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高压直流输电技术 学 院（系）： 电气工程学院 班 级： 1113班 学 生 姓 名： 高玲 学 号： 21113043 大连理工大学Dalian University of Technology 高压直流输电技术 摘 要本文综述了高压直流输电工程的应用领域及研究现状，并从稳态模型出发分析了其控制方式和运行原理，最后介绍了新型高压直流输电系统基本情况，达到了实际的研究意义。关键词：高压直流输电；稳态模型；控制；新型- III -目 录摘 要II1 高压直流输电发展概况11.1 高压直流输电工程的应用现状11.2 高压直流输电的发展趋势11.3 高压直流输电的特点22 高压直流输电系统控制与运行42.1 概述42.2 直流输电系统的控制特性52.2.1 理想控制特性52.2.2 实际控制特性62.3 HVDC系统的基本控制72.4 HVDC系统的附加控制102.4.1 HVDC系统附加控制的原理102.4.2 HVDC系统常见的附加控制103 新型直流高压输电系统123.1 概述123.2 基本结构12参 考 文 献13 高压直流输电技术 1 高压直流输电发展概况1.1 高压直流输电工程的应用现状直流输电起步于20世纪50年代，20世纪80年代随着晶闸管应用技术的成熟、可靠性的提高，直流输电得到大的发展。到目前为止，已建成高压直流输电项目60多项，其中以20世纪80年代为之最，占30项。表1.1列出世界上长距离高压直流输电项目，表1.2列出我国直流工程项目。表2.1 世界上长距离高压直流输电项目项目额定电压/kV额定功率/万kW输电距离/km投运年份安装地点及供货商卡布拉-巴萨53319213601978莫桑比克南非因加-沙巴50011217001981扎伊尔 纳尔逊河二期5002009401985加拿大 I.P.P5001927841986美国伊泰普一期6003157961986巴西伊泰普二期6003157961986巴西太平洋联络线50031013611989美国魁北克多端50022515001986/90/92加拿大-美国亨德-德里5001508141992印度东南联接50020014202002印度表2.2 我国已投运的高压直流工程项目项目额定电压/kV额定功率/万kW输电距离/km单极投运年份双极投运年份葛洲坝-上海500120105219891990天生桥-广州50018096020002001三峡-常州50030089020032003三峡-广州50030095620032004贵州-广东1回50030090020042004三峡右岸-上海50030095020072007贵州-广东2回500300900200720071.2 高压直流输电的发展趋势目前HVDC输电的换流阀仍然是由半控器件晶闸管组成，使用电网换相的相控换流(Phase Control Converter，PCC)技术，因此存在以下一些固有的缺陷： (1)由于触发角和关断角的存在导致HVDC运行需要大量的无功补偿(约为输出直流功率的4060)，需要大量的滤波设备滤除电压、电流中的谐波分量。(2)受端系统较弱时，由于没有足够的短路容量，逆变器容易发生换相失败。(3)由于需要交流系统提供换相电流，不能向无源网络或孤立负荷送电。为克服以上缺点，发展了人工换相技术(或强迫换相技术)。其工作原理是使换流器工作在a、Y很小，甚至为负的情况下，从而减少换流器所吸收的无功。具体的实现方案有串联电容换相换流器(Capacitor Commutated Converter，CCC)、可控串联电容器的换流器(Controlled Series Capacitor Converter，CSCC)等。CCCCSCC的基本思想是用串联电容器来补偿换流器的无功功率消耗。CCC是把电容器放在换流变的阀侧，并采用固定电容器。而CSCC是将电容器放在换流变的一次侧，采用可控串联电容器(TCSC)连续调节电容值或采用双向晶闸管分级调节串入的电容值。从严格意义上来说，CSCC并不是一种新型的换流器，而只是TCSC技术和传统的PCC的结合，是对传统的HVDC输电的改进。