高压直流输电 直流输电新技术

2020/5/27,Chap.6直流输电新技术,高压直流输电,2020/5/27,2,课程安排,第六章直流输电新技术6.1高压直流三极输电6.2特高压直流输电6.3柔性直流输电6.4电容换相换流器,2020/5/27,3,6.1高压直流三极输电,高压直流三极输电技术TripoleHVDC,HVDC线路,HVAC线路,高压直流输电,2020/5/27,4,6.1高压直流三极输电,提高交流输电传输容量的典型措施新建交流输电线路；改造为紧凑型交流输电线路；提高导线允许温度；利用电力电子技术，提高输送功率；增大导线截面积；提高输电电压等级。,2020/5/27,5,6.1高压直流三极输电,交直流转换技术交改双极直流；交改三极直流；交改双极与单极并联直流。,HVAC线路,HVDC线路,2020/5/27,6,6.1高压直流三极输电,交直流转换的意义新建输电线路的许可越来越难以获得，只好转为充分挖掘现有线路走廊潜力，增大输送功率；HVDC单位走廊的输送容量高于（甚至远高于）HVAC，且有利于提高系统的稳定性；交直流转换无技术障碍，投资增加有限，但增容显著。,2020/5/27,7,6.1高压直流三极输电,交直流转换的研究现状1997年首次提出三极直流输电的概念；2004年，Cigre发表了关于将220kV交流输电线路改造为直流输电线路对系统容量可能提升的研究报告；2005年，美国电科院与BPA合作，开展双向阀及三极直流输电的研究；2005年以来，在Cigre和IEEE会议刊物上发表文章10多篇，专利4个；主要研究人员：约8人。,2020/5/27,8,6.1高压直流三极输电,高压直流三极输电系统原理图,2020/5/27,9,6.1高压直流三极输电,三极直流输电原理电流调制控制,b)电流调制波形,a)三极直流原理图,2020/5/27,10,6.1高压直流三极输电,三极直流输电的特点较交流输电线路的传输容量提高近一倍；较常规HVDC的传输容量提高37%；对线路进行有限改造；设备利用率较常规HVDC的更高；属于前瞻性研究，尚无规模性试验。,2020/5/27,11,6.1高压直流三极输电,三极直流输电的关键问题直流电流的确定；直流电压的确定：电磁场限制；交流线路改造力度；投资；线路走廊。,2020/5/27,12,6.2特高压直流输电,特高压电网由特高压骨干网架、超高压、高压输电网、配电网以及高压直流输电系统共同构成的分层、分区，结构清晰的大电网。（国家电网）特高压骨干网架由1000kV级交流输电网和800kV级以上直流输电系统构成的电网。特高压输电分类特高压交流输电（UHVACtransmission）特高压直流输电（UHVDCtransmission）,2005年同步电网图,2020/5/27,13,6.2.1特高压电网建设的必要性,1、发电能源资源和经济发展呈逆向分布，决定了能源资源必须在全国范围内优化配置运煤发电环境污染严重。运煤发电交通运输压力大。一座5GW的电厂日耗煤达4.1万吨，对铁路、公路的运输压力极大2、提高输送容量一回1000kV输电线路的自然功率接近5GW，约为500kV输电线路的5倍。800kV直流输电线路的输电能力为6.4GW，是500kV的2.1倍。,能源分布，水能分布,2020/5/27,14,6.2.1特高压电网建设的必要性,3、缩短电气距离，提高稳定极限1000kV输电线路的电气距离相当于同长度500kV的1/41/5。即输送相同功率下，1000kV输电线路的最远送电距离是后者的4倍。800kV直流的经济输电距离为2500km及以上。4、降低线路损耗相同条件下，1000kV线损是500kV的四分之一。相同条件下，800kV线损是500kV的39。,2020/5/27,15,6.2.1特高压电网建设的必要性,5、减少工程投资单位输送容量综合造价：1000kV输电方案约为500kV的四分之三。800kV输电方案约为500kV的四分之三。6、节省走廊面积一回1000kV输电线路的单位走廊输送能力约为同类型500kV线路的3倍。800kV直流输电线路的单位走廊输送能力是500kV的1.29倍。,2020/5/27,16,6.2.1特高压电网建设的必要性,7、降低短路电流特高压长距离送电可减少负荷中心区装机需求，从而降低当地电网的短路电流幅值。