角稳定问题，可在设备容量及受端交流系统容量允许的范围内，大容量输送电力。另一方面，交流系统联网的扩展，会造成短路容量的增大，选择合适的断路器十分困难。而采用直流对交流系统进行互连时，不会造成短路容量的增加，也有利于防止交流系统故障的扩大。因此对于已存在的庞大交流系统，通过分割成相对独立的子系统，采用直流互连，可有效减少短路容量，提高系统运行的可靠性。直流输电所连两侧电网无须同步运行，因此直流输电可实现电网的非同步互连，进而直流输电可实现不同频率交流电网的互连，起到频率变换器的作用。3. 控制性直流输电具有潮流快速可控的特点，可用

20、于所连接交流系统的稳定与频率控制。直流输电的换流器是基于电力电子器件构成的电能控制电路，因此对电力潮流的控制迅速而精确。此外，对双端直流输电而言，可迅速实现潮流的反转，对所连交流系统的稳定控制和故障状态下的频率变动控制有重要作用。（潮流反转有正常运行中所需要的慢速反转和交流系统发生故障需要紧急功率支援时的快速潮流反转。潮流反转的速度主要取决于两端交流系统对直流功率变换速度的要求和直流输电系统主回路的限制。）4. 缺点直流输电也存在一系列缺点。直流输电换流站设备多，结构复杂，造价高，运行费用高，可靠性也较差。换流器在工作过程中会产生大量的谐波，处理不当而流入交流系统的谐波就会对交流电网的运行造成

21、一系列问题。其次，直流输电在传送有功功率的同时，会吸收大量无功功率，可达用功的50%-60%。需要大量无功补偿装置及相应的控制策略。另外，直流输电的接地极问题，直流断路器问题等还存在一些没有解决的技术性问题。随着我国国民经济的增长，中国用电需求不断增加，中国的自然条件以及能源和负荷中心的分布特点使得远距离大容量的电力传输成为必然，高压直流输电技术迎合这一要求，而且符合“西电东送，南北互供”的要求，符合资源优化配置的需要。此外，为了提高整个电网的安全稳定水平，需要将几个大电网进行互联，而直流输电能实现这种互联。我国从20世纪50年代就开始从事高压直流输电技术的研究。在不久的将来，直流输电将成为我

22、国电网的重要组成部分1。国内外直流输电技术的发展在发电和用电的绝大部分均为交流电的情况下，要采用直流输电，必须要解决换流问题。因此，直流输电的发展与换流技术的发展有密切关系。20世纪70年代以后，随着电力电子技术的发展，高电压大功率晶闸管换流阀和微机控制技术在直流输电工程中的应用有效地改善了直流输电的运行性能和可靠性。晶闸管换流阀不存在逆弧问题，而且制造，试验，运行维护和检修都比汞弧阀简单，微机控制与保护，光电传输技术，氧化锌避雷器等新技术的产生，都促使了直流输电的发展。1970年瑞士首先在果特兰岛直流工程上扩建了直流电压为50Kv,功率为10MW，采用晶闸管换流阀的试验工程。20世纪90年代

23、以后，新型氧化物半导体器件绝缘栅双极晶体管(IGBT)在工业上得到应用。1997年3月世界上第一个采用绝缘栅双极晶体管的换流器在直流输电工业上投入运行。近期，集成门极换相晶闸管（IGCT）和大功率碳化硅元件具有通流能力大，损耗低，体积小，可靠性高等特点，在直流输电领域有很好的发展前景。80年代以来，我国高压直流输电技术的研究和发展取得了巨大成果。到2011年我国已有16条直流输电工程投入运行，见表11。我国计划在2020年前投运的直流输电工程将超过30个，直流输电将成为我国电网的重要组成部分2。表11 中国已投运的部分直流输电工程1灵宝工程360120020052三沪工程30005001040

24、20063贵广回工程3000500122520084灵宝扩建工程750166.7020095德阳-宝鸡工程300050055020106向家坝-上海工程6400800196120107云广工程5000800145020108呼伦贝尔-沈阳工程300050090820119宁东-山东工程39606601335201110三峡-上海工程3000500976201111高岭背靠背扩建工程150012502011直流输电技术简介1.3.1直流输电的领域适用上述直流输电自身的一系列特点，使得直流输电有其适用的领域，主要如下：1海底电缆输电 从世界范围看，直流输电工程约1/3为海底电缆送电。电缆方式的直流

