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电力系统研究性教学报告高压直流输电（HVDC）组员： 冷凝 09291174 电气0906 胡馨 09292036 电气0910 庄杰靖 09292061 电气0910指导教师：夏明超摘要：随着电力系统的不断扩大，电力技术的不断进步和输电方式的改进，直流输电技术日益成熟。本文就高压直流输电的原理进行了简要介绍，并详细阐述了高压直流输电系统的运行方式，以及对高压直流输电这一技术的发展前景做了简单的叙述，其中一些还未解决的相关技术问题有待在今后的研究中做出进一步的探讨。关键词：高压直流输电；运行方式；单极；双极1 高压直流输电概论1.1 背景与技术 发电厂产生的电是交流电（AC）；大多数输电线路，无论是高压、中压还是低压配电网，传输的都是以每秒50或60个周期进行振荡的交流电；而最终到达用户端，即家庭、工厂和办公室的也是交流电。 直流电不产生振荡，因此直流输电的电能损失较少。在直流输电系统中，交流电在换流站被转换为直流电，然后通过架空线缆传输至接收点。在接收点，另一个换流站将直流电转换为交流电并接入交流电网。 1.2 什么是高压直流输电高压直流输电（HVDC），是利用稳定的直流电具有无感抗，容抗也不起作用，无同步问题等优点而采用的大功率远距离直流输电。在一个高压直流输电系统中，电能从三相交流电网的一点导出,在换流站转换成直流，通过架空线或电缆传送到接受点；直流在另一侧换流站转化成交流后，再进入接收方的交流电网。直流输电的额定功率通常大于100兆瓦，许多在1000-3000兆瓦之间。 1.3 高压直流输电的优缺点 在现代直流输电系统中，只有输电环节是直流电，发电系统和用电系统仍然是交流电。 高压直流输电与交流输电相比，具有诸多优点： （1）高压直流输电具有明显的经济性。输送相同功率时，直流输电线路所用线材仅为交流输电的1/22/3。 （2）在电缆输电线路中，高压直流输电线路不产生电容电流，而交流输电线路存在电容电流，引起损耗。 （3）采用直流输电时，线路两端交流系统不需同步运行，而交流输电必须同步运行。采用直流输电线路将两个交流系统互连时，其两端的交流电网可以按各自的频率和相位运行，不需进行同步调整。 （4）高压直流输电控制方便、速度快，发生故障的损失比交流输电的小。直流输电线路向发生短路的交流系统输送的短路电流不大，故障侧交流系统的短路电流与没有互连时几乎一样，不必更换两侧原有开关及载流设备。 （5）在高压直流输电工程中，各极是独立调节和工作的，彼此没有影响。当一极发生故障时，只需停运故障极，另一极仍可输送至少50%的电能。 高压直流输电也有其缺点： （1）直流换流站比交流变电站的设备多、结构复杂、造价高、损耗大、运行费用高。 （2）谐波较大。 （3）直流输电工程在单极大地回路方式下运行时，入地电流会对附近的地下金属体造成一定腐蚀，窜入交流变压器的直流电流会使变压器噪声增加。 （4）若要实现多端输电，技术比较复杂。 由上可见，高压直流输电具有线路输电能力强、损耗小、两侧交流系统不需同步运行、发生故障时对电网造成的损失小等优点，特别适合用于长距离点对点大功率输电。而采用交流输电系统便于向多端输电。交流与直流输电配合，将是现代电力传输系统的发展趋势。2 高压直流输电原理2.1 高压直流输电的主要元件 首先给出高压直流输电的原理图，如下： 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，包括整流器（Rectifier）和逆变器（Inverter）。 换流变压器(Converter Transformer)：向换流器提供适当等级的不接地三相电压源设备。其作用是使HVDC系统建立自己的对地参考点，减小注入系统的谐波。其接线方式有Y0/Y、 Y0/、Y0/Y/，短路电抗大为1520%，但是噪声大。 平波电抗器（Smoothing Reactor）：减小注入直流系统的谐波，减小换相失败的几率，防止轻载时直流电流间断，限制直流短路电流峰值。滤波器（Filter）：减小注入交、直流系统谐波的设备。无功补偿设备（Reactive Power Campensitor）：作用是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。交流断路器（Breaker）：使HVDC完全退出运行。2.2 高压直流输电的基本原理 从交流系统向交流系统输电时，换流站把交流系统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，再由换流站将直流功率转换成交流功率，送入交流系统 。