直流输电技术概述

清华大学电机工程和应用电子技术系生产实习技术报告实习地点：西安西电集团名字：李爽班级：电气24学位： 20120109642015年8月12日目录一、直流输电发展的历史11.1海外直流输电发展史11.1.1早期电力传输11.1.2水银电弧阀时期11.1.3晶闸管阀时期21.2我国直流输电的发展4二、直流输电的特征72.1直流输电的优点72.1.1架空线路的成本低72.1.2线路的有效损失小72.1.3不限于交流输电的稳定性72.1.4电力控制容易82.1.5电网相互连接容易82.1.6利用大地输电82.2直流输电不足82.2.1换流站成本高82.2.2换流装置消耗大量的无效电力92.2.3换流引起的高次谐波92.2.4断路器的开发困难92.2.5将大地用作电路的问题92.3应用直流输电时92.3.1远距离大容量输电92.3.2电力系统网络102.3.3电缆输电11三、直流输电换流技术133.1 6脉动换流单元133.1.1 6脉动整流器133.1.2 6脉动逆变器153.2 12脉动转换器16四、直流换流站设备194.1换流阀194.1.1换流阀的基本性能要求194.1.2换流阀的设计与选择194.2逆变变压器214.2.1逆变变压器的特殊点214.2.2逆变变压器的线圈224.3平波电抗器234.3.1平波电抗器的功能234.3.2平波电抗器的型号244.4无效补偿装置244.4.1机械接通式无效补偿装置254.4.2静止无效补偿装置254.4.3同步调整相机25参考文献I一、直流输电发展的历史1.1海外直流输电发展史1.1.1早期电力传输人类在电气上的应用和认识最初是从直流开始的，电力技术的发展也是从直流开始的。 初期的电气照明和动力等负荷采用直流，直流发电机发电的直流通过直接输电线输送到直流负荷，也就是说发电、输电、消耗电力是直流。 1882年，爱迪生在纽约珍珠街建造了世界上第一家变电站，该变电站以110V的直流向周边半径1.6km的地区供电，1882年德国建设了2 kV、1.5 kW、57 km的慕尼黑国际展览会的输电工程，1889年法国串联了直流发电机19世纪末出现的变压器和交流感应电动机等诱发了交流输电系统。 交流输电系统通过变压器实现电压电平的高效自由转换，实现了高电压、远距离输电。 感应电动机因为结构简单、坚固耐用、成本低廉而被广泛应用。 交流系统具有直流系统所没有的优点，因此很快就取代直流系统，广泛应用于电力的发生、发送、配置、使用。 迄今为止，直流输电系统几乎不见了。1.1.2水银电弧阀时期20世纪中叶，电力需求越来越大，输电容量和输电距离越来越大，交流输电系统开始出现其弊端。 例如电力系统同相运行困难、输电稳定性差、电晕损失严重等，人们再次发现了直流输电的优势。 1928年成功地开发出了具有门控能力的水银电弧阀，实现了电流的整流和逆变器，使得直流输电成为可能。1954年，世界上第一个工业直流输电工程果特兰岛工程在瑞典运行，该线路全长96 km，运输容量20 MV，电压100 kV，采用水银电弧阀实现了换流。 到1977年，最后一项采用水银电弧阀换流的直流工程加拿大纳尔逊河期工程，在全世界已启动了12项采用水银电弧阀换流的直流工程。但是，水银电弧阀的制造技术复杂，昂贵，容易产生反向电弧，因此转流失败，并且水银蒸气有毒，损害人体健康。 汞弧阀的“天生不足”限制了其应用，使初期直流输电的步伐变得困难。图1瑞典果特兰岛工程用水银电弧阀1.1.3晶闸管的阀时期70年代，电力电子技术迅速发展，诞生了高电压、大电力晶闸管等电力电子器件。 晶闸管换流阀和微机控制技术应用于直流输电工程，大幅度提高了直流输电的运行性能和可靠性，促进了直流技术的发展。1972年，世界上第一个采用晶闸管换流阀的直流输电工工程加拿大戴尔利河工程开始运行。 