高压直流输电系统.ppt

高压直流输电系统,The use of HVDC at 800 kV, has been found efficient, environmentally friendly and economically attractive for large point to point power transmissions of the order of 6400 MW and more, with distances of more than 1000 km. Worldwide there is an increasing interest in the application of HVDC at 800 kV.,1、了解直流输电的历史以及直流输电技术在我国的应用； 2、直流输电与交流输电的性能比较； 3、高压直流输电联络线的分类及直流输电的基本原理。,直流输电的发展 1、电力技术的发展是从直流电开始的 2、随着三相交流发电机、感应电动机、变压器的迅速发展，发电和用电领域很快被交流电所取代 3、但是直流还有交流所不能取代之处，如远距离大容量输电，不同频率电网之间的联网、海底电缆和大城市地下电缆等,直流输电的发展与换流技术有密切的关系。 (特别与高电压、大功率换流设备的发展) 第一阶段：汞弧阀换流时期 1901年发明的汞弧整流管只能用于整流。1928年具有栅极控制能力的汞弧阀研制成功，它不但可用于整流，同时也解决了逆变问题。因此大功率汞弧阀使直流输电成为现实。 1954年世界上第一个采用汞弧阀性直流输电工程(哥特兰岛直流工程)在瑞典投入运行，1977年最后一个采用汞弧阀换流的直流输电工程(纳尔逊河I期工程)建成。 世界上共有12项汞弧阀换流的直流工程投入运行，其中最大的输送容量为1600MW(美国太平洋联络线I期工程)，最高输电电压为450kV(纳尔逊河l期工程)，最长输电距离为1362km(太平洋联络线)。 但是汞弧阀制造技术复杂、价格昴贵、逆弧故障率高、可靠性较差、运行维护不便等因素，使直流输电的应用和发展受到限制。,第二阶段：晶闸管阀换流时期 20世纪70年代以后，电力电子技术和微电子技术的迅速发展，高压大功率晶闸管的问世，晶闸管换流阀和计算机控制技术在直流输电工程中的应用，这些进步有效地改善了直流输电的运行性能和可靠性，促进了直流输电技术的发展。 第一个采用晶闸管阀的HVDC系统是加拿大1972年建立的依尔河系统，运行电压80kV、输送容量为320MW背靠背直流输电系统。目前，国外输送容量最大的是1984年巴西建设伊泰普水电站600kV超高压直流输电工程，两回共6300MW，线路全长1590km。 以后建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀，晶闸管阀已成为直流换流站的标准设备。 2010年07月08日正式投运的向家坝至上海800kV特高压直流输电工程，是中国自主研发、设计和建设的，是世界上电压等级最高、额定容量最大6400MW(最大输送能力7000MW) 、送电距离最远1907km、额定电流达到4000A、技术水平最先进的直流输电工程，代表了当今世界高压直流输电技术的最高水平。,晶闸管换流阀的特点: 体积减小、成本降低； 可靠性提高； 晶闸管换流阀没有逆弧故障，而且制造、试验、运行维护和检修都比汞弧阀简单而方便。,Thyristor Valve hall interior,第三阶段 新型半导体换流设备的应用,20世纪90年代以后，IGBT得到广泛应用，1997年世界上 第一个采用IGBT组成电压源换流器的直流输电工程在 瑞典投入运行。 目前，世界上最大的IGBT轻型HVDC是北欧地区的Estlink海底电缆工程，运行电压150kV，传输容量350MW ，电缆全长105km。 L HVDC采用IGBT器件组成换流器，功能强、体积小，可以减少换流站的滤波装置，省去了换流变压器，整个 换流站可以搬迁。此外，采用可关断器件换流器，可以 避免换相失败。 但是IGBT功率小、损耗大，不利于大型直流输电工程采用。最新研制的门极换相晶闸管（IGCT）和大功率碳化硅元件，该元件电压高、通流能力强、损耗低、可靠性高。,何谓轻型高压直流？