这个过程称作HVDC。 此时换流站为整流站，换流站为逆变站。3 高压直流输电系统运行方式 高压直流输电具体的构成，可依据换流站的数目是两个、三个或者更多，分为双端直流与多端直流。目前的直流输电工程多位双端直流，只有为数不多的三端直流输电工程投入运行。因技术原因，多端直流输电系统暂时还没有被广泛应用，这里主要讨论两端直流输电系统的类型。3.1 单极系统方式 单极系统就是：只有一极导线，或者两极导线中只有一极导线上有电流在输送电能。单极系统可以采用正极性或者负极性，换流站出线端对地为正则为正极，为负则为负极。通常采用负极，因为电磁干扰和可听噪声因素。单极系统因其回线方式不同有三种类型：大地回线方式、金属回线方式、双导线并联大地回线方式。 单极系统常用作故障切换运行方式。3.1.1单极大地回线方式 单极大地回线方式原理接线图如下，其中1为换流变压器、2为换流器、3为平波电抗器、4为直流输电线路、5为接地极系统、6为交流系统： 在单极大地回线方式中，利用一根或两根导线和大地构成直流侧的单极回路。在该运行方式中，两端换流站均需接地，大地作为一根导线，通过接地极入地的电流即为直流输电工程的运行电流。这种方式的极线可采用架空线或线缆，回流方式则利用大地或海水，可大量降低输电线路的造价。但这种方式对接地极的材料、设置方式有较高要求，且回流会对地下铺设物、通信线路等造成影响和危害。到目前为止，工程上还没有大地回流的实例，海水回流则在穿越海峡送电的工程中获得应用。3.1.2单极金属回线方式单极金属回线方式原理接线图如下，其中1为换流变压器、2为换流器、3为平波电抗器、4为直流输电线路、5为接地极系统、6为交流系统： 在单极金属回线方式中，利用两根导线构成直流侧的单极回路，直流线路中的一根导线用作正或负极导线，另一根用作金属返回线。在此运行方式中，地中无电流通过。这种方式避免了上述大地或海水回流存在的问题，然而这种单极换流器采用两回导体显然在经济上是不合理的。但直流输电工程可分阶段投资和建设，它作为建设中的一个阶段运行还是有工程实例的，我国西南水域电力外送的特高压直流工程就是采用这种方式。3.1.2单极双导线并联大地回线方式单极双导线并联大地回线方式原理接线图如下，其中1为换流变压器、2为换流器、3为平波电抗器、4为直流输电线路、5为接地极系统、6为交流系统：3.2 双极系统方式 双极系统就是：采用两根导线，一正一负，每一端有两个额定电压的换流器串联在直流侧，正常运行时，两极电流相等，无接地电流，两极可独立运行。双极系统因中性点的接地方式不同也有三种类型：两端中性点接地方式、一端中性点接地方式、金属中线方式。双极系统是常用的接线方式。3.2.1双极两端中性点接地方式双极两端中性点接地方式原理接线图如下，其中1为换流变压器、2为换流器、3为平波电抗器、4为直流输电线路、5为接地极系统、6为交流系统： 整流与逆变侧中性点均通过接地极接入大地或大海中，类似于两个单极大地回线方式对称运行。两回流电流大小一致、方向相反。由于实际电流很小，当一极故障退出运行时，另一极仍可以大地或海水为回流方式，输送50%的电力，因此，大大提高了直流输电的可靠性和利用率。目前建设和运行的工程多位这种方式。由于变压器参数、出发控制的角度等不完全对称，会在中性线中有一定的电流流通，这对附近中性点接地的变压器、低下铺设设备、通信等的影响，值得关注和进一步的研究。3.2.2双极一端中性点接地方式双极一端中性点接地方式原理接线图如下，其中1为换流变压器、2为换流器、3为平波电抗器、4为直流输电线路、5为接地极系统、6为交流系统： 这种方式只将整流或者逆变的某一端中性点接地，它可以有效地避免上述及的由于不平衡造成的接地极电流大大减少单极故障时的接地极电流的电磁干扰作用。当然，这种方式在单极故障退出运行时，整个系统就必须停运，降低了直流的可靠性和可用率。 3.2.3双极金属中线方式双极金属中线方式原理接线图如下，其中1为换流变压器、2为换流器、3为平波电抗器、4为直流输电线路、5为接地极系统、6为交流系统： 这种方式是在两端换流站的中性点通过中性线相接的同时也接地，这样在单极故障时，大地或海水中流过部分电流，从而降低中性线的设计容量。而在双极性正常运行方式时，较小的不平衡电流通过中性线流通，减少中性点电流的电磁干扰。3.3背靠背系统方式 背靠背系统无中间的输电线路，常用作实现两个不同额定频率交流系统的联网。其原理接线图如下，其中1为换流变压器、2为换流器、3为平波电抗器、4为两端交流系统： 这种方式可以看作是两组换流器通过平波电抗器反并联而成，因此成为背靠背（BTB）方式。