直流輸電技術1

1、直流輸電技術直流輸電技術哈爾濱工業(yè)大學電氣學院劉瑞葉第第1章章 直流輸電的發(fā)展及特點直流輸電的發(fā)展及特點l1.1直流輸電的發(fā)展直流輸電的發(fā)展l1.1.1、國外的發(fā)展概況、國外的發(fā)展概況l1882年年 法國物理學家惠普勒法國物理學家惠普勒l直流發(fā)電機直流發(fā)電機 :1.52kV直流電壓直流電壓, 57km線路輸送成功線路輸送成功l將直流發(fā)電機串聯(lián)組成高壓直流送電端將直流發(fā)電機串聯(lián)組成高壓直流送電端l1912 100kV,15MW,190kml大容量直流發(fā)電機換向困難，串聯(lián)運行復雜可靠性低大容量直流發(fā)電機換向困難，串聯(lián)運行復雜可靠性低限制了發(fā)展限制了發(fā)展 19世紀末，交流發(fā)電機制造成功，交流發(fā)電、輸

2、電替代了直流世紀末，交流發(fā)電機制造成功，交流發(fā)電、輸電替代了直流 l1928年年 具有柵控能力的汞弧整流閥研制成功具有柵控能力的汞弧整流閥研制成功l交流交流轉(zhuǎn)換成直流轉(zhuǎn)換成直流l1954年瑞典大陸哥特蘭島，年瑞典大陸哥特蘭島，lkm水下電纜，水下電纜，l晶閘管（可控硅）晶閘管（可控硅）20世紀世紀60年代年代 問世問世 l、年以前試驗性階段l）參數(shù)較低l幾十千伏、幾兆瓦幾十兆瓦、幾十千米一百多千米l）換流裝置采用汞弧閥l）發(fā)展較慢l這一階段的代表性工程有 ：l）德國的愛爾巴柏林工程（1945 年）其主要參數(shù)為：電壓220kV ，輸送容量6OMW ，輸送距離115km （電纜），采用汞弧閥。 l

3、）瑞典的脫羅里赫坦密里路特工程（1945 年）其主要參數(shù)為：電壓45kV ，輸送容量.MW 架空線路長度km ，采用汞弧閥。 l）原蘇聯(lián)的卡希拉莫斯科工程（1950 年）其主要參數(shù)為：電壓kV 、輸送容量30M 、輸送距離k（電纜），采用汞弧閥（現(xiàn)已改為晶閘管閥）。 l2、1954年至1972年發(fā)展階段l1)換流裝置仍采用汞弧閥，不僅參數(shù)有很大的提高，而且質(zhì)量也有很大的改善,直流輸電進入了工業(yè)實用階段l2)采用直流輸電具有多方面的目的: 水下輸電不同頻率連接遠距離，大功率 l典型工程：典型工程：l哥特蘭島哥特蘭島第一條商業(yè)經(jīng)營的第一條商業(yè)經(jīng)營的HVDC（20MW,110kV,96km ) 單極

4、電纜（比建熱電廠，交流電纜經(jīng)濟）單極電纜（比建熱電廠，交流電纜經(jīng)濟）l伏爾加格勒伏爾加格勒-頓巴斯（頓巴斯（1962-1965）首例架空直流輸電首例架空直流輸電 （470km，720MW，400kV，900A）加強交流弱聯(lián)加強交流弱聯(lián)系系統(tǒng)系系統(tǒng)l佐久間互聯(lián)（佐久間互聯(lián)（1965，1993改晶閘管）改晶閘管）首個背靠背交流互聯(lián)首個背靠背交流互聯(lián)50Hz，60Hz） 零距離，零距離，300MW，125kVl撒丁島（意大利撒丁島（意大利1967，1987）單極大地與海水作為回流方式單極大地與海水作為回流方式 200MW,撒丁島撒丁島架空線架空線-海纜海纜-科西嘉島科西嘉島架空線架空線-海纜海纜-意

