超高压直流输电技术_课件.pdf

回 一、发展特高压电网的必要性 二、宜流输电技术的发展 三、宜流输电与交流输电的性药邑比较、高压克流输电系统的结构和元件18:56H 3 E 1-净展特高生电网的必哭性电压等级的划分：交流：330kV 500kV 和 750kV-超高压；1000kV-特高压。直流：500kV 600kV-超高压；660kV、800kV 和 1000kV 特高压。H 3 E一、发展特高压电网的必要性1、发展特高压电网是满足电力持续快速增长的客观需要。随着国民经济的持续快速发展，我国电力工 业呈现加速发展态势，近几年发展更加迅猛。按照在 建规模和合理开工计划，全国装机容量2010年达到9.5 亿千瓦，2020年达到14.7亿千瓦；用电量2010年达到 4.5万亿千瓦时，2020年达到7.4万亿千瓦时。电力需 求和电源建设空间巨大，电网面临持续增加输送能力 的艰巨任务。H 3 E一、发展特高压电网的必要性1949年2020年我国发电装机容量、用电量图H 3 E一、发展特高压电网的必要性2、发展特高压电网是电源结构调整和优化布局的必然要求。我国发电能源以煤、水为主。西部地区资源丰富，全国U!分之三以上经济可开发水能资源分布在西南地区，煤炭资源三分之二以上分布在西北地区；东部地区经济发达，全国三分之二以上的电力负荷集 中在京广铁路以东经济发达地区，未来的负荷增长也 将保持这一趋势。na si e一二发展特高压电网的必要性西部能源基地与东部负荷中心距离在800-3000公里左右,容量西藏水电基地O负荷中心我国能源资源分布图H 3 E一、发展特高压电网的必要性2、发展特高压电网是电源结构调整和优化布局的必然 要求。一次能源远离负荷中心，超出现有500千伏系统的输送能力陆辫落鬻酬届斗卯森镰强距离输电系统。土地赢ML/翼副MbSJ越困难。A输送煤炭的运输压力。A环境保护面临越来越大的困难和压力。H 3 E一、发展特高压电网的必要性特高压输电具有超远距离、超大容量、低损耗送电、节约线路走廊、降低工程造价等特点。建设特高压电网，可促进大媒电、大水电、大核电、大规模可再生能源的建设，能够推进资源的集约开发 和高效利用，缓解煤炭运输和环境的压力，节约土地 资源，在全国乃至更大范围的优化配置，具有显著的 经济效益和社会效益。H 3 E二、直流输电技术的发展电力技术的发展是从直流电开始的;随着三相交流发电机、感应电动机、变压器的迅速发展，发电和用电领域很快被交流电所取代；但是直流还有交流所不能取代之处，如远 距离大容量输电，不同频率电网之间的联网、海底电缆和大城市地下电缆等。na si e二、直流输电技术的发展直流输电的发展与换流技术有密切的关系O（特别与高电压、大功率换流设备的发展）第一阶段:泵孤网换流时期1901年发明的汞孤整流管只能用于整流。1928年具有栅极控制能力的汞弧阀研制成功，它不但可用于整流，同时也斛决了逆变问题。因此大功 率汞孤阀使直流输也成为现实。1954年世界上第一个采用汞孤阀性直流输包 工程（哥特兰岛直流工程）左瑞典投入运行，1977年 最后一个采用汞弧闸换流的直流输电工程（纳东逊 河1期工程）建成。H 3 E_三戛加输B型的发展直流输电的发展与换流技术有密切的关系O（特别与高电压、大功率换流设备的发展）第一阶段:泵孤网换流时期世界上共有12项汞林闸换流的直流工程投入运行,其中最大的输送今量为1600MW（美国太平洋联 络线1期工程），最高输电电压为450kV（纳东逊 河I期工程），最长输电跖离为1362km（太平洋联络 线）但是汞林闸制造技术复杂、价格昴贵、遗孤故障率高、可靠性较差、运行维护不便等因素，使 直流输电的应用和发展受到限制。