直流输电技术概述剖析

1、清华大学电机工程与应用电子技术系生产实习技术报告实习地点：西安西电集团姓 名：李爽班 级：电 24学 号： 20120109642015 年 8 月 12 日目录、直流输电发展历史 11.1 国外直流输电发展史 11.1.1 早期电力传输 11.1.2 汞弧阀时期 11.1.3 晶闸管阀时期 21.2 我国直流输电的发展 4、直流输电的特点 72.1 直流输电的优势 72.1.1 架空线路造价低 72.1.2 线路有功损耗小 72.1.3 不受交流输电稳定性的限制 72.1.4 便于功率控制 82.1.5 便于电网互联 82.1.6 利用大地输电 82.2 直流输电的不足 82.2.1 换流站

2、造价高 82.2.2 换流装置要消耗大量无功功率 92.2.3 换流产生谐波 92.2.4 断路器研制困难 92.2.5 利用大地作为回路的问题 92.3 直流输电应用场合 92.3.1 远距离大容量输电 92.3.2 电力系统联网 102.3.3 电缆输电 11、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 脉动换流器 16四、 直流换流站设备 1.94.1 换流阀 194.1.1 换流阀的基本性能要求 194.1.2 换流阀设计与选择 194.2 换流变压器 214.2.1 换流变压器的特殊之处 214.2

3、.2 换流变压器的线圈 224.3 平波电抗器 234.3.1 平波电抗器的功能 234.3.2 平波电抗器的型式 244.4 无功补偿装置 244.4.1 机械投切式无功补偿装置 254.4.2 静止无功补偿装置 254.4.3 同步调相机 25参考文献 I.12直流输电发展历史1.1 国外直流输电发展史1.1.1 早期电力传输人类对于电的应用和认识最初都是起源于直流电的， 而电力技术的发展 也是从直流电开始的。 早期的电气照明和动力等负荷都是采用直流电的， 由 直流发电机发出直流电直接通过输电线路送到直流负荷， 也就是发电、 输电 和用电均为直流电。 1882 年，爱迪生在纽约珍珠街建造了

4、世界上首座变电 站，该变电站通过 110V 的直流电向周边半径为 1.6km 的地区供电； 1882 年 德国建成了 2 kV、1.5 kW、57 km向慕尼黑国际展览会的送电工程；1889 年法国通过串联直流发电机得到高电压， 建成了由毛梯埃斯到里昂的世界上 首条高压直流输电线路。19 世纪末出现的变压器和交流感应电机等催生了交流输电系统。交流 输电系统通过变压器实现了电压等级的高效、 自由转换， 使高电压、 远距离 输电成为了可能。 而感应电机因其结构简单、 牢固耐用、 造价低廉得到了广 泛应用。交流系统由于其具有直流系统所不具备的优势， 很快就取代了直流 系统，在电力的发、输、配、用都得

5、到了广泛应用。至此，直流输电系统几 乎已经销声匿迹。1.1.2 汞弧阀时期20世纪中期，电力需求日益增长，输电容量和输电距离不断增大，交 流输电系统开始显现出其弊端， 例如电力系统同相运行困难、 输电稳定性差、 电晕损耗严重等，人们再次发现了直流输电的优势。而 1 928年具有栅极控 制能力的汞弧阀研制成功， 实现了电流的整流和逆变， 使得直流输电成为了 可能。1954年，世界上第一个工业性直流输电工程果特兰岛工程在瑞典投 入运行，该线路全长96 km,输送容量20 MV，电压100 kV，采用汞弧阀直流输电发展历史实现换流。直到1977年最后一个采用汞弧阀换流的直流工程一加拿大纳尔 逊河I期

6、工程，全球共有12项采用汞弧阀换流的直流工程投入运行。但是汞弧阀制造技术复杂、价格昂贵、易发生逆弧导致换流失败，而且 汞蒸气有毒，危害人体健康。汞弧阀的“先天不足”限制了它的应用，使得 早期直流输电步履维艰。图1瑞典果特兰岛工程用的汞弧阀1.1.3晶闸管阀时期20世纪70年代，电力电子技术迅速发展，高电压大功率晶闸管等电力 电子器件问世。晶闸管换流阀和微机控制技术逐步应用于直流输电工程中， 极大地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程一加拿大伊 尔河工程投入运行。该工程是一个连接布伦兹瑞克和魁北克水电站的背靠背 直流输电工

