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文档简介
高压直流输电
HVDC
高压直流输电
HVDC
1HVDC的主要元件和基本原理一、主要元件TTTXdTFTQcTLTDLT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1.1HVDC原理图换流站II交流系统II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TTTXdTFT2
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。
HVDC的主要元件其中,整流器(Rectifier)------将交流电转换成直流电的换流器。
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:晶闸管串联AM
晶闸管(串)并联
桥臂特点:均压
均流电压:5.5~9kV电流:1.2~3.5kAR主电路TthyristorTvalve1~2TT晶闸管AM桥臂组成方式:晶闸管串联AM晶闸管(串)5晶闸管(Thyristor)
特点:
单向导电
可控导通KAG
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:
正向电流<0
正向电压<0,且持续一段时间R串联Tthyristor1~2晶闸管(Thyristor)特点:6作用:使HVDC系统建立自己的对地参考点
换流变压器(ConverterTransformer)向换流器提供适当等级的不接地三相电压源设备特点: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:15~20%
噪声大TT作用:换流变压器(ConverterTransforme7作用:减小注入直流系统的谐波
平波电抗器(SmoothingReactor)
减小换相失败的几率R主电路参数:0.27~1.5H(架空线)
12~200mH(电缆线)
限制直流短路电流峰值
防止轻载时直流电流间断TXd作用:平波电抗器(SmoothingReactor)R8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9种类:无源类:电容器
无功补偿设备(ReactivePowerCampensitor)
R主电路有源类:(同步)调相机,SVC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:30~50%Pd(整流器)40~60%Pd(逆变器)种类:无功补偿设备(ReactivePowerCamp10种类:架空线路电缆线路
直流线路(DCLine)
R主电路
交流断路器(Breaker)
使HVDC完全退出运行TLine种类:直流线路(DCLine)R主电路交流断路器(B11
从交流系统Ⅰ向交流系统Ⅱ输电时,换流站Ⅰ把交流系统Ⅰ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Ⅱ,再由换流站Ⅱ将直流功率转换成交流功率,送入交流系统Ⅱ。这个过程称作HVDC。此时换流站Ⅰ为整流站,换流站Ⅱ为逆变站。二、HVDC的基本原理R主电路
从交流系统Ⅰ向交流系统Ⅱ输电时,换流站Ⅰ把12Id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、HVDC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、HVDC的基本原理换流方程二、HVDC的基本原理15
HVDC系统的控制一、直流系统的控制要求具有下列基本功能:1、减小由于交流系统电压的变化而引起的直流电流波动。2、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。3、尽量减小逆变器发生换相失败的概率。4、适当地减小换流器所损耗的无功功率。1.5、正常运行时,直流电压保持在额定值水平,使得当输送给定功率时线路的功率损耗适当。二、基本控制方式整流器采用定电流控制和α限制控制
逆变器采用恒定熄弧角(CEA)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,使得谐波问题的研究变得异常复杂在一些理想化的假设条件下,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,它们统称为特征谐波对于一个换流桥来说,在交流侧产生pn±1(p为脉波数,n为正整数)次特征谐波,而在直流侧产生pn次特征谐波。
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“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,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、很有前途的补偿装置。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
无功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
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
故障换相失败:在换相电压反向(具有足够的去故障20HVDC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:两端直流输电系统,多端直流输电系统
类型:单极类双极类同极类背靠背TSPTSPTSPTSPHVDC输电系统的分类类型:两端直流输电系21
单极类:一线一地制、两线制一线一地制两线制--++Id--++Id单极类:一线一地制、两线制一线一地制两线制--++Id22
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Id-+-+-+-+Id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Id-+-+-+-+Id同极类:两线一地制、三线制三线制Id-+-+-+-+Id24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
两个不同额定频率交流系统的互联举例: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2×80kV,2×160MW背靠背
1965年,日本,sakuma工程:2×125kV,300MW,1200A,50/60HzTBtB图背靠背(Back-to-Back):单极类、双极类、同极类25
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,50/38~62HzG:150MWG/M:90MWSFC:60MWG/MG/MG/MGSFC电力系统10kV10kV-----StaticFrequencyConverter背靠背(B-t-B):G/MG/MG/MGSFC电力系统26
双端HVDC系统典型设计方案:双极双桥如:葛上工程天广工程三常工程灵宝工程贵广工程双端HVDC系统典型设计方案:双极双桥如:27葛上HVDC系统图:209kVIdId-+-+-+-+~500kV500kV500kV198kV葛洲坝~220kV南桥葛上HVDC系统图:209kVIdId-+-+-+-+~5028二、多端HVDC输电系统
(MTDC----Multi-TerminalDC)
由两个以上换流站组成的HVDC输电系统。
分类:<2>(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。<1>(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<1>
(恒电压)并联式MTDC
分类:(1)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------HVDC网络呈环网形状的并联式MTDC<1>(恒电压)并联式MTDC
分类:30(1)辐射状直流网络型MTDC--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)网状直流网络型MTDC--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<2>
(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<2>(恒电流)串联式MTDC系统系统1432(a)系统33晶闸管
-8kV(-9kV)
-2kA
-5inchwafer
晶闸管
-8kV(-9kV)
-2kA
-5inc34晶闸管R
晶闸管R35阀单元阀单元36政平换流站阀塔R