25、输电等价距离已下到20-40km.直流电缆方式已广泛用于负荷供电及电力外输和交流系统的互连。2.长距离架空线输电 有研究表明，对于输送10GW、300km的电力，直流架空线路输送已开始占优势，依据这一分析，适用直流架空线路的输电容量将占到全球总输电量的26%以上，可分为以下两种应用情况：电源输电和交流系统连网，目前，直流架空输电方式中约有20%左右用于交流系统的连网，用以提高交流系统的稳定运行和频率控制。3.背对背方式 背对背方式工程约占全世界直流工程的40%，主要用于在不增加交流电网短路容量的情况下，实现功率的融通和紧急功率支援。背对背方式的应用可分为下面两种情况：第一，交流系统的互连。利用

26、背对背方式将相同频率的交流电网互连，实现两交流电网的非周期互连运行。这种方式约占背对背方式工程的80%以上；第二，不同频率交流系统的互连。这种方式利用背对背直流输电使不同频率的交流电网实现互连。这类方式工程约占背对背工程的20%左右。阿拉伯国家间不同频率的电网互连就用这种技术。4.短路容量对策 世界范围内，随着电力负荷的增加，电源及电网建设不断扩大，交流电网的规模越来越大。在这种情况下，短路情况下，短路故障发生的故障电流越来越大，直流输电作为限制短路电流的对策获得极大关注。在都市负荷集中地区供电，有时必须采用地下电缆。这种情况下，要求设备占空间小，短路电流过大时，断路器的选择就有困难，这时采用

27、直流输电就表现出优势。此外，将已有的大规模交流系统分割为若干小系统的独立运行，小系统之间采用背对背等直流方法互连，也可减小短路电流3。1.3.2直流输电的分类直流输电依据不同的换相方式、不同的端子数目与交流系统的不同连接关系可以有不同的分类方法。目前，世界上有三种直流输电方式4。1.长距离直流输电这种方式的典型接线如图11所示，为高压直流输电的主要形式，主要用来实现从电源中心到负荷中心的电能传输。从本土向离岛经过电缆的直流输电也属于这种方式。这种方式依据电能只沿一个方向输送或可双向输送，又可进一步分为单方向直流送电方式和双方向直流送电方式。通常从水电或火电能源基地向负荷中心送电、向存在弱交流电

28、网的离岛的送电多为单方向直流送电方式。当送端具有一定规模的交流系统或离岛具有可扩展的电源时，直流输电通常采用双方向直流送电方式。这种情况下，送端换流器与受端换流器采用相同的结构，使任一侧的换流器既可用作整流器，也可用作逆变器。 1换流变压器 2换流器 3平波电抗器 4交流滤波器 5直流滤波器6控制保护系统 7接地极 8远程通信系统图11 两端直流系统构成原理图2.背对背（BTB）方式直流输电 这种方式的主回路如图12所示。它可以看做是两组换流器通过平波电抗器反并联而成，因此称为背对背方式。这种方式两侧换流器设置在同一场所，没有直流输电线路，具有快速潮流反转功能，可十分方便地用于所连交流系统的功

29、率与频率控制。1换流变压器 2换流器 3平波电抗器 4两端交流系统图12 背靠背直流输电系统原理接线图3.交、直流并列输电方式 图13所示为改方式的接线图，两端交流系统之间既有交流的联系，又有直流的联系。这种方式可充分利用高压直流控制的特长，对交流系统的稳定运行，特别是对两侧交流系统距离较远是的稳定控制发挥重要作用。与直流输电相并列的交流输电则具有中间落点的便利性，可为中间地区负荷供电。图13 交、直流并列输电方式1.3.3直流输电系统的构成直流输电具体的构成，可依据换流站的数目是2个、3个或更多，分为双端直流与多端直流。目前的直流输电工程多为双端直流，只有为数不多的三端直流输电工程投入运行。