,轻型高压直流输电技术是近几十年来发展的最为振奋人心的输电技术 HVDC Light 是为采用地下或水下输电而设计的最新的输电系统，也可适合于远距离输电。该技术提供了很多对环境的好处，包括电力线路不可见，中性的电磁场，干式电缆和紧凑型的换流站。 轻型直流提高了电网的可靠性，该技术提高了高压直流输电的经济功率低到几十兆瓦。轻型直流的容量上限可达到1200MW，320 kV。 轻型直流输电系统可以快捷地安装，作为传统的交流输电系统和就地的发电的替代。轻型直流的应用包含以下各种可能： 连接风力发电场和电力网 地下电力输送 为海岛或海上石油或天然气的钻油平台提供电力 连接异步的交流电网 城市中心的供电,我国直流输电的发展 1989年，我国自行研制的舟山直流输电工程(士l00kV，100MW，54km)投入运行；葛洲坝上海(葛上线)是我国的第一个高压直流输电工程（500kV，1200MW， 1064km） 1990年投运。 90年代末，开始建设三广直流工程、三峡常州直流工程和贵广直流工程。三广直流工程于2004年投运；三常直流工程（ 500kV，3000MW， 962km ）于2004年5月投入运行。 云南广东800kV直流输电工程，额定容量5000MW, 2010年实现双极投运。 金沙江一期工程，向家坝、溪洛渡水电站至华中、华东三回800kV直流输电工程也在规划和建设之中。,向家坝至上海800kV特高压直流输电工程： Connection point Xiangjiaba: FuLong substation Connection point Shanghai: FengXian substation Ownership: State Grid Corporation of China Start of project: December 2007 Commissioning year: Pole 1 and bipole: 2010 Transmission technology: UHVDC, Ultra High Voltage Direct Current Transmission capacity: 6 400 MW No. of poles: 2 DC voltage: 800 kV Length of overhead DC line: 2 071 km AC voltage: 525 kV (both ends) The 800 kV voltage is formed by two 400 kV series connected 12-pulse converters. Main reason for choosing HVDC: Long distance, network stability, low losses, environmental concerns For more information, please visit: /hvdc,12 脉波换流桥,800kV复龙换流站,Three Gorges - Guangdong HVDC Transmission Jingzhou areal overview,三广直流工程 惠州换流阀 Valve hall with six double valves for 1,500 MW.,Three Gorges - Shanghai HVDC Transmission DC yard and converter building in Yidu,截至2007年，我国直流输电线路总长度达7085 km，输送容量达1856万kW，线路总长度和输送容量均居世界第一。与此同时，超高压直流输电工程的设计建设、运行管理和设备制造水平也达到国际领先地位。 为优化配置能源资源，我国正在实施发展特高压输电、大核电、大水电、大煤电的“一特三大”战略。 到2020年，我国将建成覆盖华北、华中、华东地区的特高压交流同步电网，建成800 kV向家坝一上海、锦屏一苏南、溪洛渡一株洲、溪洛渡一浙西等特高压直流工程，包括特高压直流换流站约30座，线路约26万km，输送容量达9 440万kW ，成为世界上拥有直流输电工程最多、输送线路最长、容量最大的国家。