直流输电技术1

直流输电技术哈尔滨工业大学电气学院刘瑞叶第1章直流输电的发展及特点1.1直流输电的发展1.1.1、国外的发展概况1882年法国物理学家惠普勒直流发电机:1.5~2kV直流电压,57km线路输送成功将直流发电机串联组成高压直流送电端1912100kV,15MW,190km大容量直流发电机换向困难，串联运行复杂可靠性低——限制了发展19世纪末，交流发电机制造成功，交流发电、输电替代了直流1928年具有栅控能力的汞弧整流阀研制成功交流——转换成直流1954年瑞典大陆－－－哥特兰岛，９０km水下电缆，２０ＭＷ晶闸管（可控硅）20世纪60年代问世１、１９５４年以前－－试验性阶段１）参数较低几十千伏、几兆瓦－－几十兆瓦、几十千米－－一百多千米２）换流装置采用汞弧阀３）发展较慢

这一阶段的代表性工程有：１）德国的爱尔巴－－柏林工程（1945年）其主要参数为：电压±220kV，输送容量6OMW，输送距离115km（电缆），采用汞弧阀。２）瑞典的脱罗里赫坦－－密里路特工程（1945年）其主要参数为：电压±45kV，输送容量６.５MW．架空线路长度５０km，采用汞弧阀。３）原苏联的卡希拉－－莫斯科工程（1950年）其主要参数为：电压±２００kV、输送容量30MＷ、输送距离１１２kｍ（电缆），采用汞弧阀（现已改为晶闸管阀）。

2、1954年至1972年－－发展阶段1)换流装置仍采用汞弧阀，不仅参数有很大的提高，而且质量也有很大的改善,直流输电进入了工业实用阶段2)采用直流输电具有多方面的目的:水下输电不同频率连接远距离，大功率

典型工程：哥特兰岛——第一条商业经营的HVDC（20MW,110kV,96km)单极电缆（比建热电厂，交流电缆经济）伏尔加格勒-顿巴斯（1962-1965）——首例架空直流输电（470km，720MW，±400kV，900A）——加强交流弱联系系统佐久间互联（1965，1993改晶闸管）——首个背靠背交流互联50Hz，60Hz）零距离，300MW，±125kV撒丁岛（意大利1967，1987）——单极大地与海水作为回流方式200MW,撒丁岛架空线-海缆-科西嘉岛架空线-海缆-意大利本土架空线1987年扩建至300MW，在corsica岛建分支换流站——首个三端直流输电

美国的太平洋联络线（1970）——与两条交流500kV,60Hz线路并联其架空线路1372km、±４００kV，1440MW抑制低频振荡,北部水电—南部负荷，86年改晶闸管，+1920MW，89年并接晶闸管阀+1100MW３、1972年到现在－－大力发展阶段1972年，加拿大的伊尔河直流输电工程首次采用晶闸管阀的大型工程（可控硅阀）。BTB2×80kV，320MW，4800个SCR，40个单元模块１）新建设的直流工程几乎全部采用晶闸管２）直流输电工程几乎全是超高压工程３）单回线路的输电能力比前阶段有了很大增加４）发展速度很快，且规模越来越大卡拉哈-巴萨(1978)——首个极间电压超百万伏级1920MW,1360km,±533kV（首个跨国过程）斯奎尔比特（1977）——首次采用12脉动换流器750km，500MW,±250kV（验证了输电比输煤发电经济）北海道-本州——首次采用光触发晶闸管167km(43km电缆），600MW，±125kV伊泰普（1986）