政平换流站阀塔R37均压示意图C1R2R1R2R1C1避雷器L1C2R3R4R
均压示意图C1R2R1R2R1C1避雷器L1C2R3R4R38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R40政平换流站500kV交流开关场R
政平换流站500kV交流开关场R41政平换流站平波电抗器R
政平换流站平波电抗器R42输电线路R
输电线路R43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高压直流输电
HVDC
高压直流输电
HVDC
45HVDC的主要元件和基本原理一、主要元件TTTXdTFTQcTLTDLT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1.1HVDC原理图换流站II交流系统II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TTTXdTFT46
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。
HVDC的主要元件其中,整流器(Rectifier)------将交流电转换成直流电的换流器。
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47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MNV1V3V5V448晶闸管AM
桥臂组成方式:晶闸管串联AM
晶闸管(串)并联
桥臂特点:均压
均流电压:5.5~9kV电流:1.2~3.5kAR主电路TthyristorTvalve1~2TT晶闸管AM桥臂组成方式:晶闸管串联AM晶闸管(串)49晶闸管(Thyristor)
特点:
单向导电
可控导通KAG
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:
正向电流<0
正向电压<0,且持续一段时间R串联Tthyristor1~2晶闸管(Thyristor)特点:50作用:使HVDC系统建立自己的对地参考点
换流变压器(ConverterTransformer)向换流器提供适当等级的不接地三相电压源设备特点: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:15~20%
噪声大TT作用:换流变压器(ConverterTransforme51作用:减小注入直流系统的谐波
平波电抗器(SmoothingReactor)
减小换相失败的几率R主电路参数:0.27~1.5H(架空线)
12~200mH(电缆线)
限制直流短路电流峰值
防止轻载时直流电流间断TXd作用:平波电抗器(SmoothingReactor)R52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53种类:无源类:电容器
无功补偿设备(ReactivePowerCampensitor)
R主电路有源类:(同步)调相机,SVC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:30~50%Pd(整流器)40~60%Pd(逆变器)种类:无功补偿设备(ReactivePowerCamp54种类:架空线路电缆线路
直流线路(DCLine)
R主电路
交流断路器(Breaker)
使HVDC完全退出运行TLine种类:直流线路(DCLine)R主电路交流断路器(B55
从交流系统Ⅰ向交流系统Ⅱ输电时,换流站Ⅰ把交流系统Ⅰ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Ⅱ,再由换流站Ⅱ将直流功率转换成交流功率,送入交流系统Ⅱ。这个过程称作HVDC。此时换流站Ⅰ为整流站,换流站Ⅱ为逆变站。二、HVDC的基本原理R主电路
从交流系统Ⅰ向交流系统Ⅱ输电时,换流站Ⅰ把56Id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57
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、HVDC的基本原理描述整流器工作方式的几个角度:
=触发延迟角58换流方程
整流侧逆变侧二、HVDC的基本原理换流方程二、HVDC的基本原理59
HVDC系统的控制一、直流系统的控制要求具有下列基本功能:1、减小由于交流系统电压的变化而引起的直流电流波动。2、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。3、尽量减小逆变器发生换相失败的概率。4、适当地减小换流器所损耗的无功功率。1.5、正常运行时,直流电压保持在额定值水平,使得当输送给定功率时线路的功率损耗适当。二、基本控制方式整流器采用定电流控制和α限制控制
逆变器采用恒定熄弧角(CEA)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60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在一些理想化的假设条件下,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,它们统称为特征谐波对于一个换流桥来说,在交流侧产生pn±1(p为脉波数,n为正整数)次特征谐波,而在直流侧产生pn次特征谐波。
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61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,将产生额外的谐波,即“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,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、很有前途的补偿装置。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62
短路比与有效短路比
无功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
短路比与有效短路比交直流系统的相互作用63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,整流器才会发生换相失败
故障换相失败:在换相电压反向(具有足够的去故障64HVDC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:两端直流输电系统,多端直流输电系统
类型:单极类双极类同极类背靠背TSPTSPTSPTSPHVDC输电系统的分类类型:两端直流输电系65
单极类:一线一地制、两线制一线一地制两线制--++Id--++Id单极类:一线一地制、两线制一线一地制两线制--++Id66
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Id-+-+-+-+Id双极类:两线一地制、两线制、三线制两线一地制两线制三67
同极类:两线一地制、三线制三线制Id-+-+-+-+Id同极类:两线一地制、三线制三线制Id-+-+-+-+Id68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
两个不同额定频率交流系统的互联举例: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2×80kV,2×160MW背靠背
1965年,日本,sakuma工程:2×125kV,300MW,1200A,50/60HzTBtB图背靠背(Back-to-Back):单极类、双极类、同极类69
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,50/38~62HzG:150MWG/M:90MWSFC:60MWG/MG/MG/MGSFC电力系统10kV10kV-----StaticFrequencyConverter背靠背(B-t-B):G/MG/MG/MGSFC电力系统70
双端HVDC系统典型设计方案:双极双桥如:葛上工程天广工程三常工程灵宝工程贵广工程双端HVDC系统典型设计方案:双极双桥如:71葛上HVDC系统图:209kVIdId-+-+-+-+~500kV500kV500kV198kV葛洲坝~220kV南桥葛上HVDC系统图:209kVIdId-+-+-+-+~5072二、多端HVDC输电系统
(MTDC----Multi-TerminalDC)
由两个以上换流站组成的HVDC输电系统。
分类:<2>(恒电流)串联------
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