第一章电力系统概述

1、l19291929年瑞典阿西亚（年瑞典阿西亚（ASESASES）公司首创高公司首创高压直流输电（压直流输电（HVDCHVDC）技术技术 。l19541954年，瑞典本土与年，瑞典本土与GotlandGotland岛之间的海岛之间的海底输电电缆建成，标志着世界上第一条底输电电缆建成，标志着世界上第一条高压直流输电线路投入商业运行。高压直流输电线路投入商业运行。 l19771977年加拿大纳尔逊河一期最后一个采年加拿大纳尔逊河一期最后一个采用汞弧阀换流，世界上共有用汞弧阀换流，世界上共有1212项采用汞项采用汞弧阀换流的工程。弧阀换流的工程。 l此后高压大功率晶闸管取代了汞弧阀，此后高压大功率晶闸

2、管取代了汞弧阀，目前全世界直流输电工程约目前全世界直流输电工程约9090个。个。 l2020世纪世纪9090年代以后，利用绝缘栅双极晶年代以后，利用绝缘栅双极晶体管体管IGBTIGBT组成的轻型直流输电技术得到组成的轻型直流输电技术得到广泛应用广泛应用。l中国的直流输电起步较晚，在中国的直流输电起步较晚，在19581958年考年考虑开发三峡水力资源的时候提出虑开发三峡水力资源的时候提出。l19631963年在中国电力科学研究院建成年在中国电力科学研究院建成10001000V V，5A5A的直流电物理模拟装置的直流电物理模拟装置 。l7070年代以后对该装置进行更新和改造，年代以后对该装置进行更

3、新和改造，用晶闸管替换了原来的闸流管用晶闸管替换了原来的闸流管 。l8080年代，随着葛洲坝年代，随着葛洲坝南桥大型直流输南桥大型直流输电工程的技术引进，从瑞士电工程的技术引进，从瑞士BBCBBC公司引进公司引进了一套先进的大型直流输电模拟装置了一套先进的大型直流输电模拟装置 l9090年代，该套装置又增加了全数字化的年代，该套装置又增加了全数字化的直流仿真系统直流仿真系统RTDSRTDS，并与暂态网络分析并与暂态网络分析装置相连，从而具备了更大规模试验研装置相连，从而具备了更大规模试验研究工作的能力。究工作的能力。 l在此基础上，中国电力科学研究院成立在此基础上，中国电力科学研究院成立了电力

4、系统仿真中心，并建立了能够满了电力系统仿真中心，并建立了能够满足足500500kVkV直流输电工程研究工作所需的直直流输电工程研究工作所需的直流高压发生器流高压发生器 。 l要实现直流输电必须将送端的交流电变要实现直流输电必须将送端的交流电变换为直流电，称为整流换为直流电，称为整流 。l而到受端又必须将直流电变换为交流电，而到受端又必须将直流电变换为交流电，称为逆变，它们统称为换流。称为逆变，它们统称为换流。 l实现这种电力变换的技术就是我们所说实现这种电力变换的技术就是我们所说的直流输电换流技术。的直流输电换流技术。 l由于直流输电的传输容量大，输电电压由于直流输电的传输容量大，输电电压高，

5、要实现这种电力变换，需要有高电高，要实现这种电力变换，需要有高电压，大容量的换流设备，通常这种设备压，大容量的换流设备，通常这种设备称为换流阀称为换流阀 。l本本课程课程所所讲讲的换流技术，主要是目前在的换流技术，主要是目前在直流输电工程中广泛采用的，以晶闸管直流输电工程中广泛采用的，以晶闸管换流阀为换流元件的电网换向换流技术。换流阀为换流元件的电网换向换流技术。 l晶闸管（晶闸管（ThyristorThyristor），），又称作可控硅整流又称作可控硅整流器（器（Silicon Controlled RectifierSilicon Controlled Rectifier），），l在电力二

6、极管开始得到应用后不久在电力二极管开始得到应用后不久 ，19561956年美国贝尔实验室发明了晶闸管年美国贝尔实验室发明了晶闸管 l19571957年美国通用电气公司开发出了世界年美国通用电气公司开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于上第一只晶闸管产品，并于19581958年使其年使其商业化。商业化。 晶闸管正常工作时的特性如下：晶闸管正常工作时的特性如下： l当晶闸管承受反向电压时，不论门极是当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通否有触发电流，晶闸管都不会导通。 l当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通触发电