H 3 E1954 年，用于第一套 Gotland 线路的汞弧阀二、直流输电技术的发展第二阶段:晶网管阀换流时蠲 20世纪70年代以后，电力电子技术和微电子技术的 迅速发展，嵩压大功率晶网管的问世，晶网管换流 网和计算机控制技术在直流输电工程中的应用，这 些进步有效地改善了直流输电的运行性能和可集性,促进了直流输电技术的发展。H 3 E二、直流输电技术的发展第二阶盘:晶网管网换流时期第一个采用晶网管网的HVDC系统是加拿大1972年 奥立的依东河东统，运行电压80kV、输送衮量为 32OMW皆靠背直流输电余统。同,，国外输送衮量 豪大的是1984年巴西建设伊泰普水电站土 600kV超 高压直流输电工程，两回共63OOMW,线路全长 1590km oH 3 E二、直流输电技术的发展第二阶段:晶网管阀换流时蠲 2010年07月08旬正式投运的向家坝至上诲土800kV 特高压直流输电工程，是中国4主研发、设计和建 设的，是世界上电压等级豪高、领定参量景文 6400MW（景大希送能力7000MW）,送电距喜景迹 1907km、额走电流达到4000A、技术水平来先进的 直流输电工程，代表了当今世界高压直流输电技术 的聚高水平。H 3 E_三戛加输B型的发展晶河管换流阀的特点：体积成小、成本降低；可靠性提高；晶网管换流网没有逆瓠故障，而且制造、试睑、运行维护和检修都比汞弧网简单而方便。H 3 E型隹然电花唱囚回国_三戛加输B型的发展 第三阶筮新型车导体揍流谀答的应用 20世纪90年代以后，IGBT得到广泛应用，1997年 世界上第一个采用IGBT组成电压嫄换流器的直流 输电工程左鼎典投入运行。目前，世界上录大的IGBT轻型HVDC是北欧地区 的Estlink诲底电箱工程，运卷电压150kV,传输 衮量350MW,电箱全长105km。H 3 E_三戛加输B型的发展 第三阶设新型车导体换流谀备的应用 LHVDC采用IGBT器件组成换流器，功能强、体 余小，可以喊少换流站的滤波装置，而去了换流 变压器，整个换流延可以搬迂。此外，采用可关 断器件换流器，可以避免换相失败。但是IGBT功率小、演耗大，不利于大型直流输电 工程采用。录新研制的门板换相晶网管CIGCTJ 和大功率碳化硅元件，该元件电压离、通流能力 强、演耗低、可乐性离。H 3 E_三戛加输B型的发展套国金薪逐电的爱至1989年，我国4行研制的舟山直流输电工程(土 lOOkV,100MW,54km)投入运行；葛洲坝一上诲(葛 上线)是我国的第个高压直流输包工程C5OOkV,1200MW,1064km)1990 年投运。90年代末，开始建设三广直流工程、三块一常州 直流工程和贵广直流工程。三广直流工程于2004年投 运；三常直流工程 r 500kV,3000MW,962km)于2004年5月投入运行。H 3 E舟山工程地理位置大阡整流站穿山半岛圈1 舟山直流械重工程的地理位置随三广直流工程 惠州换流阀_三戛加输B型的发展套国流输电的发展云南一广东800kV直流输电工程，领定今量 5000MW,2010实现双极投运。向彖坝-上诲800千优特高压直流输包示范工程起 于四川复龙换流站，止于上诲奉贤换流站。领定输送 功率640万千瓦，最大输送功率700万千瓦；直流输电 线路途经八痞市，会长约2000公里。H 3 E特高压直流示范工程线路工程起于四川复龙换流站,安徽、浙江、江苏、上海八省市,2000公里，4次跨越长江。途经四川、重庆、湖南、湖北、止于上海奉贤换流站。全长约H 3 EHUH总交规换氏阀 玉建功SGm采鱼乙 3台二_ 1 J.