7、程，电压为2X80 kV，交换容量为320 MW，每个换流站包括两 个换流桥，4000个晶闸管安放在40个单元中，每4个单元并联组成一个桥 臂。伊尔河工程标志着直流输电发展进入一个新阶段， 此后所有的直流输电 工程均采用晶闸管换流，汞弧阀被淘汰。在此期间，电力电子技术、微机控 制技术、光纤技术和氧化锌避雷器等新技术逐步应用于直流输电领域，促进了直流输电技术不断提高和改进，使之更加成熟，也得到了更加广泛的应用。图2西电集团电触发晶闸管（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的直流输电工程是在1958年提出的，最初是为了配合长江三峡水 力资源的开发，便于

8、三峡电站的电力外送。1963年，中国电力科学研究院 建成了我国第一套直流输电模拟装置，开始了对直流输电换流技术和控制保 护技术的研究。1974年，西安高压电器研究所建成了 8.5 kV，200 A,容量 为1.7 MW的背靠背换流试验站。该试验站用于对一次设备和二次设备进行 考核和对直流输电的控制保护特性及故障类型进行试验研究。1977年，在上海一条报废的交流电缆线路的基础上，建成了一条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，我国决定自行建设一项直流输电工程，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00

9、 kV，500A，100 MW，全长54 km。舟山直流工程特点如下：1）舟山直流工程的线路受端为弱交流系统，为提高系统的稳定性，在 逆变侧的换流变压器上装设了一台 30 Mvar的调相机，提高受端的 电压稳定性。2）直流输电线路为架空线和海底电缆混合型。线路全长54 km，其中12 km为海底电缆，42 km为架空线，如图4所示。这给线路的保 护和利用电力线载波通信带来了困难。3）采用直流输电连接了华东电网和舟山电网，实现了两个电网的非同 步运行。4）舟山工程从科研设计、设备制造到调试运行，均依靠国内的力量， 作为一条试验性的工业项目，为我国直流输电的发展奠定了基础。-lookVi 6 5k

10、m 5.5km丸礙换流站HOkV工4 50OAII90。，系统两端将会失去同步运行，导致系统裂解。随 #直流输电的特点着输电距离的增大，X12增大，允许输送的功率减小，限制了交流输电的距 离。直流输电的两端交流系统经过整流和逆变隔离，不需要同步运行，所以 不存在稳定性的问题。这使得其输电距离和容量不受稳定性的限制。2.1.4便于功率控制直流输电的整流和逆变都有晶闸管控制。 通过改变换流过程中的控制角 a，可以改变线路中输送的直流功率，而不受两端交流电网的影响，必要时 还可以实现潮流反转。这为电力系统调度和经济运行控制带来了极大的方 便，提高了输电的灵活性、迅速性和高效性。2.1.5便于电网互联

11、现代大电网的交流互联要保证不同电网之间的同步运行，提高了系统运行的难度。各大电网之间也容易互相干扰，增大了系统故障的几率。而通过直流联网，直流输电通过整流和逆变过程，隔离了不同的交流电 网，可以令被联网的交流系统按照各自的频率和相位独立的运行， 各自进行 调压调频和系统调度，不受联网的影响。2.1.6利用大地输电直流电作用下，只有电阻起作用，而电感和电容影响，在输电过程中可 以利用大地或者海水作为回路的负极， 这样可以省去一极的导线，同时大地 和海水的电阻率低，损耗小，运行费用低。双极输电系统通常将大地作为备 用导线，相当于两个独立运行的单极系统。 当一极出现故障时，可以转为单 极运行，提高了