7、流的情况下晶闸管才能导通 l晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通都保持导通 l若要使已导通的晶闸管关断，只能利用若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。的电流降到接近于零的某一数值以下。 a)晶闸管外形晶闸管外形 b)结构结构 c)电气图形符号电气图形符号 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 l直流输电换流站由基本换流单元组成，直流输电换流站由基本换流单元组成，基本换流单元是在换流站内允许

8、独立运基本换流单元是在换流站内允许独立运行，进行换流的换流系统，主要包括换行，进行换流的换流系统，主要包括换流变压器，换流器，相应的交流滤波器流变压器，换流器，相应的交流滤波器和直流滤波器以及控制保护装置等和直流滤波器以及控制保护装置等 。l目前工程上所采用的基本换流单元有目前工程上所采用的基本换流单元有6 6脉脉动换流单元和动换流单元和1212脉动换流单元两种。它脉动换流单元两种。它们的主要区别在于所采用的换流器不同，们的主要区别在于所采用的换流器不同，前者采用前者采用6 6脉动换流器（三相桥式换流回脉动换流器（三相桥式换流回路），而后者则采用路），而后者则采用1212脉动换流器（由脉动换流

9、器（由两个交流侧电压相位差两个交流侧电压相位差3030的的6 6脉动换流脉动换流器所组成）。器所组成）。 l采用晶闸管换流阀以后，由于换流阀是采用晶闸管换流阀以后，由于换流阀是多个晶闸管串联组成，可以方便的利用多个晶闸管串联组成，可以方便的利用不同的晶闸管串联数而得到不同的换流不同的晶闸管串联数而得到不同的换流阀电压，从而可得到不同电压的阀电压，从而可得到不同电压的1212脉动脉动换流器换流器 l因此，绝大多数直流输电工程均采用因此，绝大多数直流输电工程均采用1212脉动换流器作为基本换流单元，这样可脉动换流器作为基本换流单元，这样可以简化滤波装置，减小换流站占地面积，以简化滤波装置，减小换流

10、站占地面积，降低造价。降低造价。 6脉动整流器原理接线图脉动整流器原理接线图 6脉动整流器电压和电流波形图脉动整流器电压和电流波形图 6脉动逆变器原理接线图脉动逆变器原理接线图 12脉动换流单元原理接线图脉动换流单元原理接线图 (a)双绕组换流变压器双绕组换流变压器 (b)三绕组换流变压器三绕组换流变压器 l直流输电工程的系统结构可分为两端直直流输电工程的系统结构可分为两端直流输电系统和多端直流输电系统两大类。流输电系统和多端直流输电系统两大类。 l两端直流输电系统是只有一个整流站和两端直流输电系统是只有一个整流站和一个逆变站的直流输电系统，即只有一一个逆变站的直流输电系统，即只有一个送端和一

11、个受端，它与交流系统只有个送端和一个受端，它与交流系统只有两个连接端口，是结构最简单的直流输两个连接端口，是结构最简单的直流输电系统。电系统。 l多端直流输电系统与交流系统有三个或多端直流输电系统与交流系统有三个或三个以上的连接端口，它有三个或三个三个以上的连接端口，它有三个或三个以上换流站以上换流站。l两端直流输电系统的构成主要有整流站，两端直流输电系统的构成主要有整流站，逆变站和直流输电线路三部分。逆变站和直流输电线路三部分。 l对于可进行功率反送的两端直流输电工对于可进行功率反送的两端直流输电工程，其换流站既可以作为整流站运行，程，其换流站既可以作为整流站运行，又可以作为逆变站运行。又可