实现分层分区布局，优化系统结构，从根本上解决短路电流超标问题。8、加强联网能力UHVAC同步联网可大大缩短电网间电气距离，提高稳定水平，发挥大同步电网的各项综合效益。增强电网间功率交换能力，实现更大范围内优化能源资源配置。,2020/5/27,17,6.2.2特高压输电研究和应用概况,6.2.2.1国外特高压输电研究和应用特高压直流输电技术起源于20世纪60年代，瑞典Chalmers大学1966年开始研究750kV导线美国邦德维尔电力局（BPA）1970年规划建设1100kV远距离输电线路，建成2个试验场。美国电力公司（AEP）规划在765KV电网之上建设1500kV特高压输电骨干电网，建成特高压试验场。,2020/5/27,18,6.2.2.1国外特高压输电研究和应用,前苏联上世纪70年代规划，1981年起开始建设，建成1150kV线路900km，在额定电压下累积运行超过5年。1978年计划建设750kV直流特高压，试制出工程所用的全套设备，两端换流站完成了大部分土建及设备安装工作，直流线路建成1090km。,2020/5/27,19,6.2.2.1国外特高压输电研究和应用,日本上世纪70年代规划，80年代初开始技术研究，建成1000kV同塔双回线路427km，目前降压500kV运行。意大利规划建设1050kV特高压输电骨干网，建成试验站加拿大、巴西、印度加拿大、巴西分别研究过UHVAC和UHVDC技术，近年来，印度开始考虑UHVDC。,2020/5/27,20,6.2.2.2国内特高压输电研究和应用,2005年初，国网公司启动特高压输电工程关键技术问题的研究（研究内容共113项，其中直流56项，交流57项）。北京特高压直流试验基地于2007年5月投入使用。西藏高海拔直流试验基地于2008年建成。我国具备1000kV及以下特高压直流输电工程在不同海拔高度下的电磁环境、空气间隙放电特性、绝缘子污秽放电特性、直流避雷器等设备关键技术的试验研究能力，试验功能达到了世界领先水平。,2020/5/27,21,6.2.3特高压直流输电系统,UltraHighVoltageDirectCurrenttransmission-UHVDCUHVDC的系统组成形式与超高压直流输电(EHVDC)相同，但单桥个数、输送容量、电气一次设备的容量及绝缘水平等相差很大。,2020/5/27,22,6.2.3特高压直流输电系统,1、换流站主接线典型方式:每极2组12脉动换流单元串联(图a)其他方式:每极2组12脉动换流单元并联(图b),400kV400kV6英寸ETT阀运行方式灵活平抗分布在极线和中性线,2020/5/27,23,6.2.3特高压直流输电系统,2、换流阀二重阀，空气绝缘，水冷却；控制角：整流器触发角15，逆变器关断角17,2020/5/27,24,6.2.3特高压直流输电系统,3、换流变压器型式:单相双绕组，油浸式短路阻抗：16%-18%有载调压开关:29档，每档1.25%,2020/5/27,25,6.2.3特高压直流输电系统,4、噪音治理换流变采用BOX-IN；平抗采取“穿衣戴帽”；换流站围墙加装隔音屏。,换流变,平抗,2020/5/27,26,6.2.3特高压直流输电系统,5、换流站平面布置高、低压阀厅及其换流变压器采用面对面布置方式，高压阀厅布置在两侧，低压阀厅布置在中间。,2020/5/27,27,6.3柔性直流输电,定义以可关断器件和PWM技术为基础的第三代直流输电技术，CIGRE和IEEE将其正式命名为“VSC-HVDC”，即“电压源换流器型高压直流输电”。名称CIGRE和IEEE：VSC-HVDCABB：HVDCLightSiemens：HVDCplus中国：柔性直流(HVDC-Flexible)输电（2006年5月后），轻型直流输电（2006年5月前）,2020/5/27,28,6.3柔性直流输电,已有柔性直流输电工程采用的VSC结构两电平换流器二级管箝位型三电平换流器模块化多电平换流器（MMC）,2020/5/27,29,6.3.1电压源换流器工作原理,1.两电平换流器工程应用：9个工程，如Heallsjon(3MW，瑞典)，Estlink（350MW，艾沙尼亚-芬兰）。,a)两电平换流器拓扑结构,b)两电平换流器单相输出电压波形,2020/5/27,30,6.3.1电压源换流器工作原理,2.