HVDC复习题(修改版)

1 根据图 1 简述直流输电的基本原理 P10 从交流电力系统 I 向系统 II 输电时 换流站 CS1 将送端系统 I 的交流电变换成直流电 通过直流线路将功率输送到换流站 CS2 再由 CS2 把直流电变换成三相交流电 通常 把交流变换成直流称为整流 而将直流变换成交流称为逆变 CS1 也称为整流站 而 CS2 又称为逆变站 2 两端直流系统的接线方式有哪些 P11 单极线路方式 单极一线制 单极两线制 双极线路方式 双极两线中性点两端接地 双极中性点单端接地 双极中性线 双极并 联 背靠背方式 3 双极两端中性点接地的直流工程 当一极停运后 可选择哪些接线方式运行 单极大地回线方式 单极金属回线方式 单极双导线并联大地回线方式 4 简介 背靠背 换流方式 P13 将整流站和逆变站建在一起的直流系统为 背靠背 换流站 该方式没有直流输电线路 可以选用较低的额定电压 适合于不同频率或者相同额定频率非同步运行的两个交流系 统之间的互联 其主要用途是系统的增容时限制短路容量 以避免大量电气设备的更换 5 什么叫轻型直流输电 基于电压源换流器的直流输电技术称为轻型直流输电技术 轻型高压直流输电是正在发展的一项全新的输电技术 尤其适用于小型的发电和输电应 用 它将高压直流输电的经济应用功率范围降低到几十兆瓦 该系统由放在两个或两个 以上的输电终端上的终端换流站及它们之间的联接组成 虽然传统的直流架空线可以作 为联接 但如果我们应用地下电缆来联接两个变电站 整个系统将能最多地获益 在很多 场合 评估下来的电缆成本低于架空线的成本 而且在一个轻型高压直流输电系统中 使用电缆所需的环境等方面的许可还更容易获得 比起交流输电和本地发电 轻型高压 直流输电系统不仅具有成本优势 它对提高交流电网供电品质也提供了新的可能 6 试简述直流输电的优缺点及适用场合 P14 19 优点 输送相同功率时 线路的造价低 线路有功损耗小 适合于海下输电 不受系统稳定极限的限制 直流联网对电网间干扰小 直流输电的接入不会增加原有电力系统的短路电流容量 输送功率的大小和方向可以快速控制和调节 运行可靠 缺点 换流站设备昂贵 换流装置需要消耗大量的无功功率 换流装置在运行中产生大量谐波 换流装置过载能力较小 限制多端直流系统的发展 对金属构件 管道等产生腐蚀作用 对航海导航仪表产生影响 控制装置复杂 引起变压器噪声水平增大 引起发电机的次同步振荡 应用场合 远距离大功率输电 海底电缆输电 不同频率或者同频率非同步运行的两个交流系统之间的联络 用地下电缆向用电密度高的大城市供电 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 配合新能源的输电 7 延迟角 重叠角 超前角 熄弧角的概念 延迟角 从自然换相点到阀的控制极上加以控制脉冲这段时间 用电气角度来表示 重叠角 换相过程两相同时导通时所经历的相位角 超前角 从逆变器阀的控制极上加以控制脉冲到自然换相点这段时间 用电气角度 来表示 熄弧角 在换相结束时刻到最近一个自然换相点之间的角度 8 1 在图 2 上标出延迟角 重叠角 超前角 熄弧角 自然换相点等 并画出其相应的 直流输出电压示意图 2 画出阀 1 电流在一个周期内的示意图 画出阀交流侧各相电流 3 掌握换流电路的性能基本公式 直流电压 直流电流 功率因数等 图 2图 3 直流电压 直流电流 功率因素 9 依据图 3 单桥整流器在 0 0 时的换相电路 画出其等值电路图 并简述 V1向 V3 换相过程 P27 ik实际上是阀 V3开通时交流系统在 AB 两 点发生两相短路时的短路电流 包括了自由分 量 直流分量 和强制分量 工频分量 同 时 ik也是换相过程中阀 