与传统的HVDC输电相比，CCCCSCC技术有很多优势。后者可以提高换流器的功率因数，有效降低受端系统故障时逆变器换相失败的可能性，提高HVDC输电运行的稳定性和经济性。但不论是PCC技术还是CCCCSCC技术，由于都是以半控器件为基础，采用触发相位控制，因此只能工作于有源逆变方式。最新发展的基于电压源型换流器(Voltage Source Converter，VSC)的HVDC输电技术采用IGBT等全控器件，电流能够自关断，所以可以工作在无源逆变方式。同时采用了正弦脉宽调制(SPWM)调制技术，通过控制SPWM调制波的给定正弦信号的相位和调制比，可分别控制有功功率大小及方向和无功功率大小及性质。ABB公司率先进行了基于VSC的直流输电实验，并将这一技术称为轻型高压直流(HVDC Light)输电技术。1.3 高压直流输电的特点高压直流输电系统具有下列运行特性【1】(1)直流输电技术特别适合于大功率、远距离输电。当输电距离超过600900km这个等价距离后，采用直流输电比采用交流输电要经济得多。我国的西电东送工程，其输电距离超过1000km，输送容量达1亿kW，采用直流输电是最经济且合理的方案。(2)输送相同功率时，线路造价低。(3)线路有功损耗小。由于直流线路没有感抗和容抗，在线路上也就没有无功损耗。(4)直流线路的短路电流较小，直流联网后，短路容量基本没有增大，不会对被联流系统的短路电流水平产生影响，所以直流输电可以限制系统的短路电流。(5)线路在稳态运行时没有电容电流，沿线电压分布比较平稳；线路部分不需要无功补偿。(6)调节速度快，运行可靠。直流输电通过晶闸管阀换流器能够快速、方便的调节直流线路电流和功率，从而可实现各种调节和控制，不仅可以保证正常运行时稳定地输出功率，也可以在事故情况下，提高系统运行的可靠性。直流输电与交流输电相比较，也有如下的缺点：(1)换流站的设备比较昂贵。换流桥本身的高压、大电流的晶闸管元件比较昂贵。另外，换流器在运行中需要消耗较多的无功功率，其数值约为输送直流功060，这就需要大量的无功功率补偿及滤波设备，这些设备比较昂贵。(2)换流装置需要消耗大量的无功功率，并且几乎没有过载能力，对直流系统的运行不利。(3)传统的直流输电需要交流电网提供给换相电流，这个电流实际上是相间短路电流，因此要保证换相的可靠，受端交流系统必须具有足够的容量，即必须有足够的短路比(Short Circuit Ratio，SCR)，当受端系统比较弱时，系统运行可能会出现一系列的问题。2 高压直流输电系统控制与运行2.1 概述直流输电系统可以由如图2.1所示的等值电路来表示【2】。图2.1 直流输电系统等值电路图图中Vdr和Vdi分别为整流侧和逆变侧的直流电压；Idr和Idi分别为整流侧和逆变侧的直流电流；Vdor和Vdoi分别为整流侧和逆变侧的理想空载直流电压：Rcr和Rci分别为整流侧和逆变侧的等效换相电阻，如，Xcr和Xci分别为整流器和逆变器的换流电抗；Ldr和Ldi分别为整流侧和逆变侧平波电抗器的电感值；Ld和Rd分别为二分之一的直流线路电感值和电阻值：Cdc为直流输电线路总的对地电容值，Vc为电容上的电压值：整流器的触发滞后角为逆变侧的触发越前角。其中理想空载直流电压与交流电压之间的关系为： (2.1) (2.2)式中，B串联换流桥的数目，T为变压器的变比。当直流系统处于稳态运行时，忽略直流输电线路的对地充电电容，可以求得稳态的直流电流为： (2.3)从式(2.3)可以看出，对于高压直流输电系统，通过控制整流器和逆变器的触发角和来控制任一点的直流电压以及线路电流(或功率)。这是通过控制阀的触发角或者通过切换换流变压器的抽头以控制交流电压完成的。栅/门极控制的速度很快，一般为lmsl0ms，并且可以连续实现。而变压器分接头切换速度较慢，每极切换为5s6s，并且只能极调。实际中一般以相互补充的方式应用这两种控制。即开始时应用栅/门极控制以保证迅速的控制效果，之后由换流变压器的分接头切换将换流器控制角(整流器的角和逆变器的角)恢复到正常范围。为了确保触发前换流阀上有足够的电压，整流器有一个最小盯角限制，大约为5。整流器正常运行时的口角的范围为15到20。