电力系统新技术

电网新技术简介焦莉2014.11.9

1、紧凑型输电线路简介2、直流输电（HVDC)技术简介3、柔性输电（FACTS）技术简介4、谐波问题研究

提高线路走廊单位面积的电力输送容量，大幅度提高线路本身输送能力，已成为当前世界上电力发展的重要方向之一。超高压紧凑型输电通过减少相间距离和优化子导线布置等手段来降低线路的波阻抗，增大输电线路的自然功率，同时输电线路的走廊宽度、占地面积均有所减少。

1、国外紧凑型输电发展简况2、我国紧凑型输电发展简况3、我国紧凑型输电线路的特点4、结束语

前苏联从上世纪70年代就开始研究并提出新型紧凑型线路,并提出新的理论根据。目的是最大限度提高线路的输送容量，充分发挥每根导线作用。办法是增加分裂间距和分裂根数、压缩相间距离和优化导线布置。

1984年开始兴建新型紧凑型线路电压:330kV；线路长度:145.2km；相导线:4×AC-154/35自然功率：较常规线路提高67%相导线结构：边导线为侧梯形，中相导线为长方形。分裂导线间距：靠近杆塔和档距中央不等。

前苏联设计的500kV紧凑型线路美国从上个世纪70年代就开始进行紧凑型输电线路的研究工作，目的主要是为了减小线路走廊路权征地费用，线路走廊宽度主要取决于走廊边缘工频电场限值。

对以下内容进行了研究相间无接地构架的紧凑型线路

杆塔上部采用绝缘构架或支柱的紧凑型线路6相和12相输电线路研究462kV12相462kV6相317kV12相317kV6相1978年美国邦维尔电力管理局(BPA)建成500kV单回和双回紧凑型线路。巴西从1980年开始研究紧凑型线路，研究的主要目的是为了大幅度地提高线路输送能力。

先后研究了4种自立式塔

a常规自立式,bIVI紧凑自立式,cIII紧凑自立式,dVU紧凑,eVVV紧凑自立式

先后研究了2种拉线式塔

fIII柔索式,gV型柔索式直线和小转角塔采用IVI自立式(b)，主要尺寸如下图：

1984至1988年，巴西先后建成500kV紧凑型输电线路1100km。自然功率较常规线路提高20%；为使无电干扰和常规线路相同，导线截面增大50%；工频电场线下最大4.5kV/m;离中心35m为.3kV/m。

到2000年巴西已建成500kV单回紧凑型输电线路约2000km

。南非至1999年建成投运400kV单回紧凑型输电线路1250km以上，最长的一条达900km。瑞典在1990年准备用两条420kV线路代替5条220kV老线路，为此对多种塔型进行研究。主要目的是减小线路走廊、减少线路建设费用和减小线路工频磁场。

共研究比较了5种塔型，它们的造价和档距关系如下图。

最后选用T型塔，使工频磁场减小50%

1、国外紧凑型输电发展简况

2、我国紧凑型输电发展简况3、我国紧凑型输电线路的特点4、结束语

500kV紧凑型柔索塔

500kV紧凑型拉V塔

我国紧凑型输电线路研发过程1、仿效前苏联模式倒三角排列(自主创新）最终确定方案中国：湖北公安220kV紧凑型输电线路线段长3.241km90年代初期在湖北公安县建成；华北220kV紧凑型输电线长23.6km

其自然功率较常规线路提高了60%；华北地区昌平至房山单回500kV紧凑型工业试验性线路

最终方案：相导线结构：6分裂，导线为6xLGJ-240/30；分裂间距：37.5cm(外接圆直径75cm)；相导线布置：等边倒三角；相间距：6.7m；自然功率：1340MW。500kV紧凑和常规线路的比较：自然功率：提高34%。线路走廊：减小17.9m。电磁环境：工频电场—高于3kV/m场强区减小33m；