-阀、7虑 v、7前变9siIII装大干 一 J 7怪组器波yv VI忘-力力八)、内 友3X台28器容W变外孕带.瞰流换高端换流变低压阀厅汽流滤波器平波也抗器500kVGTS低端换流变主控楼高压阀厅站用变备用换流变本期建设规模换流变压器2829.7万千伏安交流滤波器及无功补偿装置4组，总容 量390万千乏；500kV出线3回,采用GIS设备;_三戛加输B型的发展近期将开工的直流工程(1)呼量一过字直流工程此工程针划近期开工。这是我国第八个长 距寓、大衮量高压直流输电工程。领走直流电 压为500kV、领走直流电流3kA、领定输送直 流功率3000MW。直流线路西起内蒙呼盟、东至汉宇沈阳，全长约9O0km。通过此工程，内蒙地区的富裕能源将源源 不断地送往东北工业基地。H 3 E_三直流输电技丕的发展近期将开工的直流工程(2)字东-山东直流工程这将是是我国第九个长跑,、大衮量高压直流 输电工程。也是第九个西电东送的高压直流输电工 程。此工程领走血流电压为500kV、领走2流电流 3kA,萩文输送直流功率3000MW。直流线路西起字夏银川、东至山东潍坊，全长 约1043km。同前正处于规范书编制阶段。通过此工程，西北地区的畲裕能源将港源不断地 通往东加工业基地。H 3 E_三直流输电技丕的发展近期将开工的直流工程(3)莓胪直流工程这是我国第十个长跑禽、大衮量高压直流输电工 程。也是第十个西电东送的高压直流输电工程。计划 2010年投运。领走直流电压为500kV、领定直流 电流3kA、领走输送直流功率3000MW。直流线路西起湖北直曷荆门换流站、东至上诲胪 西换流站，全长约976km。与现在的富南直流同杆 并架(914km),共用线路走廊。节约线路大廊 5000公顷土地。H 3 E二、直流输电技术的发展近期将开工的直流工程(4)宝鸣-德阳直流工程这是我国第十一个长距毒、大衮量嵩压直 流输电工程。领走直流电压为500kV、领走直 流电流3kA、领走输送直流功率3000MW。直流线路北起陕西宝鸡、南至四川德阳,全长约550km。水火互济作用明】na 3 e_三直流输电技丕的发展近期将开工的直流工程(5)灵宝直流背靠背2期工程这是我国第。个高压直流皆靠背原网工程 O犷大西北电网和华中电网功率交换的能力。本期额定直流功率750MW,领走直流电 流3kA。建设一个12脉动125kV、750MW营 靠背换潇单元。H 3 E_三直流输电技丕的发展近期将开工的直流工程(6)锦屏苏南工程这是我国第三个长距寓、大衮量特高压直 流输电工程。也是第十一个西也东送的高压直 流输电工程。领定直流电压800kV,额走直流电流4kA,领走先功率6400MW。直流线路西起叩川 西昌换流站，东至江苏苏南换流站，线路全长 约2093kM。计划2012年8月投产。工程可研 报告已于2007年8月通过章查。H 3 E近期开工的直流输电工程H 3 E三、直流输电与交流输电的性能比较技术性可靠性ACT_ DC-尸2经济性=H 3 E三、直流输电与交流输电的性能比较3.1技术性能CU功率传输特性交流为了满足稳定问题，有需采用串补、卷补、调相机、开关站等藉拘，点时卷至不得不提高输电 电压。但是，这将增加很多电专设备，代价吊责。直流输电没有相佳和功角，不得在稳定问题，只要电压降，网损等技术指标符合要求，就可达到 传输的目的，无需考虑稳定问题，这是直流输电的 重要特点，也是它的一大优势。H 3 E三r直第输电与交我输电的性能的较3.1技术性能(2)线路故障时的自防护能力交流线路单相接地后，其靖除过程一般约 0.40.8秒，加上重合网时间，约0.61秒恢复。