30、这里主要针对电网换相方式给出直流输电系统的构成4。1.3.3.1直流单极输电1.大地或海水回流方式 这种方式的极线可采用架空线或电缆，回流方式则利用大地或海水，可大量降低输电线路的造价，如图14所示。但这种方式对接地极的材料、设置方式有较高的要求，且大地或海水回流会对地下铺设物，通信线路等造成影响。目前，海水回流方式在一些穿越海峡送电的工程中获得应用。 图14 单极大地或海水回流方式2.导体回流方式 为避免上述大地或海水回流方式存在的问题，增设一回导体作为回流通道，如图15所示。这种单极换流器采用两回导体显然在经济上时不合理的，但直流输电工程科分阶段投资和建设，单极双导体作为双极建设中的一个阶

31、段运行还是有工程实例的。日本的北海道-本州连网工程就是这样建设的4。图15 单极金属回线方式1.3.3.2直流双极输电1.中性点两端接地方式图16所示为整流与逆变侧中性点均通过接地极接入大地或海水中的情况。这种方式类似于两个以大地或海水作为回流的单极方式。对称运行情况下，两回路电流大小一致，方向相反，实际电流很小。当一极故障推图16 直流双极输电：中性点两端接地方式出运行时，另一极仍可以大地或海水作为回流方式，输送50%的电力。因此，这种方式提高了直流输电的可靠性。目前国际上建设和运行的直流工程多为这种双极两端中性点接地方式。2.中性点单端接地方式这种方式只将整流或逆变的某一端的中性点接地，它

32、可有效地避免1中述及的由于不平衡造成的接地接电流。大大减少单极故障时的接地极电流的电磁干扰作用。当然，这种方式在单极故障退出运行时，整个直流系统就必须停运，降低了直流的可靠性。英法海峡连网的Cross Channel工程就用这种方式。3中性线方式图17所示为中性线方式的接线实例。也可以在两端换流站的中性点通过中心线相接的同时也接地。这样在单极故障时，大地或海水中流过部分电流（50%），从而降低中心线的设计容量。而在双极正常运行方式时，较小的不平衡电流通过中心线流通，减少中性点电流的电磁干扰。加拿大的温哥华工程就采用这种方式。图17 直流双极输电：中性线方式1.3.3.3直流多回路输电这种输电方

33、式为线路并联多回输电方式。图18所示为该方式的接线图，图中每个极采用两回输电线路，可提高输电的容量和可靠性。这种方式线路必须配备相应的高压直流断路器，以便快速，可靠地对线路进行投切。目前，大容量的直流断路器产品还很不完善4。图18 线路并联多回输电方式论文的目的与研究意义我国的大型水电、火电厂主要在中西部省区，而用电大省主要在华北、华东与华三个地区，因此发展长距离大容量输电极为重要，与高压交流输电相比，高压直流输电的经济性和合理性在远距离大容量输电中具有明显优势。此外，为了提高电网的安全稳定水平，需要将几个大电网进行互联。如果采用交流联网方案，在一地区发生故障后，极可能威胁整个大电网的安全稳定

34、，而采用直流联网则能根本解决这个难题5。因此，发展直流输电对我国的国家建设和经济发展有重要意义。本文主要对直流输电系统的主要设备和换流、逆变原理等进行阐述，并分析发展特高压直流输电的意义，进而促进我国电力网的改进与完善。研究的内容包括直流输电系统设备介绍、6脉动与12脉动换流原理、无功补偿与滤波、直流输电系统的运行方式等。直流系统的主要设备直流输电系统的主要设备直流输电系统的基本工作原理是通过换流装置，将交流电转变为直流电，将直流电传送到受端换流装置，再由该换流装置将直流电转变为交流电送入受端交流系统。换流装置是直流输电系统最重要的电气一次设备，此外，还需要换流变压器、平波电抗器、无功补偿装置