5、大利本土意大利本土架空線架空線 1987年擴建至年擴建至300MW，在，在corsica島建分支換流站島建分支換流站首個三端直流首個三端直流輸電輸電 l美國的太平洋聯(lián)絡線（美國的太平洋聯(lián)絡線（1970 ）與兩條交流與兩條交流500kV,60Hz 線路并聯(lián)線路并聯(lián) 其架空線路其架空線路1372km 、kV ，1440MW抑制低頻振蕩抑制低頻振蕩,北部水電北部水電南部負荷，南部負荷，86年改晶閘管，年改晶閘管，+1920MW，89年年并接晶閘管閥并接晶閘管閥+1100MWl、1972 年到現(xiàn)在大力發(fā)展階段年到現(xiàn)在大力發(fā)展階段l1972 年，加拿大的伊爾河直流輸電工程首次采用年，加拿大的伊爾河直流輸

6、電工程首次采用晶晶閘管閥的大型工程閘管閥的大型工程（可控硅閥）。（可控硅閥）。BTBl280kV，320MW，4800個個SCR，40個單元模塊個單元模塊l）新建設的直流工程幾乎全部采用晶閘管）新建設的直流工程幾乎全部采用晶閘管l）直流輸電工程幾乎全是超高壓工程）直流輸電工程幾乎全是超高壓工程l）單回線路的輸電能力比前階段有了很大增加）單回線路的輸電能力比前階段有了很大增加 l）發(fā)展速度很快，且規(guī)模越來越大）發(fā)展速度很快，且規(guī)模越來越大 l卡拉哈卡拉哈-巴薩巴薩(1978)首個極間電壓超百萬伏級首個極間電壓超百萬伏級l 1920MW,1360km, 533kV （首個跨國過程）（首個跨國過程）

7、l斯奎爾比特（斯奎爾比特（1977）首次采用首次采用12脈動換流器脈動換流器l 750km，500MW, 250kV（驗證了輸電比輸煤發(fā)電經(jīng)濟）（驗證了輸電比輸煤發(fā)電經(jīng)濟）l北海道北海道-本州本州首次采用光觸發(fā)晶閘管首次采用光觸發(fā)晶閘管l 167km(43km電纜），電纜），600MW， 125kVl伊泰普（伊泰普（1986）l 6000MW,2個雙極個雙極600kV線路并聯(lián)運行，線路并聯(lián)運行，l 每極每極4個個12脈波水冷閥換流器脈波水冷閥換流器l坎頓斯德坎頓斯德-康福德（康福德（1986）美）美加，加，690MW，雙極，雙極450kVl 后擴充三個端口后擴充三個端口多端系統(tǒng)，多端系統(tǒng)，15

8、00km l英吉利海峽英吉利海峽1986擴建擴建 l增加兩個增加兩個1000MW,雙極雙極270kV，8條電纜條電纜l多個廠家不同類型換流器，多個廠家不同類型換流器，裝裝SVCl波羅的海波羅的海1994接地極，電纜，有源濾波先進接地極，電纜，有源濾波先進l巴斯海峽巴斯海峽2005電纜電纜最長最長298.3kml1.2.2、我國高壓直流輸電的發(fā)展情況、我國高壓直流輸電的發(fā)展情況l、實驗裝置建設及換流設備研制、實驗裝置建設及換流設備研制 l中國的直流輸電是在中國的直流輸電是在1958 年考慮長江三峽水利資源年考慮長江三峽水利資源的開發(fā)以及三峽電站的電力外送問題時提出的。的開發(fā)以及三峽電站的電力外送

9、問題時提出的。l1963 年在中國電力科學研究院建成年在中國電力科學研究院建成 V 、A 的直流輸電物理模擬裝置。的直流輸電物理模擬裝置。l 20 世紀世紀70 年代以后，對該套裝置進行了技術更新和年代以后，對該套裝置進行了技術更新和改造，用晶閘管替換了原來的閘流管并采用了數(shù)字式改造，用晶閘管替換了原來的閘流管并采用了數(shù)字式的控制保護系統(tǒng)。的控制保護系統(tǒng)。l1977年在上海將報廢的交流電纜改成直流實驗線路年在上海將報廢的交流電纜改成直流實驗線路 l年代，葛南大型直流輸電工程的技術年代，葛南大型直流輸電工程的技術引進從瑞士引進從瑞士 公司引進了一套先進的公司引進了一套先進的大型直流輸電模擬裝置大