6000MW,2个双极±600kV线路并联运行，每极4个12脉波水冷阀换流器坎顿斯德-康福德（1986）美——加，690MW，双极450kV后扩充三个端口——多端系统，1500km英吉利海峡1986扩建增加两个1000MW,双极270kV，8条电缆多个厂家不同类型换流器，装SVC波罗的海1994——接地极，电缆，有源滤波先进巴斯海峡2005——电缆最长298.3km1.2.2、我国高压直流输电的发展情况１、实验装置建设及换流设备研制中国的直流输电是在1958年考虑长江三峡水利资源的开发以及三峡电站的电力外送问题时提出的。1963年在中国电力科学研究院建成１０００V、５A的直流输电物理模拟装置。20世纪70年代以后，对该套装置进行了技术更新和改造，用晶闸管替换了原来的闸流管并采用了数字式的控制保护系统。1977年在上海将报废的交流电缆改成直流实验线路８０年代，葛－－南大型直流输电工程的技术引进．从瑞士ＢＢＣ公司引进了一套先进的大型直流输电模拟装置90年代，在该套装置上又增加了全数字化的直流输电仿真系统（ＲＴＤＳ），并且与暂态网络分析装置（ＴＮＡ）相连，从而具备了进行更大规模试验研究工作的能力。２、直流输电工程建设20世纪80年代，中国开始建设直流输电工程，到2005年已有８项直流输电工程投入运行。1）舟山直流输电工程１９８０年国家确定全部依靠自己的力量建设中国第一项直流输电工程，它既解决了浙江大陆向舟山本岛的输电问题，又具有向建设大型直流输电工程过渡的工业性试验性质。工程的第一期为单极金属回线方式，-100kV,500A,50MW。第一期工程于1984年开始施工，1987年进行调试并投入试运行，1989年正式投人商业运行。工程的最终规模为双极±100kV,500A,100MW，线路全长54km。2、葛洲坝一南桥直流输电工程（简称葛一南直流工程）1982年开始对葛洲坝水电站向华东送电进行可行性研究，由于直流输电在远距离输电和联网方面的优点，最终选择了直流输电方案。该工程既解决了葛洲坝电站向华东上海地区的送电问题，又实现了华中与华东两大电网的非同期联网，它具有输电和联网的双重性质。葛－－南直流工程为双极±５００kV、１200A、1200MW，输送距离约１０４５ｋm。1985年10月开工，1989年9月极１投入运行，1990年8月全部工程建成，并投人商业运行。原瑞士BBC公司和德国西门子公司提供。(ABB=瑞典ASEA+瑞士BBC）３、天生桥－－广州直流输电工程（简称天一广直流工程）1991年开始进行可行性研究，1997年与德国西门子公司签订了供货合同，2000年12月极１投人运行，2001年工程全部建成。该工程为西电东送工程的一部分。直流工程为双极±500ｋＶ、1800A、1800ＭＷ，西起天生桥水电站附近的马窝换流站，东至广州的北郊换流站。全长约960kｍ。４、嵊泗直流输电工程嵊泗直流输电工程是中国自行设计和建造的双极海底电缆直流工程。主要解决从上海向嵊泗岛及宝钢马迹山码头的送电问题，同时也专虑到嵊泗岛上的风力发电发展到一定规模时也具有向上海反送的功能，工程的主要特点是受端为弱交流系统。工程为双极±50ｋＶ、６００A、６０ＭＷ，共66.2km，其中59.7km为海底电缆。1996年完成各种研究工作，1997年进行设备订货，2002年工程全部建成。除控制保护装装置由许继电气股份有限公司供货外，其余全部设备均由西安电力机械股份有限公司承包。５、三峡－－常州直流输电工程（简称三－－常直流工程）主要为解决三峡水电站向华东电网的送电问题，同时也加强了华中与华东两大电网的非同期联网。工程为双极±500ｋＶ、3000A、3000ＭＷ，全长约860Ｋｍ。工程于2002年12月极1投入运行，2003年5月全部建成。2004以后投入的直流工程三峡－－广东直流输电工程(2004.2-6)工程为双极±500ｋＶ、3000A、3000ＭＷ，全长约960km。ABB贵州－－广东直流输电工程(2004.6)工程为双极±500ｋＶ、3000A、3000ＭＷ，全长约960km。siemens灵宝背靠背直流工程（2005）360MW、120kV、3000A三峡－－上海（2006）3000MW，1040km贵州－－广东第２回直流输电(2007)3000MW。125km1.2直流输电系统的构成1.2.1高压直流输电的分类1)长距离直流输电（海岛，远距离送电）2)背靠背方式直流输电3)交、直流并列输电方式4）交、直流叠加输电（研究阶段、无工程实例）

直流不受功角稳定限制，交流有中间落点5）三极直流输电（换流器组合拓扑，利用已有交流通道）试验阶段1.2.2直流系统的构成1）直流单极输电70年代建设的太平洋联络线——1为回流导体2）直流双极输电

3）直流多回线输电4）多端直流输电并联树枝型并联环网型1.3高压直流输电特点及适用的场合一、输送相同功率时，线路造价低对于架空线路，交流输电通常采用3根导线，而直流只需1根（单极）或2根（双极）导线。直流输电对其线路走廊、铁塔高度、占地面积等方面，也比交流输电优越。对于电缆线路，直流电缆与交流电缆相比，其投资费和运行费都更为经济。二、线路有功损耗小由于直流架空线路仅使用１根或2根导线，所以在导线上的有功损耗较小。同时，由于直流线路没有感抗和容杭，在线路上也就没有无功损耗。三、适宜于海下输电海下输电必须采用电缆。电缆的绝缘在直流电压和交流电压作用下的电位分布、电场强度和击穿强度都不相同，以同样截面积的油浸纸绝缘电缆为例，用于直流时的允许工作电压比在交流下约高3倍。因此，在有色金属和绝缘材料相同的条件下，2根芯线的直流电缆线路输送的功率比3根芯线的交流电缆线路输送的功率P大得多。所以海下输电采用直流电统在投资上比采用交流电缆经济得多。