V3的电流 i3 而阀 V1 的电流 i1 Id ik ik随着 t 的增加而增大 因 此阀 V3的电流 i3逐渐增大而阀 V1的电流 i1逐渐减小 当经过一定相角 之后 电流 ik增 大到 Id 同时有 i1 Id ik 0 由于阀单向导通特性的限制 i1停留在 0 值 ik不可能再增大 i3也保持为 Id 所以当时阀 V1就关断了 换流器变为两个阀 V2V3 导通的状态 由于阀 V1关断后承受着反向电压 从而保证了阀 V1的关断 从阀 V3开通瞬间到阀 V1关断瞬间 直流电流从 A 相流经阀 V1转移到从 B 相流经阀 V3的过程称为换相过程换相过程 在此过程中 换 流器直流侧从原来通过阀 V1和 V2两个阀接到电势 eac上 转换为通过阀 V2和 V3两个阀接 到电势 ebc上 等值电路图如上 10 换相失败的原理是怎样的 换相失败的解决方法有哪些 P36 当两个桥臂之间换相结束后 刚退出导通的阀在反向电压作用的一段时间内 如果未能恢复阻断能力 或者在反向电压期间换相过程一直未能进行完毕 这两种情况在阀电压转变为正向时被换相的阀都将向 原来预定退出导通的阀倒换相 这称为换相失败换相失败 换相失败的解决方法诸如 1 利用无功补偿维持换相电压稳定 2 采用较大的平波电抗器限制暂态时直流电流的上升 3 系统规划时选择短路电抗较小的换流变压器 4 增大 或 的整定值 5 采用适当的控制方式 6 改善交流系统的频谱特性 7 人工换相 11 为什么要求逆变器的熄弧角必须有一个最小值 但也不能太大 P36 在换相结束 V5关断 时刻到最近一个自然换相点 c4 之间的角度称为熄弧角熄弧角 由于阀在关断之后还需要一个使载流子复合的过程 因此熄弧角必须足够大 使换流阀有 足够长的时间处于反向电压作用之下 以保证刚关断的阀能够完全恢复阻断能力 如果熄 弧角太小 在过 c4点后 V5又承受正向电压 而此时载流子尚未复合完 则 V5不经触发就 会导通 使 V1承受反向电压而被迫关断 这种故障被称为换相失败换相失败 这就要求逆变器的熄 弧角必须有一个最小值 min 其大小为阀恢复阻断能力所需时间加上一定的裕度 一般为 15 或更大一些 熄弧角过大 则逆变器侧消耗的无功也越大 因此从经济运行的角度出发 也不宜 取得过大 12 对于熄弧角 什么叫经济调节 什么叫安全调节 直流输电系统中 换流器做为逆变器运行时 必须装设定熄弧角 调节器才能确保直流系 统的安全经济运行 对于六脉动换流桥 将实际的六个阀的熄弧角与整定值比较 若其中 最小的一个熄弧角也大于整定值 则通过减小触发角 将熄弧角调节至整定值 提高了运 行的经济性 若其中一个阀的熄弧角小于整定值时 立即将下一个阀的触发角 增大 防 止出现换流阀换相失败 前一种调节称为 经济调节 欠调整 后一种称为 安全调节 过调整 13 在图 4 上标出延迟角 重叠角 超前角 熄弧角 自然换相点等 并画出其相应的直流 输出电压示意图 图 4图 5 14 试写出整流侧 逆变侧直流母线电压与阀侧空载直流 线电势有效值 直流电流 延迟角 超前角 熄弧角 的关系 15 指出图 5 换流站中各标号代表的设备名称 并介绍一些主要设备的功能 P50 1 换流桥 实现交流与直流转换的核心部分 2 换流变压器 实现交流系统与直流系统的电绝缘与隔离 电压变换 对交流电网 入侵直流系统的过电压有一定的抑制作用 3 平波电抗器 抑制直流过电流的上升速度 滤波 缓冲过电压 4 无功补偿装置 提供无功功率 电压调节和提高电压稳定性 电容器组 同步调 相机 静止无功补偿装置 5 滤波器组 滤波 同时还可以提供一部分的无功 另外还有以下主要设备 避雷器组 断路器 CT PT 高频阻塞装置 接地电极 接地极线路 控制和保护系统 通信光缆 