直流输电稳态特性

+_+_+_+_+_+_整流器等效电路逆变器等效电路整流电路等效电路图第1页/共69页第一页，共70页。直流电流：（1）其中，理想空载直流电压：（2）或直流功率：（3）结论：可以通过改变角度和交流电压数值来调节输出电流和输出功率。第2页/共69页第二页，共70页。3.1直流输电工程额定值一、额定值的概念直流输电工程的额定值主要是指工程在长期连续运行时的输送能力，以功率额定值、电压额定值和电流额定值来表示，它们分别被称为工程的额定功率、额定电压和额定电流。第3页/共69页第三页，共70页。

额定值是进行工程设计、设备参数选择以及决定工程造价的基础参数。在进行工程设计时，对工程的过负荷额定值、降压运行额定值和功率倒送额定值也需作出规定。第4页/共69页第四页，共70页。

额定直流功率是指在所规定的系统条件和环境条件的范围内，在不投入备用设备的情况下，直流输电工程连续输送的有功功率。直流输电工程是以一个“极”为一个独立运行单位。每个极的额定直流功率为极的额定直流电压和额定直流电流的乘积。二、额定直流功率±500kV,1200MW,1.2kA1045km葛洲坝南桥第5页/共69页第五页，共70页。额定直流功率的测量点:1）常规测量点：在整流站的直流母线处2）其它测量点：需要特别规定逆变站直流母线处；整流站的交流母线处；逆变站的交流母线处；直流输电线路某处第6页/共69页第六页，共70页。在额定直流功率和输电距离确定的条件下，可以对额定直流电压进行优化选择。额定直流电压选定后，则自然就有了额定直流电流，因为它等于额定直流功率除以额定直流电压。逆变站直流母线的额定功率和额定电压是从整流站的数值中减去直流线路损耗或线路压降而得到的。额定直流功率的测量点在整流站的直流母线处。第7页/共69页第七页，共70页。

通常背靠背直流输电工程，由于无直流输电线路，可以选择较低的额定直流电压和较大的额定直流电流；而远距离输电直流输电工程，则选择较高的额定直流电压和较小的额定直流电流。三、额定直流电流

额定直流电流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环境条件下长期连续运行，没有时间的限制。额定直流电流对设备类型、参数以及换流站冷却系统的设计具有重要意义。当额定直流功率确定后，额定直流电流通常是由额定直流电压的选择来确定。第8页/共69页第八页，共70页。四、额定直流电压

概念：额定直流电压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。额定直流电压是定义在换流站的额定交流电压、换流变压器额定抽头以及换流器额定触发角的条件下，运行在额定直流电流下的直流电压。

通常规定送端整流站的额定直流电压为工程的额定直流电压

换流站额定直流电压的测量点规定在换流站直流高压母线上的平波电抗器线路侧和换流站的直流低压母线之间，接地极引线除外。

直流输电工程的额定直流电压目前没有形成电压等级的系列，对每一个直流工程进行额定直流电压的优化选择.200、250、266、270、350、400、450、500、533、600kv…..第9页/共69页第九页，共70页。3.2直流输电最小输送功率P=UI

直流输送功率为直流电压和直流电流的乘积，当最小直流电流确定后，则可得到最小直流输送功率。

直流输电工程的最小输送功率主要取决于工程的最小直流电流，而最小直流电流则是由直流断续电流来决定的。

直流电流不是平直的，而是叠加有波纹的。电流波纹的幅值取决于直流电压的波纹幅值、直流线路参数以及平波电抗器电感值等。ud1u2idwtOwtOwtOuaa=0°ubucwt1iVT1第10页/共69页第十页，共70页。

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间断，即直流电流出现断续现象。这种电流断续的状态，对于直流输电工程是不能允许的。因为电流断续将会在换流变压器、平波电抗器等电感元件上产生很高的过电压。

直流输电工程规定有最小直流电流限值，通常取等于或大于连续电流临界值的两倍。第11页/共69页第十一页，共70页。6脉动换流器和12脉动换流器的连续电流临界值可分别用下式计算：

在进行直流输电工程设计时，先选定最小直流电流值，然后利用上式对所选的平波电感值进行核算。最小直流电流选择为其额定直流电流的5%~10%。第12页/共69页第十二页，共70页。

大部分直流输电工程，在选定的平波电感值情况下，降压运行不需要提高最小直流电流值。由于降压运行时直流电压的降低，当最小直流电流不变时，直流工程的最小输送功率也将相应减小。第13页/共69页第十三页，共70页。3.3直流输电过负荷决定于直流电流。