直流线路单极接地，整流、逆变两侧晶网管 闻立即闭礁，电压降为零，迫使直流电流冷到零，故障电孤熄天不存在电流无法过零的因难，直流 线路单极故障的恢复时间一般在0.20.35秒内oH 3 E三、直流输电与交流输电的性能比较3.1 技术性能(3)过负苻能力交流输电线路具有较需的持续运行能力，受发想 条件限制的允许最大良镇也流比正,由输电功率大的多，其景大输送缘量往往受稳定极限控制。直流线路也有一定的过负荷能力，,免制约的往往 是换流站。通南分2小时过负苻能力、10秒钟过负苻能力和囱有过负苻能力等。前两者瞽上直流工程分别为10%和25%,后者视环境温度而异。H 3 E三r直第输电与交我输电的性能的较3.1 技术性能(3)过负苻能力总的来说，就过负苻能力而言，交流有更大的灵 活性，直流如果需要更大的过负荷能力，则在设 备选型时要预先看虑，此时需要增加投资。H 3 E三r直第输电与交我输电的性能的较3.1 技术性能(3)过负苻能力总的来说，就过负苻能力而言，交流有更大的灵 活性，直流如果需要更大的过负荷能力，则在设 备选型时要预先看虑，此时需要增加投资。H 3 E三工直第输电与交我输电的性能的较3.1技术性能(4)功率控制交流输电取决于网络参数、发电机与负荷的运 行方式，值班人员需要进行调度，但又难于控制，直流输电则可全4动控制。直流输电控制未统响应快速、调节箱确、掾作方 便、能实现多目标旌制；H 3 E三r直第输电与交我输电的性能的较3.1技术性能(5)短路走量两个系统以支流互联时，将增加两侧系统的 短路衮量，有时会造成部分原有新路舞不能满足 遮新衮量要求而需要更换设备。直流互寐时，不 论在哪里发生故汗，在直流线路上增加的电流都是不大的,】此不增加交流系统的新路衮量。H 3 E三工直第输电与交我输电的性能的较3.1技术性能(6)电缄电缆绝缘用于直流的允许工作电压比用于交流 时,两偌，例如35kV的支流电箱太许*J00kV左 右直流电压下工作，所以在直流工作电压与交流 工作电压相同的情况下，直流电箱的造价边低于 交流电缆。H 3 E三r直第输电与交我输电的性能的较3.1技术性能(7)输电线路的功率损耗比较在直流输电中，直流输电线路沿线电压分布平 稳，没有电衮电流，或导线机面点相同，输送点用 功率相等的条件下，直流线路功率演拍约为交流 线路的2/3。并且不需并联电抗补径。H 3 E三r直第输电与交我输电的性能的较3.1技术性能C8J调度管理由于通过直流线路互寐的两端交流系统可以 又各4的频率，输电功率也可保持恒定r恒功率、恒电流等）o对送端而言，整流处相刍于交流余 统的一个负荷。对哭端而言，逆支站则相当于灾 流余统的一个电源。互相之间的干扰和影响小，运行管理简单方便，对我国当前发展的跻大区互 联、合同售电、合资办电等形成的联合电力系统，尤为道宜。H 3 E三、直流输电与交流输电的性能比较3.1技术性能(9)线路走廊按同电压500kV考虑,一条500kV直流输电 电线路的走廊约40m,一条500kV交流线路走廊 约为50m,但是1条同电压的直流线路输送家量约 为交流的2倍，直流输电的线路走廊其传输效率约 为交流线路的2僖卷至更多一点。H 3 E三、直流输电与交流输电的性能比较优点,1）然路量价低,走存农。2）直流输电电境输送次量大,速价低,损 耗小,不易老化，寿命长，输送距禽不受 限制。3J无同步稳定性问题，点利于长跑喜天春 量送电。4J可异步运行。H 3 E三、直流输电与交流输电的性能比较优曷I5J可以欧尊所谍交流东处运行特性。6J可分期投资走议。7）电网管理方鱼。8J可隔离故障,有利于避免大面积停电。H 3 E三、直流输电与交流输电的性能比较下列因素限制了直流输电的应用是围：CU直流新路森的费用嵩；C2J不能用变压器来改变电压等级；(3)换流设备的新用离；(4)由于产生供波，需要灾流和直流流液需，从而 增加了换流站的费用；(5)控制复杂。