12、输电的可靠性。2.2直流输电的不足直流输电虽然有很大的优势，但也存在不足，这也一定程度上限制了其 发展和应用。2.2.1换流站造价高直流输电的换流站比交流变电站的设备多、结构复杂。直流换流站除了交流变电站中同样具有的变压器和断路器外，还要有换流器、平波电抗器、 交直流滤波器和无功补偿装置等。所以同样规模下，直流换流站的造价比交 流变电站要高出数倍。同样由于设备更加复杂，换流站的运行和维护费用也 更咼。222换流装置要消耗大量无功功率换流阀在进行换流时需要消耗大量的无功功率， 可以占到直流输送功率 的40%60%。所以每个换流站都需要安装无功补偿设备。无功补偿设备提 高了换流站的造价，也增大了系

13、统的运行难度。2.2.3换流产生谐波换流器对交流侧来说是一个谐波电流源。 它畸变了交流电流波形，产生 了大量的高次谐波电流，也畸变了交流电压。换流器对直流侧来说是一个谐 波电压源。它畸变了直流电压波形，产生了大量的谐波电压，也畸变了直流 电流。为了减少线路的谐波，保证系统稳定和电能质量，需要在交流侧和直 流侧都装设滤波器，提高了系统造价、占地面积和运行费用，降低了系统稳 定性。2.2.4断路器研制困难直流输电中没有电流过零点，熄弧问题难以解决，断路器研制困难。虽 然国内外对直流断路器进行了大量的研究和试验， 但到目前仍然没有性能较 好的产品，严重限制了直流输电的发展。2.2.5利用大地作为回路

14、的问题利用大地或者海水作为回路会对沿途的金属构件和管道等造成电腐蚀； 对通信系统和航海仪器产生干扰。2.3直流输电应用场合直流输电的应用取决于直流输电的技术水平和电力发展的需要。目前实际应用的输电方式还是以交流输电为主，直流输电只是作为交流输电的辅助 和补充。直流输电由于其特性，在一些场合下有较好的应用。2.3.1远距离大容量输电直流输电的线路造价和运行费用低于交流输电， 但是换流站的造价和运 行费用比交流变电站高。因此，同样的输送容量下，输送距离较短时，交流 16直流输电的特点输电更加经济，输送距离较长时，直流输电更加经济。通常将两种输电方式 造价相同时的输电距离称为等价距离。 对于不同的国

15、家，由于其经济水平和 技术水平不同，等价距离通常也是不同的。我国目前架空线的等价距离为 8001000 km,电缆线路的等价距离为2040km。所以直流输电在远距离大 容量输电方面更有优势。2.3.2电力系统联网电力系统的发展趋势在于电网互联， 有利于资源的优化配置，有较好的 经济效益。但是交流方式联网会带来稳定性、大面积停电和短路容量增大等 一系列问题，不利于电网的运行和控制。采用直流联网可以避免交流联网的问题。 直流联网是非同步联网，可以 保证被联电网以各自的频率和相位独立运行， 而不必同步运行，减小了联网 难度；直流输电可以方便地控制被联电网之间的潮流分布， 改变传输功率的 大小和方向；

16、直流联网不会增加被联电网的短路容量， 所以不需要更换断路 器等配套设备。目前常用的直流联网方式有两种，一种是背靠背直流联网，所谓背靠背 就是将整流和逆变放置在同一个换流站内， 不需要直流输电线路。我国华北 电网与东北电网之间的高岭背靠背直流输电工程和西北电网与华中电网之 间的灵宝背靠背工程就属于这种类型。 另外一种是远距离大容量输电，既有 输电功能又有联网功能。例如三峡电站向广东和华东送电的三 -广工程和三- 常工程就属于这种类型。图8灵宝背靠背工程换流站图9三-广工程荆州换流站2.3.3电缆输电电缆输电的交直流等价距离只有 2040 km,远低于架空线的等价距离。 此外交流电缆输电受到等效电

17、容的影响，输电距离受限。所以电缆输电更适合用直流输电方式。可以利用直流电缆输电方式进行远距离大容量跨海输电 或者向负荷中心送电。#13三、直流输电换流技术直流输电过程需要先在送端将交流电变换为直流电，称为整流，而后在 受端将直流电变换为交流电，称为逆变。整流和逆变统称为换流。直流输电 的换流主要由换流站中的换流单元实现，目前工程上所采用的换流单元主要 有6脉动换流单元和12脉动换流单元。3.1 6脉动换流单元6脉动换流器、换流变压器、交直流滤波器等组6脉动换流单元主要由 成，原理图如图10所示。0.io 简:也汀m川卅点1 一交流系统F 2换流变压器*36脉动换流器；4一平波电抗器；5交流滤波