工频磁场—最大工频磁场减小一半，大幅度减小高磁场的范围；无线电干扰和可听噪声-和常规线路相当。

500kV紧凑型塔型和相导线布置500kV昌房紧凑型线路

500kV政平—宜兴同塔双回紧凑型线路

500kV同塔双回紧凑型线路杆塔

500kV政平—宜兴同塔双回紧凑型线路甘肃省电力公司：成县-天水330kV紧凑型线路

330kV常规和紧凑塔型对比a原设计塔型b紧凑型塔型天成330kV紧凑型输电线路与常规线路比较：相导线:倒三角布置，相间距5.2m，相导线4×LGJ-150/25；自然功率：较常规线路提高43.7%；线路走廊：较常规线路减小7.8m；电磁环境：高于3kV/m场强区减小48%，最大工频磁场减小一半，大幅度减小高磁场范围。

330kV天成紧凑型线路

1、国外紧凑型输电发展简况2、我国紧凑型输电发展简况

3、我国紧凑型输电线路的特点4、结束语我国紧凑型输电线路主要特点：1、大幅度地提高了输出能力2、大幅度地减小了线路走廊宽度3、大幅度地改善线下及附近工频电磁环境4、充分利用导线截面

我国紧凑型输电线路主要特点：

采用的紧凑型线路结构：占地面积小，有利于农事活动；导线采用对称布置，有利于制造、施工和维护；减小相间距，增加了自然功率。

1、国外紧凑型输电发展简况2、我国紧凑型输电发展简况3、我国紧凑型输电线路的特点

4、结束语1、紧凑型输电应考虑与可控高压并联电抗器同时采用

2、进一步研究、完善、提高紧凑型输电技术3、开展750kV等高一级电压等级紧凑型输电技术的研究工作

1、紧凑型输电线路简介

2、直流输电（HVDC)技术简介

3、柔性输电（FACTS）技术简介4、谐波问题研究

1、新型输电方式简介

2、直流输电的类型3、直流输电的优点4、直流输电系统的构成

5、高压直流输电的应用

各种新型的输电方式:1、1972年美国学者提出了多相输电的概念2、70年代前苏联学者提出了紧凑型输电的概念3、1995年西安交通大学王锡凡教授提出了分频输电的概念

各种新型的输电方式:4、超导输电是超导技术在电力工业中的一种应用。5、无线输电方式包括微波输电、激光输电和真空管道输电高压直流输电（HVDC）HighVoltageDirectCurrent柔性输电(FACTS)FlexibleACTransmissionSystem直流输电的三个主要优点：1、当输电距离足够长时，直流输电的经济性将优于交流输电。2、直流输电通过对换流器的控制可以快速地（时间为毫秒级）调整直流线路上的功率，从而提高交流系统的稳定性。3、直流输电线路可以联接两个不同步或频率不同的交流系统。

1、新型输电方式简介

2、直流输电的类型

3、直流输电的优点4、直流输电系统的构成

5、高压直流输电的应用

直流输电的类型：1、点对点直流输电系统2、背靠背直流输电系统3、多端直流输电系统单极直流输电系统单极直流输电系统双极直流输电系统背靠背直流系统多端直流系统

1、新型输电方式简介

2、直流输电的类型

3、直流输电的优点

4、直流输电系统的构成

5、高压直流输电的应用

直流输电的优点：1、对于远距离、大容量的输电系统来说，它的投资成本较低。

不同输电距离时的投资比较输送3500MW功率时的投资比较输送10500MW功率时的投资比较直流输电的优点：2、对于跨海的输电工程也就是海底电缆输电来说，有很大的优越性。

世界上目前最长的直流电缆工程瑞典与德国之间跨越Baltic海电缆长250kM直流输电的优点：3、直流输电的损耗较低。

输送1200MW功率时的损耗比较直流输电的优点：4、直流输电可以进行非同步联网；5、直流输电具有可以快速控制功率的特点；6、可以限制短路电流；7、直流输电可以节约输电线路走廊。

输送2000MW功率时线路走廊和杆塔结构比较

1、新型输电方式简介

2、直流输电的类型3、直流输电的优点

4、直流输电系统的构成

5、高压直流输电的应用

直流输电的构成：1、整流换流站2、直流线路3、逆变换流站换流站的主要设备换流站的布置示意图组成换流阀的晶闸管换流器换流变压器无功补偿和滤波器平波电抗器直流滤波器冷却系统

