高压直流输电课件

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------