该工程是连接布伦斯泄漏和魁北克水电站的背靠背直流输电工程，电压为280 kV，开关容量为320 MW，每个换流站包括两个换流桥，4000个晶闸管设在40个机组，每4个机组并联桥接伊尔河工程标志着直流输电的发展进入了一个新阶段，此后，所有直流输电工程都使用晶闸管换流，水银电弧阀被淘汰。 在此期间，电力电子技术、微机控制技术、光纤技术、氧化锌避雷器等新技术逐渐应用于直流输电领域，促进了直流输电技术的提高和改进，使其更加成熟，更加广泛地应用。图2西电集团电气触发晶闸管(ETT )换流阀图3西电集团光触发晶闸管(LTT )换流阀1.2我国直流输电的发展我国直流输电工程是1958年提出的，最初是为了协助长江三峡水力资源的开发，促进三峡发电站的电力外输。 1963年，中国电力科学研究院建设了中国第一个直流输电模拟装置，开始研究直流输电换流技术和控制保护技术。 1974年，西安高压电器研究所建立了8.5 kV、200 A、容量1.7 MW的背靠背换流试验所。 该试验所用于一次设备和二次设备的评价和直流输电的控制保护特性和故障类型的试验研究。 1977年，基于上海废弃的交流电缆线路，建设了31 kV、150 A、4.65 MW的直流输电试验工程，线路全长8.6 km。1980年，我国决定亲自建设直流输电工程。 这就是舟山直流输电工程。 1987年，舟山直流输电工程投入试运行。 线路为双极100 kV、500 A、100 MW、全长54 km。 舟山直流工程的特点如下1 )舟山直流工程线路接收端是弱交流系统，为了提高系统的稳定性，在逆变侧的逆变变压器上设置30 Mvar的相机，提高接收端的电压稳定性。2 )直流输电线路是架空线与海底电缆的混合型。 线路全长54 km，其中12 km是海底电缆，42 km是架线。 这给线路保护和使用电力线的载波通信带来了困难。3 )使用直流输电连接华东电网和舟山电网，实现了两个电网的异步运行。4 )舟山工程从科研设计、设备制造到调整运行，依靠国内的力量，作为一个试验性的工业项目，为我国直流输电的发展奠定了基础。4此后，舟山工程又进行了一系列更新和改造，适应了更现代的发展水平。舟山工程后，数十项直流输电工程相继出厂，2011年底前出厂的直流输电工程如表1所示。表1我国出厂的直流输电工程(截至2011年)序列号。工程名称额定电压/kV额定电流/A额定容量/MW输送距离/km命运之年1舟山工程一百500505419892ge-南工程50012001200104519893天广工程5001800180098020004三-常设工程5003000300086020025嵊泪工程50600606620026三广工程5003000300097620047贵-广I次工程5003000300088220048灵宝工程1203000360020059三-上海工程500300030001040200610贵-广次工程500300030001225200811高岭工程125300015002090200812德宝工程50030003000545201013云-广工程800312550001373201014提高工程800400064001907201015呼辽工程50030003000908201016宁东直流工程660303040001333201117黑河工程50030001000411201118青藏工程4001400120025302011特别是2010年运行的云宽工程，我国也是世界上第一个特高压直流输电工程，标志着我国的特高压直流输电技术达到了世界顶级。图5云广工程线路图6云广工程程穗东转流站二、直流输电的特征2.1直流输电的优点与交流输电相比，直流输电有很多优点，得到了越来越多的应用。