,高压直流输电运行特性及其与交流输电的比较,技术性 可靠性 经济性,1、 技术性能 高压直流输电系统具有下列运行特性 （1）功率传输特性 交流为了满足稳定问题，常需采用串补、静补、 调相机、开关站等措施，有时甚至不得不提高输电 电压。但是，这将增加很多电气设备，代价昂贵。 直流输电没有相位和功角，不存在稳定问题， 只要电压降，网损等技术指标符合要求，就可达到 传输的目的，无需考虑稳定问题，这是直流输电的 重要特点，也是它的一大优势。,（2）线路故障时的自防护能力 交流线路单相接地后，其消除过程一般约0.40.8秒，加上重合闸时间，约0.61秒恢复。 直流线路单极接地，整流、逆变两侧晶闸管阀立即闭锁，电压降为零，迫使直流电流降到零，故障电弧熄灭不存在电流无法过零的困难，直流线路单极故障的恢复时间一般在0.20.35秒内。,从自身恢复的能力看，交流线路采用单相重合闸，需要满足单相瞬时稳定，才能恢复供电，直流则不存在此限制条件。 若线路上发生的故障在重合（直流为再启动）中重燃，交流线路就三相跳闸了。直流线路则可用延长留待去游离时间及降压来进行第2、第3次再启动，创造线路消除故障、恢复正常运行的条件。对于单片结缘子损坏，交流必然三相切除，直流则可降压运行，且大都能取得成功。 因此，对于占线路故障8090%的单相（或单极）瞬时接地而言，直流比之交流具有响应快、恢复时间短、不受稳定制约、可多次再启动和降压运行来创造消除故障恢复正常运行条件等多方面优点。,（3）过负荷能力 交流输电线路具有较高的持续运行能力，受发热条件限制的允许最大连续电流比正常输电功率大的多，其最大输送容量往往受稳定极限控制。 直流线路也有一定的过负荷能力，受制约的往往是换流站。通常分2小时过负荷能力、10秒钟过负荷能力和固有过负荷能力等。前两者葛上直流工程分别为10%和25%，后者视环境温度而异。 总的来说，就过负荷能力而言，交流有更大的灵活性，直流如果需要更大的过负荷能力，则在设备选型时要预先考虑，此时需要增加投资。,（4）潮流和功率控制 交流输电取决于网络参数、发电机与负荷的运行方式，值班人员需要进行调度，但又难于控制，直流输电则可全自动控制。 直流输电控制系统响应快速、调节精确、操作方便、能实现多目标控制。,（5）短路容量 两个系统以交流互联时，将增加两侧系统的短路容量，有时会造成部分原有断路器不能满足遮断容量要求而需要更换设备。直流互联时，不论在哪里发生故障，在直流线路上增加的电流都是不大的，因此不增加交流系统的断路容量。,（6）电缆 电缆绝缘用于直流的允许工作电压比用于交 流时高两倍，例如35kV的交流电缆容许在 100kV左右直流电压下工作，所以在直流 工作电压与交流工作电压相同的情况下，直 流电缆的造价远低于交流电缆。,Cable laying project,Conductor Aluminum or copper Conductor screen Semi-conductive polymer Insulation Cross linked HVDC polymer Insulation screen Semi-conductive polymer Metallic screen Copper wires Swelling tape Aluminum laminate Outer covering/Sheath Polyethylene,（7）输电线路的功率损耗比较 在直流输电中，直流输电线路沿线电压分布平稳，没有电容电流，在导线截面积相同，输送有用功率相等的条 件下，直流线路功率损耗约为交流线路的2/3。并且不需并联电抗补偿。,（8）调度管理 由于通过直流线路互联的两端交流系统可以又各自的频率，输电功率也可保持恒定（恒功率、恒电流等）。对送端而言，整流站相当于交流系统的一个负荷。对受端而言，逆变站则相当于交流系统的一个电源。互相之间的干扰和影响小，运行管理简单方便，对我国当前发展的跨大区互联、合同售电、合资办电等形成的联合电力系统，尤为适宜。,（9）线路走廊 按同电压500kV考虑 ， 一条500kV直流输电电线路的走廊约40m，一条500kV交流线路走廊约为50m，但是1条同电压的直流线路输送容量约为交流的2倍，直流输电的线路走廊其传输效率约为交流线路的2倍甚至更多一点。