35、、滤波器、直流接地极、交直流开关设备、直流输电线路以及控制与保护装置、通信系统等5。如图21所示。1交流系统 2换流变压器 3交流滤波器 4平波电抗器 5换流器 6接地极 7控制保护系统 8直流滤波器 9远程通信系统 10直流输电线路图21直流输电系统的构成原理图换流变压器在直流输电系统中，换流变压器是最重要的设备之一，它不仅参与了换流器的交流电与直流电的相互转换，而且还承担着改变交流电压数值、抑制直流短路电流等作用。此外换流变压器容量大、设备复杂、投资昂贵，因此，换流变压器的可靠性，可用率以及投资对整个直流输电系统起着关键性作用6。由于换流变压器与产生大量谐波的非线性设备换流器相连，所以换流

36、变压器在漏抗、绝缘、谐波和试验等方面与普通电力变压器存在较大的差别，这些差别使换流变压器有很多特殊的地方，包括：短路阻抗大、绝缘要求高、噪声大、有载调压范围宽、直流偏磁严重、试验复杂等。换流变压器的功能如下7：1.参与实现交流电与直流电之间的相互转换。高压直流输电系统一般采用12脉动换流单元接线方式，其中每一个6脉动换流器分别通过Yy和Yd联结换流变压器并联接入交流系统。换流变压器为这两个6脉动换流器提供相位差的交流电压，从而形成12脉动换流器结构。如果换流变压器的接线组别相同，即同为Yy联结，或同为Yd联结，则两个6脉动换流器的交流电压相角相等，其输出的整流电压波形相同，大小相等，合成后的输

37、出波形只有6个波头，无法产生12脉动输出电压。2实现电压变换。将交流系统的通常为500kV或220kV的高电压，降低至适合换流器需要的交流电压，多为200kV左右。3抑制直流故障电流。换流变压器的漏抗限制了阀臂短路和直流母线短路时的故障电流，能有效保护换流阀。4消弱交流系统入侵直流系统的过电压。5减少换流器注入交流系统的谐波。换流变压器的漏抗对换流器产生的谐波电流具有一定的抑制作用。6实现交、直流系统的电气隔离。换流装置在直流输电系统中，换流器通常采用三相桥式全控换流电路作为基本单元，如图22（a）所示。由于该电路的直流侧整流电压在一个工频周期中具有6个波头 ，所以三相桥式全控换流电路又称为6

38、脉动换流器。当两个6脉动换流器采用直流端串联、同时交流端并联方式实现连接后，构成12脉动换流器，如图22(b)所示。目前，世界各国的直流输电工程都采用12脉动换流器作为基本换流单元。由于实现12脉动换流需要借助于换流变压器，以使每一个6脉动换流器的同一相电压产生的相位差，因此在高压直流输电系统中，一般将换流器、换流变压器、交直流滤波器、控制保护设备以及交直流开关设备等作为一个整体，定义为一个基本换流单元。换流站由基本换流单元组成，在高压直流输电系统中，换流器不仅具有整流和逆变的功能，而且整流器还具有开关的功能。在交、直流系统故障以及故障后的恢复过程中，对整流器的快速控制可有效保护直流输电系统，

39、同时也是交流电网安全和稳定运行的重要保障9。1.换流器件：目前，世界各国通用的换流器件为晶闸管换流器，低频门极关断晶闸管换流器和高频绝缘栅双极晶体管换流器。晶闸管是耐压水平最高、输出容量最大的电力电子器件10。从1972年以来，晶闸管开始大量用在直流输电工程中，近十年来，一些国家开始采用高频可关断的IGBT、IGCT器件进行换流。2. 换流阀：由图29可见，6脉动换流器和12脉动换流器分别由6个和12个桥臂组成，分别用或来表示。数字代表桥臂导通的顺序。如6脉动换流器的6个桥臂导通顺序为导通，后导通最后再导通，如此循环11。（a） (b)（a）6脉动换流器 (b)12脉动换流器图22 换流器原理

40、图在直流输电系统中，桥臂也称为换流阀，阀臂，或简称阀。换流阀是换流器的基本单元，是换流的关键设备。晶闸管换流阀由几十个到数百个晶闸管器件串联而成，这是因为目前晶闸管器件的成熟技术是生产芯片直径125毫米，反向不重复峰值电压8kV，额定电流3 kV的晶闸管。与高压直流输电工程500 kV的额定直流电压相比，单片晶闸管的电压大小，必须通过多元件的串联才能满足工程运行电压的需要。每个直流输电工程所需晶闸管数量巨大，一般在数千只以上。无功补偿装置采用普通晶闸管换流阀进行换流的高压直流输电换流站，一般均采用电网换相控制技术，其特点是换流器在运行中要从交流系统吸收大量的无功功率。在额定工况时整流装置所需的