在直流输电工程设计时，出了额定功率、额定电压。额定电流规定外，还需对其过负荷能力进行规定。根据系统运行需要，过负荷形式分为：直流输电过负荷:通常指直流电流高于其额定值过负荷能力:

指直流电流高于其额定值的大小和持续时间的长短，用电流来表示，但是也可以用功率来表示。一般过负荷情况下，还需要考虑设备使用寿命的降低以及备用冷却设备和低于所规定的环境温度的利用等。换流设备的过负荷能力：第14页/共69页第十四页，共70页。（1）连续过负荷概念：是指直流电流高于额定直流电流连续送电的能力可能出现情况：

1）双极中一极故障长期停运

2）电网的负荷或电源出现超计划水平时采用数量关系：1）最高温下投入备用冷却设备时，约为额定直流电流的1.05～1.10倍

2）环境温度降低下，约为1.2倍第15页/共69页第十五页，共70页。概念：是指直流电流再一段时间内高于额定直流电流的能力，通常选择2h为短期过负荷连续运行时间。可能出现情况：1）设备短时间故障

2）系统调度或者系统要求关键限制因素：1）晶闸管换流阀2）冷却系统平波电抗器、变压器不是该负荷限制因素数量关系：短期过负荷额定值取直流电流额定值的1.10倍。（2）短期过负荷第16页/共69页第十六页，共70页。（3）暂态过负荷为满足利用直流输电的快速控制来提高交流系统暂态稳定的要求，在数秒钟内直流电流高于其额定值的能力。持续时间一般为3～10s概念：可能出现情况：

1）交流系统发生大扰动，需要直流系统快速提高输送能量

2）利用直流功率调制功能，来阻尼交流系统的低频振荡关键限制因素：1）晶闸管（平波电抗器、变压器不是该负荷限制因素）数量关系：1）常规设计中，晶闸管5s过负荷为1.3倍

2）天－广、三－常等达到1.5倍第17页/共69页第十七页，共70页。过负荷设计时考虑因素：（1）环境温度（重要）电力设备的额定值通常是设计在最高环境温度下的，而最高温度只在有限的时间内发生，在低于此温度时，就有一些可以提高输送容量的余度。1－备用冷却装置未投入运行2－备用；冷却装置投入运行第18页/共69页第十八页，共70页。

热时间常数小的设备，应考查各种过负荷运行条件下的温度值不能超过其安全运行的温度值。如：换流阀需计算在过负荷情况下产生的热量以及冷却系统的要求。一般晶闸管只有几秒到几分钟；（2）设备的热时间常数（3）谐波

热时间常数大的设备，依情况而定。如油冷换流变压器、平波电抗器等可不考虑暂态过负荷,其热时间常数约为15min谐波电流增大，使滤波器的谐波负荷和损耗增加谐波的干扰水平增加（4）无功功率第19页/共69页第十九页，共70页。3.4直流输电降压运行直流输电工程降低直流电压运行的两种情况：1）由于绝缘问题需要降低直流电压；

2）由于无功功率控制需要降低直流电压。

通常降压方式的额定电压取为额定直流电压的70%~80%，此时的触发角a约为40°~50°。

如±500kV的双极直流输电工程，降压方式的额定直流电压可取±350kV~±400kV。第20页/共69页第二十页，共70页。在降压运行时，直流电流值的选择：2.在不增加换流站造价的前提下，降压方式应尽量争取较大的直流电流来保持较大的直流输送功率。如：1）当利用备用冷却设备时，直流电压降低到其额定值的75%，直流输电工程通常可以在其额定电流下连续运行。此时的谐波干扰水平会有所增加，但一般时可以接受的。2）通常直流电压降低到80%，可以不降低额定直流电流，而降低到70%时，则大部分工程需要降低额定直流电流。1.为保证谐波干扰水平，换流站的无功平衡以及换流站的损耗在所允许的范围内，经常同时也要求降低额定直流电流值。如：电压降70％，电流也降70％。第21页/共69页第二十一页，共70页。直流输电工程所采用的降压方法主要有以下几种：

加大整流器的触发角a或逆变器的β（或关断角）;优点是快速、方便、容易实现，是工程普遍采用的一种方法通常a角的额定值为15°左右，降压方式下a角最好能在40°以下。常与换流变压器的抽头调节配合使用。1）

利用换流变压器的抽头调节来降低换流器的交流侧电压，从而达到降低直流电压的目的。抽头调节的范围有一定的限制，通常在20%左右。操作需要一定的时间（约几秒钟），比改变a角要慢。2）第22页/共69页第二十二页，共70页。3）