16 HVDC 对晶闸管元件的基本要求有哪些 P52 1 耐压高 2 载流能力大 很多直流输电工程都是采用高电压 大功率 大电流的运行方式 而 以一定的方式串并联在一起的晶闸管元件必须共同来分担这些高电压和大电流 比 如 贵广直流输电工程的额定电压是 500kV 额定电流 3000A 3 开通时间和电流上升率 di dt 限制 防止刚刚开通时晶闸管局部过热而损坏元件 要求 开通时间 10 20 s 电流上升率 di dt 的允许值约为 100A s 4 关断时间与电压上升率 dV dt 的限制 防止未加触发脉冲时晶闸管提前导通 要求 关断时间 200 s 电压上升率 dV dt 的允许值约为 200A s 17 换流变压器的作用是什么 有什么特点 P53 将送端交流电力系统的电功率送到整流器或从逆变器接受功率送到受端交流电力系统 它利用两侧绕组的磁耦合传送功率 实现了交流系统和直流系统的电绝缘与隔离 避免交 流电力网的中性点接地和直流部分的接地造成某些元件的短路 实现电压的变换 使换流变网侧交流母线电压和换流桥的直流侧电压能分别符合两侧 的额定电压及容许电压偏移 对于从交流电网入侵换流器的过电压还起抑制作用 A 直流偏磁 相电流中存在直流分量 这直流分量流过换流变压器阀侧绕组时发生 直流偏磁现象 这种磁化现象会使铁芯饱和 导致铁损增加和噪音增大 B 换流变的电抗值比普通变压器大 换流变压器应具有足够大的漏电抗来限制短路 电流 C 谐波和噪音较大 一般变压器的噪音频率是工频的两倍 而换流变压器的铁芯磁 通含有高次谐波分量 因此它的噪音频率也较高 从人的生理特点来看 听觉对 800 1000Hz 左右的音频比 100Hz 敏感许多倍 所以换流变压器对人的影响比普通变压器大 D 有载分接头档数多 为了使换流器触发角能运行在适当范围内 以免功率因数过 低 换流变压器一般均具有带负荷调压能力 且调压的范围较大 动作频繁 调压范围一 般为 15 左右 每档分接头的调节量为 1 2 E 根据直流输电系统的直流电压来选定换流变压器阀侧电压和绕组个数 18 平波电抗器的作用是什么 P56 平波电抗器可在直流发生短路时抑制电流上升速度 防止继发换相失败 在小电流时 保持电流的连续性 在正常运行时减小直流谐波 直流滤波器在谐振频率下呈现谐振阻抗 从而达到抑制直流谐波的目的 19 高压直流输电线路按构成方式可分为哪几种 P63 1 单极线路 只有 1 极导线 一般以大地或海水作为回路 2 同极线路 具有两根同极性导线 同时也利用大地或海水作为回流电路 3 双极线路 具有两根不同极性的导线 有些采用大地 海水 回流 也有一些采 用金属回流 当两极导线中的电流相等时 回流电路中就没有电流 20 相对于交流电缆而言 直流电缆具有什么优点 P69 绝缘的工作电场强度高 绝缘厚度薄 电缆外径小 重量轻 柔软性好和制造安装容 易 介质损耗和导体损耗低 载流量大 没有交流磁场 有环保方面的优势 21 采用大地回路的优缺点是什么 P71 采用大地回路 具有以下优点 1 和同样长度的金属回路相比 大地回路具有较小的电阻和较小的损耗 2 采用大地回路 就可以根据输送容量的逐步增大而分期建设 第一期可以先按 一极导线加大地回路的方式作单极运行 第二期再架设另一极导线 使之成为 双极线路 3 在双极线路中 当一极导线或一组换流器停止工作时 仍可利用另一极导线和 大地回路输送一半或更多的电力 采用大地回路的缺点 1 接地电极的材料 结构和埋设方式必须因地制宜加以选择 设计和施工 其中 有些技术问题仍需深入研究 2 在接地电极附近可能会危及人 畜 鱼类的危险电位梯度 3 地中电流对地下金属物体 特别是电缆 水油气管道等伸长物体 的电解腐蚀 4 地中电流对其他电系统 