对逆变器来说，必须维持一个确定的最小熄弧角，以避免换相失败，确保换相完成且带有足够的裕度。一般对50Hz系统y角值的裕度为15。对60Hz系统则为18”。2.2 直流输电系统的控制特性2.2.1 理想控制特性 在正常运行状态下，广泛采用的一种控制方式是整流侧定电流控制(CC)、逆变侧定熄弧角控制(CEA)。用稳惫电压一电流(V-I)特性可以解释直流输电系统的理性控制特性，如图2.2所示。图中，整流器和逆变器的特性都从整流器上测量，Vd是在整流器上测量的值，从而逆变器特性包括了线路上的电压降。 (24) 当整流器为定电流控制(CC)时，它的妁，如特性是一条垂直线，如图2.2中AB线所示。如果换相电阻Rci略大于线路电阻RL，逆变器的特性直线斜率为负且较小，如图2.2中CD线所示。由于在一种运行条件下必须同时满足整流器和逆变器的特性，因此它由两条特性的交点E确定。图2.2 理想换流器控制稳态伏安特性通过调节“电流指令”或“电流整定值”可以使整流器特性水平移动。如果测量电流小于电流指令，调节器就会减小角而提前触发。通过逆变侧变压器抽头切换装置的作用，它的特性会升高或降低。当抽头切换装置动作时，CEA调节器迅速将恢复到期望值，其结果是直流电流改变。但很快又会被整流器的电流调节器恢复到期望值。通过整流器抽头切换装置动作，可以将角控制在10到20的期望范围内以确保高功率因数和控制的适当裕度。2.2.2 实际控制特性整流器通过改变口角来维持恒定电流。但角不能小于它的最小值(min)，一旦达到min)，整流器将运行于恒定触发角(CIA)方式。所以，实际上整流器的特性曲线由两部分构成(AB和FA)，如图2.3所示。FA部分对应于最小触发角(CIA)控制方式：AB部分表示正常的定电流(CC)控制方式。在正常电压下的整流器特性由FAB确定，当电压降低时，特性曲线亦向下移，如FAB。在正常电压下，逆变器的恒熄弧角(CEA)特性曲线与整流器的控制特性曲线相交于E点。但逆变器的CEA特性CD不会与由FAB表示的在电压降低情况下的整流器特性曲线相交。为了避免这种情况，逆变器亦配置一个定电流控制器，其电流整定值比整流器的电流整定值小。如图2.3所示，完整的逆变器特性曲线由DGH给出。它包括：定熄弧角控制(CEA)特性曲线CD和定电流控制(CC)特性曲线GH两部分。图2.3 实际的换流器控制稳态伏安特性在正常运行条件下(由交点E示)，整流器控制直流电流，逆变器控制直流电压。整流器电压降低时，运行条件用交点E表示。逆变器转而进行电流控制而整流器建立电压。在这种运行方式下。整流器和逆变器的作用互换，从一种方式变化到另一种方式成为“方式切换”。2.3 HVDC系统的基本控制直流输电系统的基本控制的作用是确保直流系统按照指定的功率安全运行，一般是以递阶结构来实现的【2】，以双极十二脉波直流系统为例，其结构如图2.4所示。控制方案被分为四层：换流桥或换流器单元控制，极控制，主控制和整体系统控制。现把各个控制部分作简单介绍。换流桥或换流器单元控制确定一个换流桥内阀的触发时刻，并确定min和min极限，它在控制分层中有最快的响应。图2.4 直流输电系统结构图桥控制层的核心环节是触发脉冲相位控制装置。它接收极控制传递来的触发延迟角信号，将其转换为十二个触发脉冲(针对十二脉波换流器)，并加到可控硅控制极，从而实现整流或逆变过程。极控制协调一个极内换流桥的控制。从电流整定值到触发角整定值的转换、分接头控制和一定的保护序列是由极控制来处理的。主控制确定电流指令，并提供协调的电流指令给所有的极。通过提供极控制和整体系统控制之间的界面，它阐述了控制HVDC系统更广泛的要求，这包括由控制中心和交流系统稳定所需要的功率潮流安排。为了使HVDC系统可靠运行，每个极应尽可能独立地工作，控制和保护性能应被隔离，并尽可能在最低的分层等级上实现；HVDC系统需要在端与端之间进行通信。在功率水平迅速变化的情况下，需要快速通信以维持两端之间协调的电流整定值。功率传输方向的变化需要通信将电流裕度整定值从一端传到另一端，换流端的起动和停止需要两端运行的协调。HVDC系统基本上采用恒定电流控制：限制过电流，并使因故障引起的损害最小；防止系统因交流电压的波动而停运。