当直流输电工程每极有两组基本换流单元串联连接时，可以利用闭锁一组换流单元的方法，使直流电压降低50%4）

当直流输电工程由孤立的电厂供电或者整流站采用发电机—变压器—换流器的单元接线方式时，可以考虑利用发电机的励磁调节系统来降低换流器交流侧的电压，从而达到降低直流电压的目的第23页/共69页第二十三页，共70页。3.5直流输电功率反送概念：

直流输电的潮流方向和输送功率的大小则是人为的由其控制系统来进行控制。直流输电输送功率的大小和方向均是可控的。直流输电的功率反送也称潮流反转。潮流反转需要改变两端换流站的运行工况，将运行于整流状态的整流站变为逆变运行，而运行于逆变状态的逆变站变为整流运行。第24页/共69页第二十四页，共70页。

由于换流阀的单向导电性，直流回路中的电流方向时不能改变的。因此直流输电的潮流反转不是改变电流方向，而是改变电压极性来实现。例如，对于双极直流输电工程，假定正向送电时极1为正极性，极2为负极性；而在反向送电时，则极1为负极性，极2为正极性。第25页/共69页第二十五页，共70页。按工程对潮流反转的要求不同，可分以下几种类型：（1）不需要功率反送的直流输电工程；（2）要求正、反两方向具有同样输送能力的直流输电工程。（3）要求工程具有正反两方向送电的功能，正向输送额定直流功率，对反向输送能力无明确要求，即反向输送能力可以降低。直流输电工程分类：第26页/共69页第二十六页，共70页。（1）正常潮流反转。在正常运行时，当两端交流系统的电源或负荷发生变化时，要求直流输电进行潮流反转。（2）紧急潮流反转。当交流系统发生故障，需要直流输电工程进行紧急功率支援时，则要求紧急潮流反转。

直流输电工程的潮流反转有以下两种类型：第27页/共69页第二十七页，共70页。

最方便快速的潮流反转方式是自动调换两端换流站电流调节器的整定值。通常整流站电流调节器的整定值决定直流输电工程的直流电流值，而逆变站电流调节器的整定值比整流站的小一个电流裕度值（电流裕度约为额定直流电流的10%）。潮流反转的过程：

第28页/共69页第二十八页，共70页。+_+_+_+_+_+_1）整流站因整定值变小，感到实际运行的电流大，从而自动加大触发角a，企图降低直流电流；而逆变站因整定值变大，感到实际运行的电流小，从而自动减小触发角a，企图加大直流电流。此过程中，直流电压通过线路电容放电而降低。第29页/共69页第二十九页，共70页。+_+_+_+_+_+_2）当整流站a加大到大于90，整流器则变为逆变器运行，而逆变站a减小到小于90，逆变站则变成整流站运行，同时会改变电压极性，此时由功率方向控制回路将两换流站的功率方向标志反转，使两站控制保护系统中的调节器和保护功能配置切换。第30页/共69页第三十页，共70页。+_+_+_+_+_+_3）现在的整流站因为感觉到实际运行的电流小，仍继续减少a角，使直流电流整定值为止，现在的逆变器已转为逆变运行，其电流器退出运行，转为定γ关断角控制。直到γ角（或直流电压）等于其整定值为止。第31页/共69页第三十一页，共70页。

在反转过程中的放电电流和充电电流均为两端换流站电流调节器的电流裕度值ΔIM，直流线路的等值电容为C，并忽略控制系统的相应时间，则用下式近似估算潮流反转时间T：第32页/共69页第三十二页，共70页。3.6直流输电稳态运行特性

直流输电工程的稳态运行特性主要包括在运行中换流器的外特性、功率特性和谐波特性，本节主要讲换流器外特性和功率特性。一、换流器运行外特性

换流器外特性也称伏安特性，它是指换流器的直流电压和直流电流的关系，即随着直流电流的变化换流器直流电压的变化规律，可用方程式或曲线来表示。

在实际工程中，直流输电两端换流站均装设有功能完善的控制保护装置。在控制保护系统的作用下，整流器和逆变器的外特性将有很大变化。（图3-3、3-4）第33页/共69页第三十三页，共70页。换流器工作在不同方式下组合的外特性图第34页/共69页第三十四页，共70页。1.定触发角控制2.定直流电流控制3.定直流功率控制4.定γ角控制5.定直流电压控制6.无功功率控制还可以有一些附加功能：低压限流功能、交流系统调频、对交流系统进行紧急功率支援、阻尼低频振荡或次同步振荡的功能等。运行中换流器主要控制方式：第35页/共69页第三十五页，共70页。1.定触发角控制