常规直流工程换流站可控硅的额定电流高达3000安，正常运行时，大电流产生高热量，导致可控硅温度会急剧上升，可控硅将被烧坏。阀冷却系统一般采用水冷方式，由两个部分组成，一个是内冷却系统，一个是外冷却系统。内系统是一个密闭的循环系统，它通过冷却介质的流动带走可控硅阀由于消耗功率所产生的热量。从散热效果、防火、防腐蚀等多方面因素考虑，阀冷却系统的冷却介质采用去离子水。因此我们通常把阀冷却系统称作阀水冷系统。外冷水系统共有四台喷淋泵，用于向3台冷却塔提供喷淋水，其中一台作为备用，其他任何一台喷淋泵故障，备用喷淋泵自动投入运行，替代故障喷淋泵。外冷水系统有两个盐池，期中一个作为备用。外冷水系统补水回路动力是由高压泵来提供的，系统有两台高压泵，系统运行时，只需要启动一台高压泵。工业泵位于综合水泵房，它是用于向外冷水提供水源的。

1、新型输电方式简介

2、直流输电的类型3、直流输电的优点4、直流输电系统的构成5、高压直流输电的应用

各电压等级直流经济输送距离和输送容量如下：电压等级（千伏）额定电流（安培）输送容量（万千瓦）经济输送距离（公里）±10004500900大于2500±80040006001400～2500±66030004001000～1400±5003000300小于1000截至到2000年世界上的直流工程单项架空线路的最高电压和最大输送容量为士600kV，3150MW（巴西伊泰普直流工程）。士500kV，输送容量（3000MW）最大的工程在中国有三个。从1987年到2008年我国己投运直流输电工程

2009-2011年直流输电工程

1、紧凑型输电线路简介2、直流输电（HVDC)技术简介

3、柔性输电（FACTS）技术简介

4、谐波问题研究

FACTS的定义：柔性输电技术是利用大功率电力电子元器件构成的装置来控制或调节交流电力系统的运行参数和／或网络参数，从而优化电力系统的运行状态，提高电力系统的输电能力。

1、产生和应用柔性输电技术的背景

2、FACTS的分类3、TCSC技术应用情况简介4、SVC技术应用情况简介5、可控高压并联电抗器简介

1、电力负荷不断增长使现有的输电系统在现有的运行控制技术下已不能满足长距离大容量输送电能的需要。2、大功率电力电子元器件的制造技术日益发展，价格日趋低廉，使得用柔性输电技术来改造已有电力系统在经济上成为可能。

3、计算技术和控制技术方面的快速发展和计算机的广泛应用，为柔性输电技术发挥其对电力系统快速、灵活地进行调整、控制的作用提供了有力的支持；4、电力系统运营机制的市场化使得电力系统的运行方式更加复杂多变。