12、以作为逆变站运行。 l功率正送时的整流站在功率反送时为逆功率正送时的整流站在功率反送时为逆变站，而正送时的逆变站在反送时为整变站，而正送时的逆变站在反送时为整流站。流站。 两端直流输电系统构成原理图两端直流输电系统构成原理图 l两端直流输电系统又可分为单极系统，两端直流输电系统又可分为单极系统，双极系统，背靠背直流系统三种类型双极系统，背靠背直流系统三种类型 单极直流输电系统接线示意图单极直流输电系统接线示意图 双极直流输电系统接线示意图双极直流输电系统接线示意图 l背靠背直流系统是输电线路长度为零背靠背直流系统是输电线路长度为零（即无直流输电线路）的两端直流输电（即无直流输电线路）的两端直流

13、输电系统。它主要用于两个非同步运行（不系统。它主要用于两个非同步运行（不同频率或频率相同但非同步）的交流电同频率或频率相同但非同步）的交流电力系统的联网，也称非同步联络站。力系统的联网，也称非同步联络站。 l背靠背直流输电系统的主要特点是直流背靠背直流输电系统的主要特点是直流侧可选择低压大电流，充分利用大截面侧可选择低压大电流，充分利用大截面晶闸管的流通能力，同时直流侧设备也晶闸管的流通能力，同时直流侧设备也因直流电压低使其造价也相应降低。因直流电压低使其造价也相应降低。 l多端直流输电系统是由三个或三个以上换多端直流输电系统是由三个或三个以上换流站以及连接换流站之间的高压输电线路流站以及连接

14、换流站之间的高压输电线路所组成。它与交流系统有三个或三个以上所组成。它与交流系统有三个或三个以上连接端口。多端系统可以解决多电源供电连接端口。多端系统可以解决多电源供电或多落点受电的输电问题，它还可以联系或多落点受电的输电问题，它还可以联系多个交流系统或者将交流系统分成多个孤多个交流系统或者将交流系统分成多个孤立运行的电网。立运行的电网。 高压直流输电的优点 ：l直流输电架空线路只需要正负两极导线，直流输电架空线路只需要正负两极导线，杆塔结构简单、线路造价低、损耗小。杆塔结构简单、线路造价低、损耗小。与交流电相比，输送同样的功率，直流与交流电相比，输送同样的功率，直流架空线路可节省约架空线路可

15、节省约1/31/3的钢芯铝线，的钢芯铝线，1/32/31/32/3的钢材，线路造价为交流输电的的钢材，线路造价为交流输电的2/32/3，并且在此条件下其线路损耗约为交，并且在此条件下其线路损耗约为交流的流的2/32/3。同时直流输电所占的线路走廊。同时直流输电所占的线路走廊也较窄。也较窄。 高压直流输电的优点 ：l直流电缆线路输送容量大、造价低、损直流电缆线路输送容量大、造价低、损耗小，不易老化、寿命长，且输送距离耗小，不易老化、寿命长，且输送距离不受限制。电缆耐受直流电压的能力比不受限制。电缆耐受直流电压的能力比耐受交流电压的能力高耐受交流电压的能力高3 3倍以上，因此同倍以上，因此同样绝缘

16、强度和芯线截面的电缆，用于直样绝缘强度和芯线截面的电缆，用于直流输电比用于交流输电容量要大很多。流输电比用于交流输电容量要大很多。直流电缆线路只需要一根或两根电缆，直流电缆线路只需要一根或两根电缆，而交流线路则需要三相三根电缆。因此而交流线路则需要三相三根电缆。因此直流电缆线路的造价要比交流低许多。直流电缆线路的造价要比交流低许多。 高压直流输电的优点 ：l 直流输电无需同步运行，不存在交流输直流输电无需同步运行，不存在交流输电的稳定问题，其输送容量和距离将不电的稳定问题，其输送容量和距离将不受同步运行稳定性的限制，有利于远距受同步运行稳定性的限制，有利于远距离大容量输电。离大容量输电。 l直

17、流电缆的损耗主要是电阻损耗，而交直流电缆的损耗主要是电阻损耗，而交流电缆除电阻损耗外，还有绝缘中的介流电缆除电阻损耗外，还有绝缘中的介质损耗和铅皮及铠装中的磁感应损耗。质损耗和铅皮及铠装中的磁感应损耗。电缆线路的对地电容要比架空线路大很电缆线路的对地电容要比架空线路大很多，对于交流线路由此所产生的电容电多，对于交流线路由此所产生的电容电流很大，势必降低电缆的有效负荷能力。流很大，势必降低电缆的有效负荷能力。 高压直流输电的优点 ：l采用直流输电实现电力系统之间的非同采用直流输电实现电力系统之间的非同步联网，可以不增加被连电网的短路容步联网，可以不增加被连电网的短路容量，不需要由于短路容量的增加