41、无功功率约为有功功率的30%-50%，逆变装置约为40%-60%11。对于换流站，器运行中所需的无功功率不能依靠或不能主要依靠其所接入的交流系统来提供，而且不允许换流站与交流系统之间有太大的无功交换。主要是因为当换流站才能够交流系统吸取或输出大量的无功时，将导致无功损耗，同时换流站的交流电压将会大幅度变化。所以在换流站中根据换流器的无功功率特性装设合适的无功补偿装置，是保证高压直流系统安全稳定运行的必要条件之一。电网换相换流器的直流输电换流站，不管处于整流运行还是逆变运行状态，直流系统都需要从交流系统吸收无功功率，即换流器对于交流系统而言总是一种无功负荷。根据换流原理可知，换流器消耗的无功功率

42、可由式4-1表示12： (21)其中： (22) (23) (24)式中：换流器理想空载直流电压（kV）； ： 换流器直流侧功率（MW）； ：换流器无功消耗（Mvar）； ：换流器的功率因数角（）；：直流运行电流（kA）；：换相角（）；：每相的换相电抗（）；：整流器触发角（）；：换流变压器阀侧绕组空载电压有效值（kV）；：极直流电压（kV）；当换流器以逆变方式运行时，式中的用替代，为逆变器的关断角（）。从上述计算公式可以看出，换流器无功功率除受有功功率影响外，还与其他很多运行参数有关，其中最为灵敏的是触发角和关断角。在不同的运行控制方式下，换流器吸收的无功功率随换流功率的变化也将会出现很大差异

43、13。巨大的无功容量若由换流站所连接的交流电网提供，则交流线路的线损会大幅度增加，危机系统正常运行。因此，换流器所需要的无功只能采用就地无功补偿的方法。换流站装设的无功补偿装置主要有以下三类14：1.机械投切式无功补偿装置这类设备包括机械投切式并联电容器、并联电抗器以及交流滤波器。当换流站所接的交流系统不是很弱时，一般采用机械投切式无功补偿装置。机械投切式无功补偿装置的主要优点是无功补偿容量巨大、投资低，其缺点是调节速度慢、不能实现平滑调节、不能频繁操作。因此，这类无功补偿装置渐渐被静止无功补偿器和静止无功发生器取代。2.静止无功补偿装置（SVC）当机械投切式无功补偿装置容量不足，且利用换流器

44、的无功调节特性也不能满足高压直流输电系统的无功需要时，可采用静止无功补偿装置。静止无功补偿装置一般由晶闸管控制电抗器和电容器组成。可连续调节发出和吸收的无功功率。其调节速度快，可用于抑制直流单极故障引起的换流站交流母线的暂态过电压，抑制交流滤波器投切时导致的换流母线电压波动。静止无功补偿装置是平衡电网无功功率和稳定电网电压的有效手段。但是静止无功补偿装置的缺点是投资大。3.同步调相机如果受端交流系统很弱，即短路比（SCR）小于或等于3时，逆变器很容易受交流系统扰动的影响而发生换相失败故障，导致直流电压下降，直流电流上升。换流站交流母线接入调相机后，提高了交流系统的短路比，从而减小了逆变器换相失

45、败的几率，有利于提高交流系统的稳定性。一般同步调相机多用于从远方发电厂向弱交流系统送电的直流工程的逆变站。我国的舟山和乘泗直流输电工程都专设了同步调相机。采用调相机投资大，运行可靠性低，维护工作量大。选择哪种类型的无功补偿设备主要取决于交流系统的强度。当短路比大于3时，只考虑装设并联电容器和电抗器，当短路比小于3时，考虑使用静止无功补偿装置。滤波装置2.1.4.1换流站交流侧的谐波分析任何形式的换流器在换流的同时都会产生谐波，电网换相的换流器在交流侧产生的谐波有特征谐波、非特征谐波和通过穿透作用产生的谐波15。1特征谐波：假设换流器处于理想的换流状态，即：交流母线电压为恒定频率的理想正弦波，换