例如交流电力系统 通信系统等 的干扰影响 5 海底电缆的电流对磁罗盘读数的影响 6 回流电流对鱼群等水生物的影响 22 请画出三种典型的陆地接地极形状 P72 有直线型 矩形 星型 环型 双环型 圆筒管型等 直线型 圆环型 星型 23 接地极一般设置在距离换流站几十公里的适当场所 根据安装场所不同 有海水电极 海岸电极 陆地电极三种 我国直流系统多采用陆地电极 最常用的方法是把金属电极 埋在焦碳中不与土壤接触 24 讲述高次谐波的概念 分类及危害 P75 通常我们将与工频同频率的电气量波形称为基波分量基波分量 或者一次谐波一次谐波 而将频率为基 波的整数倍的周期性电气量波形称为高次谐波高次谐波 由于在同步发电机的设计上采取了一系列 削弱高次谐波的措施 通常认为 电力系统的电源是频率按单一恒定工业频率 50Hz 波形按正弦规律变化的三相对称的电压源 高次谐波产生的根本原因是由于电力系统中某 些设备和负荷的非线性特性 即所加的电压和产生的电流不成线性 正比 关系而造成的 波形畸变 造成系统正弦波形畸变产生高次谐波的设备和负荷被称为 高次 谐波源谐波源 当电力系统向非线性设备及负荷供电时 这些设备或负荷在传递 如变压器 变换 如换流器 吸收 如电弧炉 系统发电机所供给的基波能量时 又把部分基波能量转换 为谐波能量 向系统倒送大量的高次谐波 使得电力系统的正弦波形畸变 电能质量下降 可能引起电网局部谐振 损坏系统设备 如电容器 电动机和电缆等 威胁电力系统的安 全运行 如造成继电保护及自动装置误动作 增加电力系统元件的附加功率损耗等 甚至 造成过热损坏 干扰邻近的通信系统 使邻近的电话线产生杂音 降低通信质量 这些都 给系统及其用户带来危害 被视为一种 电力污染 当前电力系统的谐波源根据非线性特性分为三类 1 铁磁饱和型 各种铁芯设备 如变压器 电抗器等 其铁磁饱和特性呈现非线 性 2 电子开关型 各种交直流换流装置以及双向晶闸管可控开关设备等 其非线性 表现为交流波形的开关切合与换向特性 3 电弧型 各种炼钢电弧炉在熔化期间以及交流电弧焊机在焊接期间 其电弧的 点燃和剧烈变动形成高度非线性 其非线性表现为电弧电压与电弧电流之间的 不规则和随机变化的伏安特性 25 什么是谐波含有率和总谐波畸变率 谐波含有率谐波含有率 HR n 次谐波分量的有效值 或幅值 与基波分量的有效值 或幅值 之 比 用百分数表示 总谐波畸变率总谐波畸变率 THD 谐波总量的有效值与基波分量的有效值之比 用百分数表示 26 简述滤波器的作用及分类 作用是抑制谐波 滤波器按其用途分为交流滤波器和直流滤波器 按连接方式分为串联滤 波器和并联滤波器 按滤波原理分为无源滤波器和有源滤波器 按阻抗特性分为单调谐滤 波器 双调谐滤波器 高通滤波器 C 型滤波器以及自调谐滤波器等 27 某双调谐滤波器的阻抗 频率特性如图 6 所示 如果它能够很好地滤除 12 次和 24 次谐 波 则图中 f1和 f2分别等于多少 f1 12 50 600Hz f2 24 50 1200Hz 28 设计有源和无源混合型直流滤波器的目的是什么 利用 LC 无源滤波器来分担有源电力滤波器 ADF 的部分补偿任务 由于 LC 滤波器与 有源电力滤波器相比 其优点在于结构简单 易实现且成本低 而有源电力滤波器的优点 是补偿性能好 两者结合同时使用 既可克服有源电力滤波器容量大 成本高的缺点 充 分发挥无源滤波器吸收大功率谐波电流的优越性及 ADF 抑制变化频率和多次谐波电流的高 效性等优点 降低 ADF 的绝缘水平 减少 ADF 的容量 组成一种在技术和经济方面最优 的混合滤波系统 29 分别画出单调谐滤波器 双调谐滤波器 高通滤波器的典型结构及其阻抗 频率特性示 意图 30 