18、器；6直流滤波器；一控制保护装置6脉动换流单元的换流变压器可以采用三相变压器或者单相变压器，阀侧绕组可以是？接线或者丫接线。6脉动换流方式会在交流侧和直流侧分别产 生6k 1次和6k次的谐波。3.1.1 6脉动整流器目前直流输电中广泛采用晶闸管换流阀。 晶闸管具有单向导电性，在施 加电压为正电压且控制极有正脉冲时导通， 但控制极没有关断能力，只能依 靠外部回路的能力来关断。直流输电换流技术Zsvtl EHL2ivT4 2Mt# ZSvr,116脉动整流器工作原理1316图12脉动笊流娜电压III电流渡形国佃交莊址动挣n流轴m和n A,对啊I点的电压眩IB J (b血遨嗨压和阀I上的咆压ift礦

19、帕址肚冲的 醮序和怖位I阀电就滅牆* 立漁MU郴电逼能压6脉动整流的原理 图如图11所示，采用全 桥整流方式。晶闸管 VT1到VT6依次导通， 每隔60电角度导通一 个晶闸管，每个晶闸管 导通时间为120电角 度。所以每一时刻上下 桥臂都有且只有一个晶 闸管导通。线电压Uac 由负变为正的时刻作为 VT1的起始时刻，V 导通时刻Uac相位角称 为VT1的触发角，VT1 到VT6的触发角都是相 同的，通常用触发角a 表示。根据a的不同可 以控制输出直流电压的 大小。在交流电压作用 下，换流阀周期性的导 通和关断，整流出的直流电压为6段正弦曲线组成的脉动电压，所以称为6脉动整流。整流出的直 流电流

20、含有很多谐波，还存在一定的脉动，所以需要用直流滤波器和平波电 抗器来提高直流的波形质量。3.1.2 6脉动逆变器 r J4 Mejt1 A t*t X& fL：J I Llri tL mt 轉， t* tl J *I_L irft直流输电换流技术逆变器是将直流电转换为交流电的装置。6脉动逆变器与整流器一样， 也是由6个换流阀组成的三相桥式电路。逆变器的换流阀导通顺序与整流器 一样，在一个周期内，将流入逆变器的直流电分为三段，送入交流侧，转变 为交流电。但是逆变器是将直流侧的功率输入到交流侧， 所以要求直流侧的输出电压为负值，所以触发角a应大于90，图14 6脉动逆变器原理图3.2 12脉动换流

21、器12脉动换流器由两个交流侧电压相位差为 流侧串联而在交流侧并联组成的奂流单元在直L-VI$V5Z-u2SV7 Avilova-2W8 SV12AV4图15 12脉动换流器原理图12脉动换流单元可以采用两组双绕组变压器或者一组三绕组变压器。为了实现换流变压器阀侧绕组的电压相位差为 30。，阀侧绕组的接线方式必须 是一个星形连接一个三角形连接。所以一组 12脉动换流单元的换流变压器 可以有四种组合方案，分别是：1台三相三绕组变压器，2台三相三绕组变 压器，3台单相三绕组变压器，6台单相单绕组变压器。12脉动换流器会在 交流侧和直流侧分别产生12k1和12k次的谐波，所以需要安装相应的滤 波器。目

22、前大部分的直流输电都采用这种换流方式，因为这种方式的换流站所需的设备数量少，投资省，运行可靠性高。#四、 直流换流站设备4.1 换流阀直流输电系统中，换流器的桥臂称为换流阀，它是换流器的基本单元， 是进行换流的关键设备。 目前的换流阀大多是由几十到数百个晶闸管串联而 成。晶闸管按照触发方式可以分为电触发和光触发两种， 相应的换流阀也可 以分为电触发换流阀和光触发换流阀。 目前大部分的直流输电工程都采用电 触发换流阀。4.1.1 换流阀的基本性能要求 换流阀要在特定的条件下连续可靠的运行，对其性能提出了一定的要 求。1) 满足系统连续运行的额定值 系统额定值包括额定电压、额定电流和额定功率等，系