控制特性方程：

特点：关于a的下倾的直线簇。a增加，向下平移。通常：o控制特性曲线第36页/共69页第三十六页，共70页。2.定（直流）电流控制

控制特性方程：

选为控制对象的原因：控制特性曲线有效限制故障时的上升。

的变化主要由决定；HVDC系统第37页/共69页第三十七页，共70页。定电流控制电路原理图

＋电流调节器相位调节器非线性补偿器测量－△Id0IdIde－Id△Id＋△α’△ααId+Vd_LdId第38页/共69页第三十八页，共70页。3.定直流功率控制

在运行中由功率调节器的整定值，自动调节触发角，来改变直流电流，从而保持直流功率等一其功率整定值，直流功率控制通常装在整流侧。第39页/共69页第三十九页，共70页。

控制特性方程：通常：

特点：关于γ的下倾的直线簇。γ增加，向下平移。o控制特性曲线4.定γ角控制第40页/共69页第四十页，共70页。5.定（直流）电压控制

控制特性方程：

选为控制对象的原因：控制特性曲线1)减少逆变站发生“电压不稳定”的几率；2)配合整流站的定电流控制，实现对直流功率的控制；

HVDC系统

协调控制方式-1

三交点不稳定第41页/共69页第四十一页，共70页。6.无功功率控制

由无功功率（或交流电压）调节器，通过自动改变直流电压调节器（或定γ调节器）的整定值，来调节换流器的触发角，从而改变换流站与交流站之间交换的无功功率（或者换流站交流母线电压）在一定范围内变化。第42页/共69页第四十二页，共70页。实际直流运行控制方式：

在实际稳定运行中，两换流站之间有不同的控制方式组合，从而得到不同的外特性组合：组合1：整流器a－逆变器β优缺点：斜率小，电压小变化引起电流大变化。1－整流器2－逆变器第43页/共69页第四十三页，共70页。组合2：整流器a－逆变器γ1－整流器2－逆变器优缺点：电流稍大，引起逆变器的直流电压比换流器电压下降多，使电流Id下降更多，从而引起恶性循环。整流器无自动控制方式第44页/共69页第四十四页，共70页。组合3：整流器定Id直流电流－逆变器γ在这种控制方式下，整流器有定电流控制，保持直流电流恒定。1－整流器2－逆变器1’－整流器最小a控制优缺点：

1.利用定电流控制来防止直流电流大幅度变化。

2.逆变器定γ控制可以保持直流电压最高，从而得到好的运行条件

3.经常采用的一种方式组合第45页/共69页第四十五页，共70页。组合4：整流器定a－逆变器定电流Id1－整流器a最小2－逆变器定直流电流1’－整流器定直流电流2’－逆变器定γ

在这种控制方式下，整流器无自动控制功能。，逆变器通过直流电流调节器自动调整β逆变角来保持直流电流恒定。第46页/共69页第四十六页，共70页。组合5：整流器定直流直流－逆变器定直流电压1’

－整流器a最小2－逆变器定直流电压1－整流器定直流电流2’－逆变器定γ

在这种控制方式下，整流器由定电流调节器来控制直流电流，而逆变器由定电压控制器来控制直流电压。第47页/共69页第四十七页，共70页。组合6：整流器定直流功率－逆变器定γ1’

－整流器定电压2－逆变器定γ1－整流器定直流功率2’－逆变器定电流

在这种控制方式下，整流器定功率调节，通过电流调节器调节电流从而调节a，双曲线。第48页/共69页第四十八页，共70页。1.整流器电压控制2.最小a角控制3.定直流控制4.低电压限流5.低电压限流后定电流6.逆变器定γ控制7.电流差值控制8.定电流控制9.低电压限电流10.低电压限电流后定电流11.最大β限制，60～70°12.整流器额定直流功率13.额定1/2直流功率葛洲坝-南桥直流输电工程外特性图第49页/共69页第四十九页，共70页。

整流器定直流电流控制——逆变器定γ角控制。利用整流器的定电流控制来防止电流的大幅度变化，同时利用逆变器的定γ角控制在逆变器安全运行的条件下保持直流电压最高，从而得到最好的运行经济性能。是直流输电工程经常采用的方式组合。

实际运行中，两端换流站之间可有不同的控制方式组合，从而得到不同的外特性组合方式。第50页/共69页第五十页，共70页。1、换流器有功功率2、换流器功率因数3、换流器无功功率二、换流器功率特性