H 3 E三、直流输电与交流输电的性能比较克服以上缺点，依赖技术是：CU直流换流器的进展；(2)晶用管的模块化结构和额定值增加；(3)换流器采用12或24除次运行；(4)采用氧化金属支配器；(5)换流器控制采用致李和光纤技术。H 3 E三r直第输电与交我输电的性能的较3.2 可靠性整个京统的可靠性从强迫停运率和电能不可用率两个方面进行衡量。C1J强迫停运率名称交流直流交流直流单回双回单极双极单回双回单极双极线路（次/百 公里/年）0.2990.0540.1260.0550.290.0540.140.01两端换流站（次/年）0.5600.1204.800.200.60.061.40.25H 3 E三、直流输电与交流输电的性能比较3.2可靠性(2J2能不可用率名称电能不可用率(%)输电容量损失50%输电容量损失100%交流直流、交流直流线路0.750.070.0500.016变压(换流)站0.070.620.0070.002总计0.820.690.0570.018次可靠性和可用率两个指标来看，交、直流两种输 电方式是相刍的，都是可行的。H 3 E三、直流输电与交流输电的性能比较3.3经济性交、直流两种输电方式，就其造价而言，各具特色:输送宏量确定后，直流换流站的规模幽之确定,其投资也即确定下来，距寓的增加，只与线路的透价有关。交流输包则不同，随着输电距寓的增加,由于稳定、过也压等要求，需要设备中间开关站。】此，对于交流输电方式，输包距寓不单影响线路投资，同时也影响变包部分投资。na 3 e三工直第输电与交我输电的性能的较3.3 经济性C2J就变电和线路两部分看，直流输电换流站投资占 比重很大，而交流输电的输电线路投资占主要成分。(3)直流输电功率损失比交流输电小得多。(4)当输送功率增大时，直流输电可以采用提高电压、加大导线找面的办法，交流输电则往往只好增加回 路教。H 3 E直流输电与交流输电的建设费用比较高压直流输电系统的结构和元件4.1离压直流联络线的分类高压直流联络线大致分以下几类:单极解络战;(2J双极联络战;(3J同机寐络战。na 3 eI、高压直流输电系统的结构和元件，.4.1 高压直流寐络线的分类单极寐络线的基本结构如图所示，通带采用一根负的导线，而由大地或水提供回路。考虑造价，带采用这类亲统，对电熨传 输来说尤其如此。这类结构也是建立双板系统的第一步。当大地 电阻率过,，或不允许对地下r水下）金属结构产生干扰时，可 用金属回路代称大地作回路，形成金属性回路的导体处于低电压。交流系统 壬 土一交流系统金属回路可选择的）高压直流输电系统的结构和元件4丁嵩瓦直就雇蒋爱鬲芬奚双板联络线结构如图，有两根导线，一正一负，每端有两个 为领定也压的换流效串联在直流侧，两个换流器间的连接点接 地。正常时，两极也流相等，无接地电流。两极可独立运行。若因一条线路故障向导玫一板隔寓，另一极可通过大地运行，能承担一事的额定负苻，或利用换流器及线路的过我能力，承 担更多的负苻。交流系统交流系统高压直流输电系统的结构和元件双极联络线特点:1、从番电性能方面看，一条双极HVDC线路能有效地 等同于两支流传输线路。正中情况下，宅对邻近设备 的造波干扰迹小于单极联络线。通过控制（不需要 机械开关）改变两极的极性来实观潮流反向。2、各接地电流不可接矣时，或接地电阻嵩而接地电 极不可行时，用第三根导线作为金属性中性点，在 一板退出运行或双极运行失去平衡时，此导线充当 回路。第三条导线的绝缘要求低，还可作为东空线 的屏蔽线。如果它完全绝缘，可作为一条备用线路。