23、统长期运行在这样的参数值下。 换流阀本身的耐受值要达到要求， 换流阀的冷却系 统和其他辅助系统也要满足要求。2) 过负荷能力换流阀要有一定的过负荷承受能力，从而承受过电流情况下的运行 负荷。其过负荷能力应该和直流输电系统的过负荷能力相匹配。 过负荷 能力可以分为三种： 连续过负荷能力： 指可以连续运行的过负荷承受 能力；短时过负荷能力：一般指0.5至数小时内可以连续运行的过负 荷承受能力； 暂态过负荷能力： 通常指数秒至 1 分钟的过负荷承受能 力。4.1.2 换流阀设计与选择1) 换流阀的元件特性要求换流器性能的优劣与晶闸管元件特性直接相关。单个元件的开关功 率容量应较大，即元件耐压水平高，

24、电流定值大，以减少串联元件数， #四、直流换流站设备降低相应损耗和成本；阀内晶闸管元件各种参数的分散性要较小，如元 件的开通时间应尽量一致，尽量小，以减小开通过电压，元件的恢复电 荷尽量一致，尽量小，以减小关断过电压，提高关断速度；晶闸管的触 发功率和通态压降应较低，以减少阀的损耗。2）换流阀的耐压特性换流阀要承受一定水平的过电压，阀的耐压设计应存在一定的保护 裕度。考虑到电压的不均匀分布、过电压保护水平的分散性和其他非线 性因素影响，保护裕度要足够大。工程上常用的保护裕度是：对于操作 冲击和雷电冲击应大于避雷器保护水平的 15%;对于陡波头冲击电压 应大于避雷器保护水平的20%。换流阀的耐压

25、等级是由每个晶闸管的 耐压水平串联叠得到的，所以阀的耐压能力由晶闸管的串联元件数所决 定。实际工程设计时，每个换流阀臂冗余元件数不应少于3个。3）换流阀的电流特性换流阀要有一定的暂态过电流能力，以应对系统故障的情况。对晶 闸管常用浪涌电流能力Itsm表征，浪涌电流能力应不小于系统的最大故 障短路电流。4）换流阀的损耗特性换流器的损耗特性是衡量其性能的重要指标，对系统高效可靠运行 的重要保障。根据直流输电工程的经验，换流站在额定工况时的损耗约为传输功率的1%,而换流阀的损耗则占全站损耗的 25%左右图16西电集团制造的云-广工程换流阀4.2换流变压器换流变压器是直流换流站中的重要设备， 它与换流

26、阀一起实现交流电与 直流电之间的相互变换，此外起着改变交流电压等级，抑制直流短路电流， 减少交流谐波等功能。4.2.1换流变压器的特殊之处由于换流变压器与换流器相连，受到换流器的影响，它与普通的电力变 压器存在很多的不同。1）短路阻抗直流输电中换流阀的换相过程实际上就是两相短路的过程，因此产 生较大的电流。为了将换向过程中的电流限制在一定范围内以免损坏换 流阀的晶闸管元件，换流变压器应有足够大的短路阻抗，因此换流变压 器的短路阻抗一般大于普通工频变压器的短路阻抗。但短路阻抗也不能 过大，否则会使运行中的无功损耗增加，需要增加额外的无功补偿装置， 并导致换相压降过大。2）绝缘在额定工况下，换流变

27、压器阀侧绕组端部与地之间以及阀侧绕组与 网侧绕组之间的主绝缘上长期承受直流电压；当系统发生潮流反转时， 阀绕组所承受的直流电压也同时发生极性反转。因此换流变压器要长期持续受到交直流叠加电场以及以极性反转为代表的直流跃变电压的作 用。由此造成换流变压器的绝缘结构远比普通的交流变压器复杂。3）谐波换流变压器在运行中会有较大的特征谐波电流和非特征谐波电流流 过。谐波电流会使换流变压器损耗和温升增加，产生局部过热，还会造 成交流电网中的发电机和电容器过热。 变压器漏磁的谐波分量会使变压 器的杂散损耗增大，有时还可能会使某些金属部件和油箱产生局部过热 现象。数值较大谐波磁通所引起的磁致伸缩噪音，一般处于