有源滤波器的基本原理及其主要功能特点是什么 有源滤波器的基本工作原理是 检测补偿对象的电压和电流 经指令电流运算电路计 算出补偿电流的指令信号 该信号经补偿电流发生电路放大 得出补偿电流 ic 补偿电流 与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消 最终得到期望的电源电流 is 同无源滤波器相比 有源滤波器有效地避免了它的缺陷 具有以下优点 1 对系统来说 装置是一个高阻抗电流源 它的接入对系统阻抗不会产生影响 2 当电网频率发生变化时 装置能自动跟踪变化 从而稳定地进行谐波补偿 3 当电网结构发生变化时 装置本身不存在谐振的危险 其补偿谐波的性能不变 同 时还能抑制串并联谐振 4 用一台装置可同时补偿多次谐波电流和非整数倍的谐波电流 在较宽的频率范围 如 300 3000Hz 内 能够使每次谐波得到足够的衰减 5 要求抑制的谐波等效干扰电流越小 投资越低 6 占地小 C L R C1 L1 R1 L2 R2 C2 C L R Z R f Hz 当然 有源滤波器也有其不足之处 1 有源滤波器的动态性能和其容量成反比 要建造一个具有快速电流响应 低损耗的 大容量 PWM 逆变器是困难的 2 有源滤波器的初始投资和运行费用均高于无源滤波器 31 介绍直流输电系统的分层控制方式 P95 总控制 总控制 对直流系统每一个换流站提供该站控制系统所需的输入指令 使直流输电系统 按设计要求运行 例如实现功率 频率或电流的控制等 站控制 站控制 构成一个完整的整流站或逆变站的控制 监视和保护系统的公共部分 它对换 流站内每一个极 正 负极 提供相互协调的被调量指令 如电流或功率指令等 极控制 极控制 使换流站内每一个极的各个换流器单元 又称换流桥 的控制系统互相协调 使提供的被调量指令只产生最小的谐波量 桥控制 桥控制 用于控制构成换流器的每个阀的触发控制系统 换流器的每个阀各有一套 32 直流输电系统控制系统的基本要求 P96 1 限制电流的最大值 避免电流流过阀和其它载流元件出现危险的状况 2 限制电流的最小值 避免电流间断而引起过电压 3 要求限制由于交流系统的波形而引起的直流电流波动 4 尽可能使功率因数保持较高的值 5 尽可能防止逆变器换相失败 6 为了使功率损耗最小 要求保持线路送端电压恒定并且等于额定值 7 为控制所输送的功率 有时则要求控制某一端的频率 33 直流输电系统在稳态正常运行方式下的运行参数主要是两端的直流电压 直流电流和输 送功率 34 什么是电流裕度法则 P106 35 电流电压一般由整流和逆变哪侧控制 逆变器侧为什么增加 QP 段修正 P106 107 36 试指出图 7 各线段的含义 并说明正常情 况下整流站与逆变站采用的控制方式 当 整流侧交流电压降低或逆变侧交流电压升 高很多时 整流站和逆变站的控制方式 MN 整流器的定延迟角 a 控制 NC 整流器的定电流控制 CJ 整流器的低压限流特性 JI 整流器的最小电流限制 PA 逆变器的定熄弧角 控制 QP 逆变器的电流偏差控制 电流裕度平滑控制 或者定超前角 控制 QE 逆变器的定电流控制 EL 逆变器的低压限流特性 LG 逆变器的最小电流限制 GH 逆变器的最小超前角 限制 图 7 37 结合图 7 说明整流侧或逆变侧近处交流系统三相故障 交流母线电压下降很多时 控制 系统的响应特性 P119 120 38 结合图 7 说明整流侧或逆变侧远处交流系统三相故障 控制系统的响应特性 P119 120 39 整流侧和逆变侧的控制系统主要配置有哪些 40 直流系统的一个独特优点是 输送功率的大小不受各端交流系统电压的相位变化以及频 率变化的影响 而且还能方便加以控制 其响应速度要比交流发电机组快得多 因此 可