46、流变压器各项的阻抗和变比完全相等，同一个12脉动换流器的Yy和Dd换流变压器组的阻抗和变比完全相等，每周期的12个脉冲严格按电角度等距触发，在三绕组换流变压器绕组中12K1次谐波，直流回路的电流为理想的直流。在理想条件下，可以推导出换流变压器中每段电流波形的数学表达式，利用傅里叶分析可以推导出各次谐波的正弦和余弦分量，可按以下公式计算特征谐波电流的幅值： (25)其中：式中，为交流侧谐波电流幅值；n为谐波次数；为6脉动换流器数；为换流器实际抽头位置阀侧电压；为换流变压器实际抽头位置系统侧电压；为额定空载直流电压；为实际空载直流电压；为额定直流电流；为实际直流电流；为由于换相角的存在造成的谐波减

47、少系数；为由换相引起的电压降；为由换相引起的额定相对电压降；为实际触发角或关断角；为实际换相角。从各个计算公式可以看出，各次谐波电流的幅值与直流电流直接相关，同时还受换相角的影响。对于低次谐波，主要是11次和13次，谐波幅值基本上随直流电流增加而增加，最大的谐波幅值出现在额定直流电流附近。而较高次数的谐波幅值随直流电流的变化规律要复杂得多，最大的幅值一般不出现在额定直流电流而在50%-80%额定直流电流之间。2非特征谐波和其他谐波实际直流输电工程的运行工况不可能是理想的，这些不理想的因素包括：直流电流中存在纹波、交流电压存在谐波、交流电压基波不对称、触发器脉冲不完全等距等。由于这些原因，换流变

48、压器绕组中流过的实际电流如果进行傅里叶分解，发现这种电流波形中除包含上述特征谐波以外，还包含其他次数的谐波，通常称为非特征谐波。2.1.4.2换流站交流侧滤波：目前，世界上大部分直流输电工程的交流滤波器均采用无源滤波器。无源滤波器是由电感、电容和电阻三种无源元件构成。无源滤波器与交流系统并联，作为谐波的旁路通道，因此在谐波频率下应处于串联谐振的小阻抗状态。由于滤波器组数有限，失谐影响严重，因而要采用一些宽带、高通或在特殊频率下具有大阻尼的滤波器。现在通用的滤波器有单调谐滤波器、双调谐滤波器、三调谐滤波器、二阶高通阻尼滤波器、三阶高通阻尼滤波器、C型阻尼滤波器、双调谐高通阻尼滤波器等16。2.1

49、.各种换流变压器都在直流侧产生谐波，直流侧的谐波主要是换流引起的谐波，即特征谐波，和其他原因引起的谐波（换流变压器参数和控制的各种不对称引起的谐波以及交流电网中的谐波通过换流器窜到直流侧）即非特征谐波。1特征谐波特征谐波是在理想的条件下，单纯由于换流而产生的谐波。在正常情况下直流输电换流变压器一般运行在接近理想状态，因此特征谐波是直流侧谐波的主体。在这种状态下，在一个周波的每一阶段中，直流电压都是正弦波的某一部分。通过傅里叶分析，可以确定各次谐波电压的有效值为 (26)谐波电压的相位为： (27)其中：对于6脉动换流变压器，n=6k.，其中k=1、2、3，即6的整数倍，对于12脉动换流变压器，

50、n=12k,即12的整数倍16。在20世纪90年代初，修建美国IPP直流工程时，由于直流接地极引线与直流线路同杆架设，发现在同杆架设段直流侧谐波超标严重，造成谐波超标的主要谐波次数是18次谐波，而不是传统的特征谐波。在解决这一问题的过程中，发现直流中性点对地电容值对18次谐波具有很重要影响，同时还发现换流器对地杂散电容在分析直流侧谐波电流分布中的重要作用，因而提出了图23所示的12脉动换流器3脉动直流侧谐波分析等值电路，即所谓3脉动谐波模型16。图中：3脉动谐波电压源；12脉动换流器的内阻抗；换流变压器对地杂散电容图23 新型的12脉动换流器3脉动直流侧谐波模型2非特征谐波产生直流侧非特征谐波