28、听觉较为灵 敏的频带，必要时要采取有效的隔音措施。4）有载调压考虑到运行的安全性和经济性，应使换流器触发角运行在适当的范 围内，保证直流输电系统经常运行在接近最佳状态。因此换流变压器应 16四、直流换流站设备具有较大的调压范围。一般调压分接开关的调压范围一般为 20%30%, 每档调节量为1%-2%,使得其有载分接头档位远多于普通工频变压器。5）直流偏磁换流器触发时刻的间隔不等，交流母线正序 2次谐波电压和与直流 线路并行的交流线路的感应作用等将在换流变压器阀侧绕组电流中产 生直流分量；接地极的入地电流引起的地电位变化会在网侧绕组电流中 产生直流分量，二者共同使换流变压器产生直流偏磁现象。直流

29、偏磁使 得铁芯的B-H曲线上的运行工作点绕行轨迹偏离对称状态，部分进入 一侧的饱和段，导致励磁电流分量出现一个半波的尖峰波形，使变压器 损耗、温升及噪音均有所增加。因此直流偏磁问题在设计时必须给予充 分的考虑。4.2.2换流变压器的线圈换流变压器的线圈包括网侧线圈、阀侧线圈和调压线圈三部分。绕组的 排列方式通常有两种，即 铁心柱-阀绕组一网绕组一调压绕组”式和 铁心 柱一调压绕组-网绕组-阀绕组”式。1）网测线圈换流变压器网侧线圈通过交流套管与交流系统联接， 线圈的电压等级和 绝缘水平取决于直流系统两端联接的交流网络的电压等级。换流变压器网侧 线圈与相同电压等级的电力变压器的线圈结构基本相同，

30、此处不再介绍。2）调压线圈因为变流变压器有较多的调压级数，所以调压线圈导线的并绕根数比较 多，为此通常设计成一个独立的线圈，并与网侧线圈末端相联。当在网侧线圈首端施加冲击电压时，调压线圈内的冲击电压梯度较大， 为防止击穿，调压线圈匝间绝缘厚度及对相邻线圈或接地部件的距离均要加 大。为限制调压线圈内匝间电压梯度， 防止调压线圈的匝间绝缘损坏， 必要 时需采用非线性电阻，以限制调压线圈的级间过电压。3）阀侧线圈换流变压器阀侧线圈通过阀侧套管与换流阀桥联接。因其与换流阀桥相连，必然受到阀桥换流过程的影响，其设计与普通电力变压器线圈相比有很 大的特殊性。是绝缘的特殊要求。阀侧线圈的绝缘设计除了考虑交流

31、耐受电压的作用外，还必须考虑试验及运行中的直流电压和极性反转电压作用的影响。例如一500kV直流输电系统中的换流变压器，其阀侧线圈的交流额定电压一般 仅为200kV左右，但其绝缘水平因上述原因，其绝缘水平，包括交流耐受 电压水平，操作冲击电压水平和雷电冲击电压水平都高于相同电压等级的交 流线圈的绝缘水平。因此阀侧线圈的结构型式的选择和绝缘设计比较复杂， 要特别注意绝缘方面的分析计算和采取相应的措施。二是谐波电流的影响。换流变压器在实际运行时，线圈中会有大量谐波 电流流通，进而产生较大的附加损耗。所以在选择线圈的导线时，要特别注 意导线的规格，以降低线圈导线中的涡流损耗，合理控制导线的电流密度， 防止线圈产生局部过热。图17西电集团ZZDFPZ-297600/330换流变压器4.3平波电抗器平波电抗器是直流换流站中的重要设备，一般安装在换流器直流输出端和直流线路之间。4.3.1平波电抗器的功能平波电抗器主要有以下作用：17四、直流换流站设备1）防止由直流线路或直流开关站产生的陡波冲击波进入阀厅，使换流阀免遭过电压应力而损坏。2）平波电抗器可以平滑直流电流中的纹波，防止轻载时电流的断续。3）平波电抗器可以限制由电压快速变化引起的电流变