电力系统输送功率的基本方程

FACTS装置改善电力系统运行行为的作用

1、较大范围的控制潮流使之按制定的路径流动；2、保证输电线的输送功率可以接近热稳定极限又不过负荷；3、在控制的区域内可以传输更多的功率；

FACTS装置改善电力系统运行行为的作用

4、可以限制短路电流防止线路串级跳闸；5、阻尼会损坏电力设备或限制输电容量的各种电力系统振荡。

1、产生和应用柔性输电技术的背景2、FACTS的分类3、TCSC技术应用情况简介4、SVC技术应用情况简介5、可控高压并联电抗器简介

FACTS装置的分类

串联型FACTS装置

并联型FACTS装置

磁阀式可控电抗器

综合型FACTS装置：晶闸管控制的移相器TCPST统一潮流控制器UPFC

1、产生和应用柔性输电技术的背景

2、FACTS的分类

3、TCSC技术应用情况简介4、SVC技术应用情况简介5、可控高压并联电抗器简介

TCSC基本模块原理图

C-(1/L)0，可变容性电抗；C-(1/L)＝0，谐振状态，无穷大容抗；C-(1/L)0，感性微调模式。

电力系统输送功率的基本方程

天广可控串补工程

碧成可控串补工程

1、产生和应用柔性输电技术的背景

2、FACTS的分类3、TCSC技术应用情况简介

4、SVC技术应用情况简介5、可控高压并联电抗器简介

SVC原理示意图

美国新墨西哥州帕不里克赛维思变电站SVC装置

美国Mead-Adelanto2套SVC，1995

巴西500kV,+/-250MVAr

南非SVC:3套在纳塔尔

鞍山红一变100MvarSVC示范工程

1、产生和应用柔性输电技术的背景

2、FACTS的分类3、TCSC技术应用情况简介4、SVC技术应用情况简介

5、可控高压并联电抗器简介

高压并联电抗器特高压并联电抗器中性点接小电抗的原理图

可控高压并联电抗器1-高压绕组，2-控制绕组，3-补偿绕组

磁阀式可控电抗器接线图

晶闸管控制变压器(TCT)的可控电抗器接线图

合适的控制策略对改善电力系统的动态特性极为重要！特高压的高速接地开关日本的高速接地开关

1、紧凑型输电线路简介2、直流输电（HVDC)技术简介3、柔性输电（FACTS）技术简介

4、谐波问题研究

1、陕西电网电能质量实时监测系统简介2、电能质量在线监测系统的应用分析

1、陕西省电网电能质量在线监测系统规划2、电能质量监测技术现状3、电能质量的SCADA系统4、陕西电网电能质量实时监测系统的特点

规划的原则：1、合理规划，节约投资；2、全面监测电网的电能质量信息；3、以中枢变电站、重要变电站、大负荷变电站为主进行监测，主要是330kV变电站的110kV母线和项大型谐波源供电的110kV变电站。本期系统结构最终的系统结构

1、陕西省电网电能质量在线监测系统规划

2、电能质量监测技术现状

3、电能质量的SCADA系统4、陕西电网电能质量实时监测系统的特点80年代初期至今，便携式电能质量测试仪获得了长足的发展，传统的便携式电能质量测试仪的硬件实际上就是一台工业控制机，主要面向对电力系统谐波的测试。便携式电能质量测试仪是在设定一段时间内，每隔一定时间间隔保存一组数据，或者手动一次获取一组数据，数据一般以文本方式保存；保存的数据或者打印后人工分析，或者通过磁盘拷贝后导入计算机进行人工分析，其工作量及过程比较复杂繁琐，且要求分析人员必须相当的专业知识。另外，该类设备由于存在机械转动元件（硬盘及风扇等）而不能长期在线运行，一般只能测试一段时间，这样很难反映电网各种运行方式、或负荷各种运行工况、或负荷水平大小变化时电网的实际谐波水平，即不能反映谐波水平的时间分布效应，更难以发现谐波影响的累计效应。

例如：无功补偿电容器装置有时跳闸、有时运行良好、有时突然损坏（除其他原因外）等等；缺点之三在于该类设备一般不对闪变进行测试，需要另外的闪变仪进行专门测试。

1、陕西省电网电能质量在线监测系统规划

2、电能质量监测技术现状

3、电能质量的SCADA系统

4、陕西电网电能质量实时监测系统的特点建立电能质量SCADA系统的必要性：电力生产过程对电能质量不产生影响，电力传输供应的各个环节也基本不使电能质量指标的下降，几乎所有的电能质量指标下降均由用户产生。例如：电网负荷分配的不均匀、非线性负荷、冲击负荷等。电能质量指标下降对电网安全运行构成严重威胁，例如谐波引起局部电网谐振、负序电流及谐波的负序效应引起发电机负序保护误动，三相不平衡引起地线容性电流过大等等；同时，电能质量指标的下降严重影响电器设备的可靠运行，例如谐波引起电机类设备发热、震动，引起电容器过负荷等等。另外，电能质量的下降也严重影响一些电力用户的正常生产及居民的正常生活，例如电压波动引起照明设备闪变、上海华虹NEC企业（生产硅晶片）每遇一次超标的电压波动其损失在100万美金等等。