51、的因素主要有：交流母线电压中含有谐波电压，这样在直流侧就会出现非特征谐波电压；构成12脉动换流器的两个6脉动换流器的换流变压器的漏抗不相等和变比不相等；换流变压器三相漏抗不平衡等16。2.1.4.4直流侧滤波系统直流输电系统的直流侧设备流过谐波电流时不可避免的，这种谐波电流产生的主要危害为：对直流系统本身的危害，包括设备附加发热等；对线路邻近通信系统的危害，主要是对直流线路和接地极线路走廊附近的明线电话线路的干扰；通过换流器对交流系统的渗透17。由于对3脉动模型的应用，加之有些直流输电工程穿越人口相对集中的区域，规定了很低的等效干扰电流水平，因此为了要满足严格的要求，如双极100mA，单极20

52、0 mA，如果继续采用常规的滤波系统，则需要并联许多滤波器，提高了投资和占地面积，降低了直流系统的整体可靠性和可用率，从而开始开发直流有源滤波器，它除了采用常规的无源滤波器作为滤波兼耦合外，在滤波器支路加入一个可控的直流电压源。直流有源滤波器的原理是：对于每一次谐波频率，通过在滤波器支路内引入一个受控电压源，使其在直流线路端口产生与换流器谐波电压源产生的空载电压大小相等，相位相反的受控电压，来降低直流线路中的谐波电流17。其它设备1.直流输电线路直流输电线路分为架空线路、电缆线路以及架空-电缆混合线路三种类型。采用何种类型的直流输电线路应根据直流输电工程类型、换流站装置、线路沿途地形，线路用地

53、情况等因素加以综合考虑。直流输电架空线路结构简单，线路造价低，损耗小，运行费用较省。直流输电架空线路：直流输电架空线路一般采取分裂导线布置方式。对于500kV直流架空输电线路，通常采用4分裂形式。直流输电架空线路绝缘配合设计就是要解决杆塔上和档距中央各种可能的放电途径，包括导线对杆塔、导线对避雷线、导线对地、不同极导线之间的绝缘选择和相互配合等，其具体内容是：决定绝缘子串中绝缘子片数、决定导线至塔体的距离、不同极导线间的距离等。目前，世界上投运的高压直流输电架空线路中，应用最多的是钢化玻璃和瓷质绝缘子，负荷绝缘子主要应用于污秽严重区域。我国葛-南500kV直流输电工程采用瓷质绝缘子17。直流输

54、电电缆线路：直流电缆可用于远距离大容量输电，它主要应用于海底电缆以及向大城市供电的地下电缆。跨越海底的输电采用直流电缆更为有利。采用交流输电时，如果线路输送的功率大于自然功率，线路所消耗的无功功率就大于线路产生的充电无功功率，始端的电压将高于末端的电压。电缆线路的对地电容要比架空线路大得多，一般电缆的波阻抗为15-25，是架空线波阻抗的十分之一左右，所以电缆线路的自然功率比架空线路大10倍左右。在超高压交流电缆中，由于电压高和传输距离远，所以电缆的电容电流可能很大，以220kV电缆线路为例，每相每千米为23A，当电缆长度达40km时，每相电容电流可达920A，几乎占用了芯线的全部载流容量。因此

55、为了能正常运行，只有沿线路定距离并联电抗器开加以补偿，才能抑制线路中末端电压的过分升高。如果是海底电缆，这是很难做到的。因此采用直流电缆线路就比较适宜17。2.平波电抗器平波电抗器是换流站的重要设备之一，安装于直流极线出口。电感量通常为0.27-1.5H（针对直流架空线路）或12-200mH（针对直流电缆线路）。平波电抗器分为干式和油浸式两种。直流负荷较大时，采用油浸式平波电抗器。平波电抗器的功能如下18：1.防止轻载时直流电流断续。2.减小直流电流纹波，与直流滤波器一起共同构成换流站直流谐波滤波电路。3.抑制直流故障电流的快速增加。4.防止直流线路或直流开关站产生的陡波冲击波进入阀厅，从而使