18、而要更量，不需要由于短路容量的增加而要更换断路器以及电缆要求采取限流的措施；换断路器以及电缆要求采取限流的措施；被联电网可以是额定频率不同的电网，被联电网可以是额定频率不同的电网，也可以是额定频率相同但非同步运行的也可以是额定频率相同但非同步运行的电网；被联电网可以保持自己的电能质电网；被联电网可以保持自己的电能质量而独立运行，不受联网的影响；被联量而独立运行，不受联网的影响；被联电网之间交换的功率可以方便的进行控电网之间交换的功率可以方便的进行控制，有利于运行和管理。制，有利于运行和管理。 高压直流输电的优点 ：l直流输电输送的有功和换流器消耗的无直流输电输送的有功和换流器消耗的无功均可进行

19、控制，可利用这种快速可控功均可进行控制，可利用这种快速可控性来改善交流系统的运行性能。根据交性来改善交流系统的运行性能。根据交流系统在运行中的要求，可快速增加或流系统在运行中的要求，可快速增加或减少直流输送的有功和换流器消耗的无减少直流输送的有功和换流器消耗的无功，对交流系统的有功平衡和无功平衡功，对交流系统的有功平衡和无功平衡起快速调节作用，从而提高交流系统频起快速调节作用，从而提高交流系统频率和电压的稳定性，电能质量和电网运率和电压的稳定性，电能质量和电网运行的可靠性。对于交直流并联运行的输行的可靠性。对于交直流并联运行的输电系统，还可以利用直流的快速控制来电系统，还可以利用直流的快速控制

20、来阻尼交流系统的低频振荡，提高交流线阻尼交流系统的低频振荡，提高交流线路的输送能力。路的输送能力。 高压直流输电的优点 ：l在直流电的作用下，只有电阻起作用，在直流电的作用下，只有电阻起作用，电感和电容均不起作用，直流输电采用电感和电容均不起作用，直流输电采用大地为回路，直流电流则向电阻率很低大地为回路，直流电流则向电阻率很低的大地深层流去，可很好的利用大地这的大地深层流去，可很好的利用大地这个良导体。利用大地为回路可省去一极个良导体。利用大地为回路可省去一极的导线，同时大地的电阻率低、损耗小、的导线，同时大地的电阻率低、损耗小、运行费用也低。运行费用也低。 高压直流输电的优点 ：l直流输电输

21、送的有功及两端换流站消耗直流输电输送的有功及两端换流站消耗的无功均可用手动或自动方式进行快速的无功均可用手动或自动方式进行快速控制，有利于电网的经济运行和现代化控制，有利于电网的经济运行和现代化管理。管理。 l直流输电可方便的进行分期建设和增容直流输电可方便的进行分期建设和增容扩建，有利于发挥投资效益。扩建，有利于发挥投资效益。 高压直流输电的缺点 ：l直流输电换流站比交流变电站的设备多、直流输电换流站比交流变电站的设备多、结构复杂、造价高、损耗大、运行费用结构复杂、造价高、损耗大、运行费用高、可靠性也较差。由于设备多，换流高、可靠性也较差。由于设备多，换流站的损耗和运行费用也相应增加，同时站

22、的损耗和运行费用也相应增加，同时换流站的运行和维护也较复杂，对运行换流站的运行和维护也较复杂，对运行人员的要求也较高。人员的要求也较高。 高压直流输电的缺点 ：l换流器对交流侧来说，除了是一个负荷换流器对交流侧来说，除了是一个负荷或电源以外，它还是一个谐波电流源。或电源以外，它还是一个谐波电流源。它畸变交流电流波形，向交流系统发出它畸变交流电流波形，向交流系统发出一系列的高次谐波电流，同时也畸变了一系列的高次谐波电流，同时也畸变了交流电压波形。另一方面，换流器对直交流电压波形。另一方面，换流器对直流侧还是一个谐波电压源，畸变直流电流侧还是一个谐波电压源，畸变直流电压波形、向直流侧发出一系列的谐