国际上对架空线路其等价距离约为500-700km，电缆线路约为20-40km四、没有系统的稳定问题——互联性在交流输电系统中，所有连接在电力系统的同步发电机必须保持同步运行。所谓“系统稳定”，就是指在系统受到扰动后所有互联的同步发电机具有保持同步运行的能力。由于交流系统具有电抗，输送的功率有一定的极限，当系统受到某种扰动时，有可能使线路上的输送功率超过它的极限。五、能限制系统的短路电流用交流输电线路连接两个交流系统时，由于系统容量增加，将使短路电流增大，有可能超过原有断路器的遮断容量，这就要求更换大量设备，增加大量的投资。而用直流输电线路连接两个交流系统时，就不存在上述问题，这对于交流系统的互联具有极大的实用价值。六、调节速度快，运行可靠直流输电通过晶闸管换流器能够方便、快速地调节有功功率和实现潮流翻转。——正常运行时保证稳定地输出功率，——事故情况下，可通过正常的交流系统一侧由直流线路对另一侧事故系统进行紧急支援。在交、直流线路并联运行时，当交流系统发生短路，可暂时增大直流输送的功率以减小发电机转子加速，从而提高系统运行的稳定性。单极运行直流输电的缺点一、换流站的设备多、结构复杂价格昂贵二、换流装置要消耗大量的无功功率三、换流装置是一个谐波源，在运行中要产生谐波，影响系统的运行四、换流装置几乎没有过载能力，所以对直流系统的运行不利五、由于目前高压直流断路器还处于研制阶段，所以阻碍了多端直流系统的发展六、以大地作为回路的直流系统，运行时会对沿途的金属构件和管道有腐蚀作用，以海水作为回路时，会对航海导航仪表产生影响。

直流输电的应用根据ＨＶＤＣ的优缺点，直流输电适用于以下场合：1）远距离大功率输电2）海底电缆送电3）不同频率或同频率非周期运行的交流系统之间的联络4）用地下电缆向大城市供电5）交流系统互联或配电网增容时，作为限制短路电流的措施之一6）配合新能源的输电1.4直流输电的最新研究方向世界各国在现有直流输电工程设计、建设和运行经验的基础上，正广泛深入地开展如下的研究工作：l）研究电压更高、容量更大的晶闸管元件，改进换流阀的机、电、热各方面的结构，以进一步降低换流器的造价和提高可靠性。

2）研究采用大规模集成电路元件和微机处理技术，充分发挥直流输电优越的调节性能，以适应各种运行工况的需要。

3）研究交、直流的并列运行和调节，以提高输送功率极限。采用静止无功功率补偿装置，以进一步提高直流联络线的性能。4）研究更大断流容量的高压直流断路器和发展多端直流系统。5）研究高压直流电场以及电晕、无线电干扰对环境的影响。6）研究高次谐波的测量方法和消除谐波的新措施及装置。7）进一步开展直流输电系统的数字仿真及其计算方法的研究。8）进一步开展高压直流系统可靠性计算方法的研究。9）开展高压直流过电压、直流污秽及绝缘配合的研究。换流器件最新发展GTO，IGBT,IGCT实现的换流器不依赖所联交流电网实现自身换向送入交流网的有功无功可控谐波少，减少滤波器的造价可以向弱交流系统输电1.5直流输电新技术1.5.1器件换向直流输电(全控器件）电压源、电流源型换流器，轻型直流输电无需换流变压器、直流滤波器、平波电抗器、无功补偿器，简化了交流滤波器设备少，结构简单低于±150kV，小于200MW有优势传统的——不能向小容量交流系统供电，产生的谐波次数低容量大，换流器吸收无功，换流站投资大——在220kV以上用多端直流互联风电场并网海上钻井平台/孤岛供电电网互联/电力交易太阳能发电并网特大城市供电柔性直流输电典型应用领域阀基控制器机柜换流阀机柜柔性直流输电关键技术研究柔性直流输电系统低压样机原理及实物图我国首条自主知识产权的上海南汇风电场柔性直流示范工程建设正在开展，预计将于2010年底投运。工程的投运将打破ABB在柔性直流输电工程上的独家垄断地位。柔性直流输电示范工程建设示范工程换流站效果图示范工程原理图柔性直流输电示范工程建设柔性直流输电换流阀阀子模块柔性直流输电换流阀模块通过自主知识产权的技术开发，中国电力科学研究院已掌握了柔性直流输电的基础理论、设备研发、工程应用等多方面的关键技术；目前已完成柔性直流输电换流阀等系列关键设备的工程样机研制和部分试验，正在开展相应的工程设备制造和试验平台建设。上海南汇风电场±30kV柔性直流输电接入示范工程预计将于2010年底投运