二级管箝位型三电平换流器工程应用：4个工程，如EaglePass（36MW，美国-墨西哥），EastWestInterconnector（500MW，爱尔兰）。,a)换流器基本结构,b)单相输出电压波形,2020/5/27,31,6.3.1电压源换流器工作原理,3.MMC工程应用：2个工程，如TransBayCable（400MW，美国），上海南汇（20MW，中国）,a)MMC的基本结构b)子模块,c)MMC的单相输出电压波形,2020/5/27,32,6.3.2柔性直流输电的特点,优点1）没有无功补偿问题；2）不存在换相失败故障；3）可向无源系统供电；4）可同时分别调节有功和无功；5）谐波水平低；6）适合构成多端直流系统；7）占地面积小。,2020/5/27,33,6.3.2柔性直流输电的特点,缺点1）损耗较大：常规换流站损耗0.8%，2电平或3电平换流站损耗2%，MMC换流站损耗1.5%；2）投资大；3）容量较小：目前已投运或即将投运的最大工程容量约1000MW左右；4）可同时分别调节有功和无功；5）不太适合长距离架空线路输电。,2电平，3电平，MMC,2020/5/27,34,6.3.3柔性直流输电的主要应用领域,向偏远地区供电；离岸发电的联网；城市配电网增容改造；可再生能源发电；非同步运行的独立电网之间的联网；推动多端直流输电系统的发展；提高配电网电能质量。目前，已投运的柔性直流输电工程约15个，我国首个工程（上海南汇风电场，30kV,300A）于2011年7月25日投运。,1st试验工程,2020/5/27,35,6.4电容换相换流器,起因：电网换相换流器要消耗大量无功功率换流器吸收无功功率:30%-50%Pd(整流器）40%-60%Pd(逆变器)因此，20世纪50年代有人提出强迫换相来降低换流器的无功消耗。方法：在换流器和换流变压器之间串联电容器来进行强迫换相,2020/5/27,36,6.4电容换相换流器,类型电容换相换流器（CCC-CapacitorCommutationConverter)可控串联电容换相换流器（CSCC-ControlledSeriesCapacitorConverter）,CCCCSCC,2020/5/27,37,6.4.1电容换相换流器工作原理,串联电容的移相作用使换相电压产生滞后，因此有效增大CCC逆变器关断角，同时部分补偿晶闸管换流器吸收的无功功率,2020/5/27,38,6.4.2电容换相换流器的特点,1、优点换相失败的几率大大减小；无功需求大大降低；换流器最大输送功率提高；换流站甩负荷过电压水平降低；换流阀短路电流降低；换流器交流侧谐波有所减少。,2020/5/27,39,6.4.2电容换相换流器的特点,2、缺点三相不对称时可能引发换相失败；对阀的耐压要求高；换流器直流侧谐波有所增加。,2020/5/27,40,6.4.3电容换相换流器应用现状,CCC-HVDC工程巴西加勒比（Garabi）背靠背直流工程（左图）美国RapidCity直流联络线工程（右图）,2020/5/27,ThankYou!,Chap.6直流输电新技术结束,文俊,华北电力大学电气与电子工程学院柔性电力技术研究所hbdl_wenjun,2020/5/27,42,双极方式HVDC原理图,双极双桥,2020/5/27,43,我国同步电网现状（2005年）,交流联网：东北华北华中同步电网，容量超过2.3亿千瓦直流联网：华中华东、华中南方、华中西北跨区送电能力：1140万千瓦,2020/5/27,44,“十二五”初国家电网特高压骨干网架规划图,“十二五”初国家电网特高压骨干网架规划图,华北,南方,东北,西藏,台湾,西北,陕北煤电,陕北,石家庄,北京东,华中,420,150,豫北,徐州,淮南煤电,徐州煤电,南京,300,320,170,无锡,南阳,300,170,300,150,上海,华东,浙北,皖南,290,330,长沙,荆门,恩施,乐山,330,川西水电,蒙西煤电I,武汉,220,360,重庆,300,晋城电厂一二期,三峡地下电站,晋东南,蒙西,蒙西煤电III,450,西宁,拉西瓦,官亭,白银,宁东,东南郊,兰州东,咸阳西,宜宾,哈密煤电,安西,张掖,永登,呼盟煤电,溪洛渡向家坝,300,华北,南方,东北,西藏,台湾,西北,陕北煤电,陕北,石家庄,北京东,华中,280,420,200,150,豫北,徐州,淮南煤电,徐州煤电,南京