23、波电压波形、向直流侧发出一系列的谐波电压，在直流线路上产生谐波电流。压，在直流线路上产生谐波电流。 高压直流输电的缺点 ：l晶闸管换流器在进行换流时需消耗大量晶闸管换流器在进行换流时需消耗大量的无功功率（约占直流输送功率的的无功功率（约占直流输送功率的40%60%40%60%），每个换流站均需装设无功补），每个换流站均需装设无功补偿设备。这同样要增加换流站的投资和偿设备。这同样要增加换流站的投资和运行费用。运行费用。 高压直流输电的缺点 ：l直流断路器由于没有电流过零点可以利用，灭直流断路器由于没有电流过零点可以利用，灭弧问题难以解决，给制造带来困难。弧问题难以解决，给制造带来困难。 l直流输

24、电利用大地（或海水）为回路而直流输电利用大地（或海水）为回路而带来的一些技术问题。如接地极附近的带来的一些技术问题。如接地极附近的直流电流对金属构件、管道、电缆等埋直流电流对金属构件、管道、电缆等埋设物的电腐蚀问题；地中直流电流通过设物的电腐蚀问题；地中直流电流通过中性点接地变压器使变压器饱和所引起中性点接地变压器使变压器饱和所引起的问题；对通信系统和航海磁性罗盘的的问题；对通信系统和航海磁性罗盘的干扰等。干扰等。 直流输电的应用主要在以下几个方面：直流输电的应用主要在以下几个方面：l远距离大容量输电。远距离大容量输电。 l通常规定，当直流输电线路和换流站的通常规定，当直流输电线路和换流站的造

25、价与交流输电造价与交流输电线路和变电站的造价相线路和变电站的造价相等时的输电距离为等价距离等时的输电距离为等价距离 l等价距离与直流和交流输电线路的造价，等价距离与直流和交流输电线路的造价，换流站和变电站的造价，系统的损耗和换流站和变电站的造价，系统的损耗和运行费用，损耗的电能价格等一系列经运行费用，损耗的电能价格等一系列经济指标有关。目前的等价距 离 约 为济指标有关。目前的等价距 离 约 为600800600800kmkm，而电缆线路约为而电缆线路约为20402040kmkm。 直流输电的应用主要在以下几个方面：直流输电的应用主要在以下几个方面：l电力系统联网。电力系统联网。 电力系统发展

26、的规律趋势必走向联网，因电力系统发展的规律趋势必走向联网，因为它有利于资源的优化置和应用，可以得为它有利于资源的优化置和应用，可以得到很好的联网效益。用传统的交流方式联到很好的联网效益。用传统的交流方式联网将形成同步运行的大电网，可以取得联网将形成同步运行的大电网，可以取得联网效益，但也带来一些大电网存在的问题，网效益，但也带来一些大电网存在的问题，如稳定问题，故障后可能引起的大面积停如稳定问题，故障后可能引起的大面积停电，短路容量增大问题等。采用直流输电电，短路容量增大问题等。采用直流输电联网，既可以取得联网效益，又能避免大联网，既可以取得联网效益，又能避免大电网带来的问题，同时还能改善原交

27、流电电网带来的问题，同时还能改善原交流电网的运行性能。网的运行性能。 直流输电的应用主要在以下几个方面：直流输电的应用主要在以下几个方面：l直流电缆输电直流电缆输电 直流电缆没有电容电流，输送容量不受距直流电缆没有电容电流，输送容量不受距离的限制，而交流电缆由于电容电流很大，离的限制，而交流电缆由于电容电流很大，其输送距离将受到限制。因此，远距离大其输送距离将受到限制。因此，远距离大容量跨海峡的海底电缆送电大部分均采用容量跨海峡的海底电缆送电大部分均采用直流电缆。大城市的用电密度高，人口稠直流电缆。大城市的用电密度高，人口稠密，架空线路的走廊难以选择。采用高压密，架空线路的走廊难以选择。采用高