2.1.1架空线路的成本低双极输电的直流架空线路只有正负两极的导线，三相输电的交流线路需要三根导线。 与交流系统相比，输送相同的电力，直流输电线路可以节省一根导线，在节省大量钢材、绝缘体等资源的同时，还可以节省大量的设置和使用费用。直流输电导线数少，杆塔负载小，降低了杆塔的设计建设要求。 另外，直流输电也可以利用输电走廊，其走廊宽度为交流输电的一半左右。 直流500 kV的线路走廊宽度约为30 m，交流500 kV的线路走廊宽度为55 m。2.1.2线路的有效损失小直流输电线路的损耗主要是电阻损耗，输电过程中没有电感和电容器，没有无效损耗，有效负载高的电晕，导线表面的电场强度相同时，直流架空线路的电晕损耗只占交流线路的50%60%。2.1.3交流输电的稳定性没有限制交流电力系统输送的电力式中，E1和E2分别是发送端和受电端的电动势，X12是发送端和受电端间的等效电抗，是E1和E2间的相位差，被称为电力角。=90时，此时是交流系统的静态稳定极限。 如果发生系统紊乱，达到90，系统两端就会失去同步运行，系统分解。 随着传输距离变大，X12变大，允许传输的电力变小，从而限制了交流传输的距离。直流输电的两端交流系统被整流和逆变器隔离，不需要同步运行，因此没有稳定性问题。 因此，输电距离和容量不限于稳定性。2.1.4电力控制容易直流输电的整流和逆变器有晶闸管控制。 改变换流中的控制角，不受两端交流电网的影响，根据需要可以实现潮流反转。 这给电力系统调度和经济运行控制带来了很大的便利，提高了输电的灵活性、迅速性和效率。2.1.5电网相互连接容易现代大电网的交流互联要保证不同电力网之间的同步运行，提高系统运行的困难性。 各大电网之间也容易发生相互干扰，提高了系统故障的概率。通过直流网络，直流输电通过整流和变频过程，隔离不同的交流电网，使联网的交流系统以各自的频率和相位独立运行，可以分别进行调压调频和系统调度，不受网络影响。2.1.6利用大地输电直流中，只有电阻起作用，电感和电容器的影响在输电过程中可以将大地和海水利用为电路的负。 因此，可以省去一极导线，同时大地和海水的电阻率低，损失小，运行成本低。 双极输电系统通常相当于以大地为备用导线，两个独立动作的单极系统。 极端故障时，可转移到单极运行，提高了输电的可靠性。2.2直流输电不足直流输电虽然有很大优点，但也有不足，这在一定程度上限制了发展和应用。2.2.1换流站的成本很高直流输电换流站比交流变电站设备多，结构复杂。 直流换流站除了交流变电站同样配备的变压器和断路器外，还有换流器、平波电抗器、交流直流滤波器和无功补偿装置等。 因此，规模相同，直流换流站的成本比交流变电站高数倍。 同样设备更复杂，换流站的运行和维护费用也更高。2.2.2换流装置消耗大量的无效电力换流阀在换流时需要消耗大量的无效电力，能占直流载波电力的40%60%。 因此，有必要为每个换流站设置无效补偿设备。 无功补偿设备提高了换流站的成本，也增加了系统运行的困难。2.2.3换流产生高次谐波逆变器对于交流侧来说是高次谐波电流源。 交流电流的波形失真，产生大量高次谐波电流，交流电压也失真。 逆变器对于直流侧来说是高次谐波电压源。 直流电压波形失真，产生大的高次谐波电压，直流电流也失真。 为了减少线路的高次谐波，保证系统的稳定和电力质量，需要在交流侧和直流侧设置滤波器，提高了系统的制造成本、占地面积和运行费用，降低了系统的稳定性。2.2.4断路器的开发困难直流输电没有电流过零，消弧问题难以解决，断路器的开发也很困难。 国内外对直流断路器进行了许多研究和试验，但至今仍没有性能好的产品，极大地限制了直流输电的发展。2.2.5将大地用作电路的问题如果把大地和海水作为电路来利用的话，沿途的金属部件和配管等会发生电