56、换流阀承受电压应力过大而损坏。本章小结本章介绍了直流输电系统的构成与主要设备。重点介绍了换流变压器，换流阀，平波电抗器，滤波装置，无功补偿装置，直流输电线路这些设备的用途。直流输电换流原理6脉动整流器工作原理6脉动整流器工作原理接线如图31所示。图32给出了正常工作时，整流器主要各点的电压和电流波形。6脉动整流器是通过6个换流阀的按序通断将交流电变为直流电。图中、为等值交流系统的工频基波正弦相电动势，为每相的等值换相电抗，为平波电抗值。等值交流系统的线电压、为换流阀的换相电压。规定换相电压由负变正的过零点为换流阀触发角计时的零点。V1-V6为组成6脉动换流器的6个脉动换流器的代号。数字1-6为

57、换流阀的导通序号。在理想条件下，认为三相交流系统是对称的，触发脉冲式等距的，换流阀的触发角也是相等的，触发角用来表示。6脉动整流器触发脉冲之间的间距为（电角度）19。图31 6脉动整流器原理接线图假设换相电抗=0，则阀的换相过程是瞬时的，在交流电动势的作用下，换流阀周而复始地按序开通和关断，从而在n和m之间可得依次为1/6周期的、6个正弦曲线段组成的直流电压波形。从而使三相交流电动势、经整流变成每周期有6个脉动的直流电压，因此而称为6脉动整流器。从直流电压的瞬时值取平均值得到，称为6脉动整流器的理想空载直流电压，用式(31)表示19：= (31)式中 ：换流变压器阀侧绕组空载线电压有效值。图3

58、2 6脉动整流器电压和电流波形图交流电动势和直流侧m和n点对中性点的电压波形；直流电压和阀1上的电压波形；触发脉冲的顺序和相位；阀电流波形；交流侧U相电流波形。换流器由可控的晶闸管组成。换流器在交流侧电动势和触发脉冲的作用下，按照晶闸管的开通和关断条件，进行有次序的开通和关断，将交流电变为直流电。触发脉冲（i为1-6的正整数，代表阀的导通顺序）只有在相应的ci(第i个线电压由负变正的过零点)到来之后才能使Vi导通，因ci之后Vi的阳极对阴极才开始为正电压。延迟与ci的电角度，称为Vi的触发角。因此，对于晶闸管换流阀，在到来之前，原导通的阀仍继续导通，并顶替了原导通的阀，从而使6个换流阀的导通时

59、间均向后移动电角度。此时，整流器的理想空载直流电压的平均值可用式(32)表示20：=cos (32)显然，。当=时，=，为最大值；当0,为正值；当=时，=0；当时，时，Vi的阳极对阴极为负电压，Vi不具备导通条件。因此，Vi具有导通条件的范围是，而整流器角可能的工作范围为0，因此实际的换相过程与上述=0的情况不同。当触发脉冲到来时，Vi导通，但由于的存在，Vi中的电流不可能立即上升到。同样的原因，在将要关断的阀中的电流也不可能立即从降到零。它们都必须经历一段时间，才能完成电流的转换过程，这段时间所对应的电角度称为换相角，这一过程称为换相过程。也就是说换相不可能是瞬时完成的。在换相过程中，在同一

60、个半桥中参与换相的两个阀都处于导通状态，从而形成换流变压器阀侧绕组的两相短路。在刚导通的阀中，其电流方向与两相短路电流的方向相同，电流从零上升到，在将要关断的阀中，其电流方向与两相短路电流的方向相反，电流则从降到零，从而完成换相过程。因此，整流器的换相是借助于换流变压器阀侧绕组的两相短路电流实现的。6脉动换流器在非换相期间同时有2个阀导通，在换相期间同时有3个阀导通，从而形成2个阀和3个阀同时导通按序交替的23工况，也称正常运行工况。在23工况下，每个阀在一个周期内的导通时间不是，而是+，用表示，称为阀的导通角21。6脉动整流器在正常运行时的直流电压平均值可用式(33)表示： (33) 式中