28、压直流地下电缆将远处的电力送往大城市的直流地下电缆将远处的电力送往大城市的负荷中心是一种有竞争力的选择方案。负荷中心是一种有竞争力的选择方案。 直流输电的应用主要在以下几个方面：直流输电的应用主要在以下几个方面：l现有交流线路增容改造现有交流线路增容改造 一些地区高压架空线路的走廊的选择越来一些地区高压架空线路的走廊的选择越来越困难。直流输电的输电密度比交流输电越困难。直流输电的输电密度比交流输电大，改建现有交流输电线路为直流输电线大，改建现有交流输电线路为直流输电线路是利用已有的线路走廊，提高输电能力路是利用已有的线路走廊，提高输电能力值得考虑的办法。当选择交、直流输电线值得考虑的办法。当选

29、择交、直流输电线路的电流密度相等时，架空线路可提高输路的电流密度相等时，架空线路可提高输送容量送容量1.52.51.52.5倍，而电缆线路则可提高倍，而电缆线路则可提高3535倍。倍。 直流输电的应用主要在以下几个方面：直流输电的应用主要在以下几个方面：l轻型直流输电轻型直流输电 轻型直流输电是轻型直流输电是2020世纪世纪9090年代开始发展的一种年代开始发展的一种新型直流输电工程，它采用脉宽调制（新型直流输电工程，它采用脉宽调制（PWMPWM）技术，应用绝缘栅双极晶体管（技术，应用绝缘栅双极晶体管（IGBTIGBT）组成的组成的电压源换流器进行换流。由于功能强、体积小，电压源换流器进行换流

30、。由于功能强、体积小，可减少换流站的设备、简化结构，从而称之为可减少换流站的设备、简化结构，从而称之为轻型直流输电。它主要应用于向孤立的远方小轻型直流输电。它主要应用于向孤立的远方小负荷区供电，小型水电站或风力发电站与主干负荷区供电，小型水电站或风力发电站与主干电网的连接、小型背靠背换流站以及输送功率电网的连接、小型背靠背换流站以及输送功率较小的配电网络。较小的配电网络。高压直流输电工程额定值：高压直流输电工程额定值： l额定直流功率额定直流功率是指在所规定的系统条件和是指在所规定的系统条件和环境条件范围内，在不投入备用设备的情环境条件范围内，在不投入备用设备的情况下，直流输电工程连续输送的有

31、功功率。况下，直流输电工程连续输送的有功功率。 l额定直流电流额定直流电流是直流输电系统直流电流的是直流输电系统直流电流的平均值，它应能在规定的所有系统条件和平均值，它应能在规定的所有系统条件和环境条件下长期连续运行，没有时间限制。环境条件下长期连续运行，没有时间限制。 l额定直流电压额定直流电压是在额定直流电流下输送额是在额定直流电流下输送额定直流功率所要求的直流电压的平均值。定直流功率所要求的直流电压的平均值。 l高压直流输电最小输送功率高压直流输电最小输送功率 直流输电工程的最小输送功率取决于工程的最直流输电工程的最小输送功率取决于工程的最小直流电流，而最小直流电流是由直流断续电小直流电

32、流，而最小直流电流是由直流断续电流来决定的。换流器的直流输出电压是由多段流来决定的。换流器的直流输出电压是由多段交流正弦波电压所组成，因此直流电流也不是交流正弦波电压所组成，因此直流电流也不是平直的，而是叠加有波纹的。当直流电流的平平直的，而是叠加有波纹的。当直流电流的平均值小于某一定值时，直流电流波形可能出现均值小于某一定值时，直流电流波形可能出现间断。因此，直流输电工程规定有最小直流电间断。因此，直流输电工程规定有最小直流电流限值。流限值。对应对应可得到最小直流输送功率可得到最小直流输送功率。l高压直流输电降压运行高压直流输电降压运行 直流输电工程具有可以降低直流电压运行的性直流输电工程具有可以降低直流电压运行的性能。直流输电的电压可以通过改变换流器的触能。直流输电的电压可以通过改变换流器的触发角发角来进行控制。在运行中直流电压可以快来进行控制。在运行中直流电压可以快速方便的在其最大值和最小值之间进行变化。速方便的在其最大值和最小