换流器的功率特性通常是指换流器在运行中消耗的无功功率与其有功功率之间的关系。第51页/共69页第五十一页，共70页。从图中得知：1.逆变器如同整流器，功率随电流波形；2.1－amin；2－aN3.功率随电流增加而增加，增到值IdPM，功率将减小；第52页/共69页第五十二页，共70页。3.7直流输电工程运行方式

直流输电工程运行方式概念：是指运行中可供运行人员进行选择的稳态运行的状态，运行方式与工程的直接侧接线方式、直流功率输送方向、直流电压方式以及直流输电系统那个的控制方式有关。

特点及意义：运行方式灵活，使运行人员能更好的依据实际情况，合理选择运行方式，发挥系统更大的作用；也可有效地提高工程运行的可靠性和经济性。第53页/共69页第五十三页，共70页。一、运行接线方式1、单极直流输电工程单极大地回线方式单极金属回线方式2、双极直流输电工程双极两端中性点接地双极一端中性点接地双极金属中线第54页/共69页第五十四页，共70页。二、全压运行与降压运行方式3.在降压方式下，换流器的触发角加大，这将使换流站的主要设备的运行条件变坏。选择原则：能全压运行时则不选择降压方式运行。降压运行方式的缺点：1.在输送同样功率的条件下，直流电压的降低则使直流电流按比例相应地增加，这将使输电系统的损耗和运行费用升高。2.在降压方式下，直流输电系统的最大输送功率将降低。第55页/共69页第五十五页，共70页。三、功率正送与功率反送方式

在设计时确定某一方向为正向送电，另一方向则为反向送电。正在运行的直流输电工程进行功率输送方向的改变称为潮流反转。正常潮流反转可以手动，也可自动进行。由调度或通过合同作出规定。紧急潮流反转由控制系统自动进行。运行人员只需对反转过程进行监视，观察潮流反转后系统的运行情况并进行必要的操作和处理。第56页/共69页第五十六页，共70页。双极直流输电工程的输送能力，在双极全压对称运行方式下最大，在单极降压方式同时降低直流电流的运行方式下最小。四、双极对称与不对称运行方式

双极对称运行方式——指运行中两个极的直流电压和直流电流均相等的运行方式。

1.双极全压对称运行方式

2.双极降压对称运行方式

双极不对称运行方式

1.双极电压不对称方式

2.双极电流不对称方式

3.双极电压和电流均不对称方式第57页/共69页第五十七页，共70页。第58页/共69页第五十八页，共70页。五、直流输电工程控制方式控制有功功率定功率控制方式定电流控制方式控制无功功率无功功率控制方式交流电压控制方式第59页/共69页第五十九页，共70页。3.8直流输电系统损耗

直流输电工程的损耗包括两端换流站损耗、直流输电线路损耗和接地极系统损耗三部分。直流输电线路损耗：取决于输电线路的长度以及线路导线截面积的选择，对远距离输电线路通常约占额定输送容量的5%～7%，是直流输电系统损耗的主要部分。第60页/共69页第六十页，共70页。一、换流站损耗晶闸管换流阀换流变压器平波电抗器并联电容器并联电抗器交流滤波器直流滤波器站用电损耗其它分为热备用损耗和负荷损耗。损耗计算复杂。主要损耗设备：为换流变压器和晶闸管换流阀。占总损耗的71%～88%。换流站主要设备损耗：第61页/共69页第六十一页，共70页。与电压相关的损耗：1）电晕损耗2）绝缘子串的泄漏损耗与电流相关的损耗：直流电流在线路电阻上产生的损耗二、直流输电线路损耗第62页/共69页第六十二页，共70页。接地极系统损耗很小，有时可忽略不计。

直流输电的接地系统主要是为直流电流提供一个返回通路，在运行中也会产生损耗。为避免直流电流对换流站附近地下金属物的电化学腐蚀，通常接地极均远离换流站数十公里。因此从换流站到接地极之间还需要架设接地极线路（也称接地极引线）。接地极及其引线称为接地极系统。接地极系统的损耗与直流输电系统的运行方式有关。主要考察在接地极系统中流过的直流电流大小。损耗包括：接地极线路损耗和接地极损耗。三、接地极系统损耗第63页/共69页第六十三页，共70页。思考题1、名词解释额定直流电压、额定直流电流、额定直流功率、潮流反转2、直流输电工程为什么不允许电流断续？3、直流输电降压运行的目的是什么？降压运行的方法有哪些？4、直流输电潮流反转的方式是什么？潮流反转方式的顺序控制有哪几个步骤？5、高压直流输电系统是由哪五个部分构成？6、什么是换相重叠？这它是如何产生的？第64页/共69页第六十四页，共70页。第65页/共69页第六十五页