,下列因素限制了直流输电的应用范围： （1）直流断路器的费用高； （2）不能用变压器来改变电压等级； （3）换流设备的费用高； （4）由于产生谐波，需要交流和直流滤波器，从而 增加了换流站的费用； （5）控制复杂。 克服以上缺点，依赖技术是： （1）直流换流器的进展； （2）晶闸管的模块化结构和额定值增加； （3）换流器采用12或24脉波运行； （4）采用氧化金属变阻器； （5）换流器控制采用数字和光纤技术。,2、可靠性 整个系统的可靠性从强迫停运率和电能不可用率 两个方面进行衡量。 （1）强迫停运率,（2）电能不可用率,从可靠性和可用率两个指标来看，交、直流两种输电方式是相当的，都是可行的。,3 、经济性 交、直流两种输电方式，就其造价而言，各具特色： （1）输送容量确定后，直流换流站的规模随之确定，其投资也即确定下来，距离的增加，只与线路的造价有关。交流输电则不同，随着输电距离的增加，由于稳定、过电压等要求，需要设备中间开关站。因此，对于交流输电方式，输电距离不单影响线路投资，同时也影响变电部分投资。 （2）就变电和线路两部分看，直流输电换流站投资占比重很大，而交流输电的输电线路投资占主要成分。 （3）直流输电功率损失比交流输电小得多。 （4）当输送功率增大时，直流输电可以采用提高电压、加大导线截面的办法，交流输电则往往只好增加回路数。,结论 直流换流站的造价远高于交流输电，而直流输电线路的 造价则明显低于交流输电线路。同时，直流输电的网损又比 交流小得多。因此，随着输电距离的改变，交、直流两种输 电方式的造价和总费用将相应作增减变化。 在某一输电距离下，两者总费用相等，这一距离称为等 价距离。这是一个重要的工程初估数据。概括地说，超过这 一距离时，采用直流有利；小于这一距离时，采用交流有 利。 对于超高压输电系统，典型架空线路的等价距离大约为700800km。,三、 高压直流输电系统的结构和元件 3.1 高压直流联络线的分类 高压直流联络线大致分以下几类： （1）单极联络线； （2）双极联络线； （3）同极联络线。 单极联络线的基本结构如图1 所示，通常采用一根负的 导线，而由大地或水提供回路。考虑造价，常采用这类系 统，对电缆传输来说尤其如此。这类结构也是建立双 极系统的第一步。当大地电阻率过高，或不允许对地下（水 下）金属结构产生干扰时，可用金属回路代替大地作回路， 形成金属性回路的导体处于低电压。,双极联络线结构如图，有两根导线，一正一负，每端有两个为额定电压的换流站串联在直流侧，两个换流器间的连接点接地。正常时，两极电流相等，无接地电流。两极可独立运行。若因一条线路故障而导致一极隔离，另一极可通过大地运行，能承担一半的额定负荷，或利用换流器及 线路的过载能力，承担更多的负荷。 特点: 1、从雷电性能方面看，一条双极HVDC线路能有效地等同于两回交流传输线路。正常情况下,它对邻近设备的谐波干扰远小于单极联络线。通过控制（不需要机械开关）改变两极的极性来实现潮流反向。 2、 当接地电流不可接受时，或接地电阻高而接地电极不可行时，用第三根导线作为金属性中性点，在一极退出运行或双极运行失去平衡时，此导线充当回路。第三条导线的绝缘要求低，还可作为架空线的屏蔽线。如果它完全绝缘，可作为 一条备用线路。,同极联络线： 导线数不少于两根，所有导线同极性。通常最好为 负极性，因为它由电晕引起的无线电干扰小。系统采 用大地作为回路。当一条线路发生故障时，换流器可 为余下的线路供电，这些导线有一定的过载能力，能 承担比正常情况更大的功率。相反，对双极系统来 说，重新将整个换流器连接到线路的一极上要复杂得 多，通常的不可行的。在考虑连续的地电流的可接受 的情况下，同极联络线有突出的优点。接地电流对位 于系统电极几千米范围的油、气管道有附带的影响。 这些管道充当地电流的导体会引起金属腐蚀。因此， 应用大地作回路的结构并非总是可行的。,背靠背的高压直流系统 用于非同步联接，无直流线路系统。它可以设计成单极 或双极运行，每极带有不同数目的阀组，其数目取决于互联 的目的和要达到的可靠性。 多端和多馈入直流系统 将直流系统联接到交流电网上的节点多于两个，就构成了 多端高压直流系统。如果两个直流系统接到一个共同的交流 系统上，并且两个直流系统