电能质量指标的下降严重影响电力企业的经济效益，例如电力事故损失、停产损失、设备损坏损失、谐波在电网流动产生的网损、谐波源负荷造成电力计量误差等等。

电能质量监测系统各主要组成部分的功能要求：1、当地监测单元当地监控单元应具有以下主要检测功能：三相各次谐波电压、电流及其谐波含有率三相电压、电流总谐波畸变率；三相各次谐波的有功、无功功率及其方向；总的有功、无功功率，功率因数；电网频率；电压偏差、合格率统计；短时闪变Pst、长时间闪变Plt；电压不平衡度；负序电压、负序电流；其他电量测试。

2、监测中心监测中心各主要功能模块由服务器层与应用层组成。应具有收、发控制功能；数据处理功能；图形输出功能；报表输出功能

1、陕西省电网电能质量在线监测系统规划2、电能质量监测技术现状3、电能质量的SCADA系统

4、陕西电网电能质量实时监测系统的特点

1、根据面向对象的设计思路，结合参考变电站综合自动化保护单元的结构模式，采用面向对象的一对一单元化结构进行设计。

2、对电能质量采取全天候实时在线监测由于实现了峰谷电价，很多非线性电力用户在夜间工作，生产过程在不同的生产周期对电网的影响也不相同。以往采用的便携式电能质量监测仪，仅可做到短时间的对局部电网局部时段的电能质量进行监测，根本无法获取整个电网电能质量变化的真实水平。

3、采取数据库服务器对测试数据进行管理，并进一步对变化趋势、数量水平、时间分布规律进行分析，从而使我们更充分、全面地了解整个电网的电能质量水平。

4、该系统与电力MIS系统实施无缝连接，所有科室均能在电力MIS网上浏览分析数据，充分做到数据共享。

陕西电能质量实时在线监测系统套系统的运行，为电力系统的设计、生产、调度、运行等工作提供大量的极有价值的参考数据。

1、陕西电网电能质量实时监测系统简介

2、电能质量在线监测系统的应用分析

陕西电网电能质量在线监测系统运行至今，情况基本正常，积累了大量电能质量的宝贵数据。下面就以110KV三桥变为例，介绍陕西电网电能质量实时在线监测系统的应用情况：

110KV三桥变电站：主变两台，容量分别为：50MVA;

110KVI、II段母线，35KVI、II段母线及10KVI段、II段均并列运行;并联补偿电容器二组，容量分别为：50MVAR，串联电抗均为6%。

三桥变电站两组并联补偿电容器2001年1月投入运行，2001年10月因电容器内部故障而跳闸停运，返厂进行大修；2002年5月投入运行，两组电容器分别于2002年9月和2002年11月又因电容器内部故障而跳闸停运，返厂进行大修；

两组电容器分别于2002年10月和2003年1月又投入运行，并于2003年12月和2003年11月再一次因电容器内部故障而跳闸停运，该两组电容器直至2004年4月仍未修好投运。

110kV三桥变并联补偿电容器组故障原因分析：1、电容器的场强较高2、110kV三桥变电站的谐波含量超标

2001年的测试结果表明：110KV三桥变在各种运行方式下，各个电压等级的谐波含量均未超出国家标准的要求。2003年的测试结果表明：110KV三桥变两组并联补偿电容器投入运行，10kV谐波电压总畸变率严重超标，95％概率大值达到9％左右，大大超过4％的国家标准，该站主要是3次谐波电压畸变水平较高，已达8.5％左右。

2003年11月-12月，110kV三桥变电站的两组并联补偿电容器因故障相继退出运行，谐波实时监测数据结果表明，110kV三桥变的10kV谐波电压总畸变率仍然严重超标，95％概率大值达到8.4％左右，也大大超过4％的国家标准，该站仍然主要是3次谐波电压畸变水平较高，达到7％左右。