H 3 E高压直流输电系统的结构和元件4丁嵩瓦直砾熊蒋或鬲芬奚同极寐络线：导线数不少于两极，所有导线同极性。通常景好为负极性，因为它由电磁引起的无线也干扰小。余统采用大地作为回路。当一条线路发生故障时，换流器可为余下的线路供电,这些 导线有一定的过我能力，能承料比正常情况更大的功率。Y交流系统交流系统K高压直流输电系统的结构和元件，1，4.2 高压直流输电系统的元件换流器 交流母线断路器直流平波电抗器换流器VJUL7直流 滤波 器交流母线HII-极-Tbz电交流滤 无功波器 二 功率直流线路I、高压直流输电系统的结构和元件4.2高压直流输电系统的元件CU换流器它们完成交-直流和直-交流转换，由阀标和有 抽头切换器的变压器构成。阀标包括6航次就12 麻波的高压阀。换流变压界向阀林提供适各等级 的不接地三相电压源。由于变压器阀换流器的正 墙或负端接地。H 3 E高压直流输电系统的结构和元件4.2高压直流输电系统的元件(2)平次电抗系这些火电抗器有需达LOH的电感，在每个换流站与 每极串联，它们有以下作用：1.降低在流战路中的普波电压和电流；2.防止逆变器换相失败；3.防止轻负苻电流不连线；4.限制直流线路短路期间整流器中的峰值电流。H 3 E高压直流输电系统的结构和元件4.2高压直流输电系统的元件(3)谐波滤波器换洗器在交流和直流两侧均产生谐波电压和 谐波电流。这些谐火可能导致也家暴和附近的电机过热，并且干扰逅动通信条统。交流侧和直流侧都装有滤波装置。I此,AH 3 E高压直流输电系统的结构和元件4.2高压直流输电系统的元件C4J无功功率攵持直流换滤器内部要吸收无功功率。稳定条件下，所酒除的无功功率是传输功率的50%左右。在暂态 情况下，无功功率的酒耗更大。因此，必须在换流 器附近提供无功电嫌。H 3 EI、高压直流输电系统的结构和元件4.2高压直流输电系统的元件(5)电极大多效的直流联络线设计采用大地作为中性导线,至少左较短的一段时间内是这样。与大 地相连接 的导线需要有较大的表面瓶，以便使电流密度和表面 电压梯度豪小。这个导线被称为电极。如前所述，如 果必须限制流经大地的电流，可以用金属性回路的导 体作为直流线路的一部分。H 3 E高压直流输电系统的结构和元件4.2,压直流输电系统的元件C6J直流输电线它们可以是未空线，也可以是电缄。除了导体教 和间距的要求有差异外，直流线路与交流线路十分相 似。H 3 EI、高压直流输电系统的结构和元件4.2,压直流输电系统的元件(7)交流断路系为了排除变压器故障和使直流联络线停运，在灾 流侧装有新路器。它们不是用来挑除直流故障的，Q为直流故障可以通过换流森的控制更快地清除。H 3 E_红SfW,控制技术 一SPWM逆变器的工作原理 SPWM逆变器:其期望输出电压波形 为正弦波的逆变器.就目 前的技术而言，还不能制 造出功率大、体积小、输出波形如同正弦 波发生器那样标准的可变频变压的 逆变器.H 3 E五、SPWM控制技术前所采用的一种基于等效原理的 易实现 的方法:就是便逆变 器的输出波形为一系列与正弦波等效的等幅不等宽的矩 形脉冲波形.等效的原则：每一等分区间内正弦波的面积与矩形波的面 积相 等，具体等效方法如右示.cotH 3 ESPWM波形数学分析记作式中00=。0+Z U.sin(kwt+%)k=l171ucoskwtdyvt bk=12万力u sin kwtdwtu。弓,71udwt一的直流分量，spwm波形上、下对称，4=U km=J。；+bjU的k次谐波幅值幻，ak4=arctg 广 bk的k次谐波相位角H 3 E二.单、双极性SPWM技术 一一1】革菽崔spw而薮束.