两侧的换流器设置在同一场所，没有直流输电线路，具有快速潮流翻转功能，可十分方便地用于所连交流系统的功率以及频率控制。4 高压直流输电的发展4.1发展中存在的问题 自1954 年瑞典哥特兰的世界上第一项高压直流输电工程投运以来,高压直流输电技术已随着电力电子技术的突飞猛进而飞速发展,它在长距离输电、电网互联等方面有独特优点,已作为高压交流输电技术的有力补充而在全世界广泛应用,目前其工程约90个。 但目前高压直流输电还存在一些问题： （1）换流器较贵；换流器在运行中需要较多的无功功率，并要装设滤波装置；换流器过载的能力较小。 （2）目前尚无适用的直流高压断路器，对发展多端电网有一定影响。 （3）以大地作为回流电路时，会引起沿途金属构件和管线的腐蚀。 除了以上几点，现下有最重要的两个技术性问题需要解决： 一是线路电晕环境：直流输电不同于交流输电。因为交流输电波形呈正弦变化，在一个周期内将产生正负两个极性，故高压输电线导致空气电离后，各种粒子将围绕输电线路做往返运动一般不会影响到地面。而直流输电则不同冈其只有一个极性，故粒子将会在持续的作用力下被推至地面及线路周同的空间中去，产生一定电磁作川或干扰这是在直流输电尤其是电压等级很高的特高压直流输电中非常重要的问题。 二是直流偏磁问题：换流站，尤其是其中的换流变压器，处于交流系统与直流系统变换的核心地位两个系统不同的运行特点会使得有些直流输电系统在换流变压器中引入直流电流分最，这是变压器的一种非正常运行状态，被称为直流偏磁。直流偏磁具有一定的危害：在励磁电流中产生大量谐波；变压器的无功消耗将增加，影响系统正常运行；漏磁增加，引起金属结构件和油箱过热，加速绝缘老化及变压器油的分解，损坏变压器或降低使用寿命。4.2发展趋势4.2.1传统CCC的发展近年来，随着连续可调交流滤波器（Continuously Tunable AC Filter)、有源交流滤波器（Active AC Filter)等技术的发展，晶阀管控制串联电容器（Thyristor Controlled Series Capacitor,TCSC)技术的成熟，传统的串联电容器换流器CCC（Capacitor Commutated Converter)重新成为一个研究、开发热点，并发展了一种新的换流器CSCC（Controlled Series Capacitor Converter)。这种换流器的基本思想是在换流变压器的二次侧串联连接的电容器来补偿换流器的无功功率消耗。 4.2.2基于电压源换流器的新型高压直流（VSC-HVDC）输电系统传统直流输电以半控型功率器件为基础，电流不能自关断，CCC/CSCC采用附加接线实现强迫关断，是对传统直流输电的改进。但是CCC/CSCC和传统的直流输电一样，仍然采用触发相位控制，只能工作于有源逆变方式，与电网换相换流器有本质的区别，被认为是未来直流输电中电网换相换流器的理想替代者。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。该项技术已经被美国和澳大利亚电网公司应用于电网互联。4.2.3高压交流（HVAC）到HVDC线路的转换在世界的许多国家，要获得批准建设一条新的架空输电线路变得越来越困难，电网的运营商必须不断提高现有输电线路的输送能力。将现有的交流输电线路转变成直流输电线路将为电网提供一条新的发展途径。同样的输电线路可以提高31%175%的输电能力。4.2.4电网互联技术 针对欧洲同步电网（UCTE）面临潜在扩大的压力，以及随着我国和印度的负荷需求的不断增大，这些地区装机，输电的容量均需要进一步提高。众所周知，电网互联能够带来巨大的技术和经济上的效益，但由于同步互联电网固有的局限性，同步时直流输电技术也会对系统稳定和电压崩溃的抑制效果等方面产生不良影响，如可能造成雪崩式大面积停电，这些观点的论述则导致减少同步电网的规模。然而，对于交直流的混合系统，并不存在对电网规模的限制，专家推荐采用HVDC技术解决远距离、大功率输电问题，同时采用FACTS技术控制交流系统的潮流和电压。4.2.5我国的发展 我国幅员辽阔,西电东送、南北互供的电网发展战略使高压直流输电技术大有用武之地,预计将出现一系列高压直流输电工程。我国已探明的煤炭储量82 %集中在西部地区,可开发的水电资源67.5 %集中在西南地区,而到2020 年的电力消费75 %将集中在中、东部和南部沿海地区。这种一次能源分布与负荷中心的不平衡,决定了我国资源优化配置的基本选择是长距离西电东送。 未来15年我国电力发展的计划是：大力开发西部水、火