谐波测量结果还表明：随着负荷性质的变化，电网的谐波含量大大提高。综上所述，可以判定：110kV三桥变10kV母线的谐波电压总畸变率严重超标，谐波电压含有率较高的主要表现为3次谐波，谐波电流含量较大的主要表现为5次谐波。

并联补偿电容器对谐波电流的放大作用：110kV三桥变的两组并联补偿电容器的串联电抗均按6%进行配置，并联补偿电容器的这种配置虽然可以有效的限制电容器投入时的合闸涌流，但不能避免由于电容器组的投入引起3次谐波的放大现象。

谐波实时监测结果也说明该变电站无功补偿电容设备参数配置不合理，存在3次谐波谐振现象，3次谐波严重放大。

110kV三桥变并联补偿电容器组的改造方案方案1：110kV三桥变并联补偿电容器组的串联电抗按4.5%配置方案2：110kV三桥变并联补偿电容器组的串联电抗按12%配置方案3：根据110kV三桥变谐波含量的实际情况，配置谐波滤波器

综合技术经济比较方案1、方案2及方案3，并考虑系统运行2004年“迎峰度夏”的实际需要，推荐目前110kV三桥变并联补偿电容器组的串联电抗采用方案1的配置，即按4.5%进行配置。

串联电抗按4.5%配置后的谐波测量结果2004年6月，110kV三桥变电站的两组并联补偿电容器将串联电抗按4.5%配置修复投入运行后，由谐波实时监测数据知，110kV三桥变的10kV谐波电压总畸变率虽仍严重超标，95％概率大值达为7.6％左右，该站仍然主要是3次谐波电压畸变水平较高，达到7％左右，但3次谐波放大的现象已消除。

结论

1、当电网中的3次谐波电压含有率严重超标时，并联补偿电容器组的串联电抗不应按6%进行配置。2、并联补偿电容器组的串联电抗按4.5%配置时，可以有效地避免对系统3次谐波的放大作用，因而使三次谐波电压的含有率大大降低，同时也降低串抗的造价及其损耗。

三桥变的谐波电流主要表现为五次谐波水平较高，约为20A，虽然并联无功补偿装置对5次谐波呈现较低阻抗，但此时并联无功补偿电容器仅需承受9.5A的谐波电流，远小于电容器约85A的过电流能力。

3、并联补偿电容器组的串联电抗按12%配置时，也可以有效地避免对系统3次谐波的放大作用，但由于串联电抗按12%配置，所以增大了并联无功补偿装置的运行损耗，同时，也提高了并联补偿电容器的额定电压，降低了电容器的有效基波容量，并提高了电抗器的造价。

4、如电网的谐波含量较高，并联无功补偿装置的运行条件较差，要彻底解决并联补偿电容器组长期运行过程中的损坏问题，应按电网谐波含量的实际情况，设计制造谐波滤波器，该装置在基波状态下，提供系统所需的无功功率，起到无功补偿的作用；在谐波状态下，滤除谐波，起滤波器的作用。

勉县变谐波治理方案简介

结论：220kV勉县变10kV侧电容器频繁损害的主要原因是：系统中非线性负荷产生的谐波从110kV侧注入勉县变，引起10kV侧电容器损坏。

考虑：原220kV勉县变无功补偿；新330kV勉县变无功补偿；系统接线情况；110kV负荷转移后引起的谐波变化情况。

应注意的问题是：谐波源是110kV非线性负荷引起；滤波器必须既能抑制变压器低压侧的谐波，同时又不会引起相邻变电站无功补偿设备的谐振。

利用便携式谐波测试仪测得220kV勉县变主变各侧的谐波水平陕西电网电能质量实时在线监测系统测得220kV勉县变的谐波水平

分析研究结果表明：220kV勉县变谐波源主要集中在110kV母线，但是问题却出现在10kV母线。因此解决问题的目标应该为在10kV母线设置兼有滤波作用的无功装置，控制目标选择降低110kV母线谐波电压总畸变水平。

220kV勉县变谐波特征分析

220kV勉县变10kV母线谐振特性220kV勉县变110kV母线谐振特性

1、谐波谐振特性研究结果表明：