整流器采用电流控制和角限制控制，最小参考角整定在5左右，保证触发时阀上有足够的正电压，从而保证换相成功。在电流控制方式下个闭环调节器控制触发角，从而控制了直流电压，以保证直流电流等于电流指令。换流变压器的抽头切换装置控制保持的范围为10到20。用时间延迟来防止暂时偏移期间抽头的不必要动作。逆变器采用恒定熄弧角(CEA)控制和电流控制。在CEA控制方式下，调节到15左右。尽管CEA控制是标准控制，仍可作一些包括电压控制和制的调整。抽头切换装置控制用于将y值调节到接近期望的范围，即15到20。正常运行条件下，整流器为定电流控制方式，逆变器运行在CEA控制方如果整流端的交流电压下降，整流器触发角也会减小，直到达到min限制时，整流器切换为min控制，逆变器设为电流限制。实际上换流器还有多种控制特性，如：最大电流限制、最小电流限制依赖于电压的电流指令限制(VDCOL)、功率控制、变压器抽头控制、电流差控制等。图2.5 直流系统基本控制特性为保证良好运行和设备安全，确定电流指令时应考虑几个限制： 最大电流限制。为避免换流阀受到过热损害，一般短时间最大电流限定在正常满负荷电流的1.2到1.3倍。 最小电流限制。当电流值较低时，电流的波动会引起它的不连续或间断。一方面会在变压器绕组和直流电抗器上感应出高电压。另一方面，当直流电流处于低值时，可能引起每个阀桥两端之间设置的保护问隙发生闪络。 依赖于电压的电流指令限制(VDCOL)。作用是在直流电压下降到一定程度时相应降低直流电流指令。包括VDCOL的整流器和逆变器静态V-I特性如图2.5所示。逆变器特性曲线和整流器VDCOL相匹配以维持电流裕度。一般的措施是通过依赖于电压的电流限制暂时降低电流指令。当电压下降时，要求快速的VDCOL动作：直流电压恢复时采用较大的时间延迟。2.4 HVDC系统的附加控制2.4.1 HVDC系统附加控制的原理在高压直流输电系统中，基本的控制量是整流器控制的直流电流和逆变器维持的直流电压。这种控制方式下的直流联络线缓冲了一个受扰动的交流系统对另一个交流系统的影响。但它也阻碍了有利于维持交流系统稳定的同步功率的传输。实际上，从交流系统看来，直流换流器是一个对频率不敏感的负荷。这可能产生使系统摇摆的负阻尼。在系统摇摆期间，直流联络线甚至可能吸收过多的无功功率，而导致电压崩溃。因此常常需要附加控制来拓展直流联络线的控制能力，以提高交流系统的动态性能。采用直流输电系统附加控制的主要原因如下： 增加对交流系统机电振荡的阻尼； 提高暂态稳定性； 抑制交流系统的次同步振荡； 隔离系统之间的干扰； 孤立小系统的频率控制； 无功功率调节和电压支持。这些控制方式针对各个系统的不同而异，至今还没有发展出适合于所有系统的通用控制方案。附加控制采用取自交流系统的信号来调节直流量。这些信号可能是频率，电压的幅值，和相位以及潮流。具体的选择取决于系统的特性和期望的结果。2.4.2 HVDC系统常见的附加控制 直流附加控制也称为直流调制，目前主要有功率调制(Power Modularion)、逆变器熄弧角调制( Modulation)或熄弧角联合调制(Combined Power andy Modulation)。功率调制目的是为了对交流系统功率振荡提供阻尼，以增强系统的暂态稳定性。 直流小方式调制控制小方式调制的目的主要是阻尼一种或多种模态的振荡，控制信号一般加于直流基本控制的电流指令环节，由于调制功率幅值不太的缘故，小方式调制无需两端换流站之间的通信。 直流大方式调制控制大方式调制控旨在扩展系统暂态稳定极限，从而保障系统在大扰动下的安全。控制作用点通常取为直流基本控制的功率直流环节，它利用直流系统良好的短时过负荷能力，补偿因切负荷、发电机和交流传输线等而损失的功率。因此，工程中常常将大方式功率调制控制作为系统紧急控制的手段之一，利用直流系统对控制的迅速响应特性来平息因发电与负荷不平衡而造成的频率波动。相对于小方式调制控制，大方式调制对直流功率改变幅度较大，作用时需要与对端换流站通信。有的大方式调制控制信号取为两端交流系统的频率偏差，这样的控制器也可被称为频率调制控制器，因为由它的控制作可以提高两侧交流系统的频率稳定性。