10、型直流輸電模擬裝置l90 90 年代，在該套裝置上又增加了全數(shù)字化的年代，在該套裝置上又增加了全數(shù)字化的直流輸電仿真系統(tǒng)（）直流輸電仿真系統(tǒng)（） ，并且與暫，并且與暫態(tài)網(wǎng)絡分析裝置（態(tài)網(wǎng)絡分析裝置（ ）相連，從而具備）相連，從而具備了進行更大規(guī)模試驗研究工作的能力。了進行更大規(guī)模試驗研究工作的能力。l、直流輸電工程建設、直流輸電工程建設 l20 世紀世紀80 年代，中國開始建設直流輸電工程，年代，中國開始建設直流輸電工程，到到2005年已有年已有 項直流輸電工程投入運行。項直流輸電工程投入運行。l1）舟山直流輸電工程）舟山直流輸電工程 l年國家確定全部依靠自己的力量建設年國家確定全部依靠自己的

11、力量建設中國第一項直流輸電工程，它既解決了浙江大中國第一項直流輸電工程，它既解決了浙江大陸向舟山本島的輸電問題，又具有向建設大型陸向舟山本島的輸電問題，又具有向建設大型直流輸電工程過渡的工業(yè)性試驗性質(zhì)。工程的直流輸電工程過渡的工業(yè)性試驗性質(zhì)。工程的第一期為單極金屬回線方式，第一期為單極金屬回線方式，-100kV , 500A , 50MW 。第一期工程于。第一期工程于1984年開始施工，年開始施工，1987 年進行調(diào)試并投入試運行，年進行調(diào)試并投入試運行，1989 年正式年正式投人商業(yè)運行。工程的最終規(guī)模為雙極投人商業(yè)運行。工程的最終規(guī)模為雙極100kV , 500A , 100MW，線路全長

12、，線路全長54km 。 l2、葛洲壩一南橋直流輸電工程（簡稱葛一南、葛洲壩一南橋直流輸電工程（簡稱葛一南直流工程）直流工程） l1982 年開始對葛洲壩水電站向華東送電進行年開始對葛洲壩水電站向華東送電進行可行性研究，由于直流輸電在遠距離輸電和聯(lián)可行性研究，由于直流輸電在遠距離輸電和聯(lián)網(wǎng)方面的優(yōu)點，最終選擇了直流輸電方案。該網(wǎng)方面的優(yōu)點，最終選擇了直流輸電方案。該工程既解決了葛洲壩電站向華東上海地區(qū)的送工程既解決了葛洲壩電站向華東上海地區(qū)的送電問題，又實現(xiàn)了華中與華東兩大電網(wǎng)的非同電問題，又實現(xiàn)了華中與華東兩大電網(wǎng)的非同期聯(lián)網(wǎng)，它具有期聯(lián)網(wǎng)，它具有輸電和聯(lián)網(wǎng)輸電和聯(lián)網(wǎng)的雙重性質(zhì)的雙重性質(zhì)。 l

13、葛南直流工程為雙極葛南直流工程為雙極kV 、200A 、1200MW ，輸送距離約，輸送距離約m。l1985 年年10 月開工，月開工，1989 年年9 月極月極 投入運投入運行，行，1990年年8 月全部工程建成，并投人商業(yè)運月全部工程建成，并投人商業(yè)運行。原瑞士行。原瑞士BBC 公司和德國西門子公司提供。公司和德國西門子公司提供。l(ABB=瑞典瑞典ASEA+瑞士瑞士BBC） l、天生橋廣州直流輸電工程（簡稱天一、天生橋廣州直流輸電工程（簡稱天一廣直流工程）廣直流工程）l1991 年開始進行可行性研究，年開始進行可行性研究，1997 年與德國年與德國西門子公司簽訂了供貨合同，西門子公司簽訂

14、了供貨合同，2000年年12 月極月極 投人運行，投人運行，2001 年工程全部建成。該工程年工程全部建成。該工程為西電東送工程的一部分。直流工程為雙極為西電東送工程的一部分。直流工程為雙極500 、 1800 A 、1800，西起天生，西起天生橋水電站附近的馬窩換流站，東至廣州的北郊橋水電站附近的馬窩換流站，東至廣州的北郊換流站。全長約換流站。全長約960 k。 l、嵊泗直流輸電工程、嵊泗直流輸電工程l嵊泗直流輸電工程是中國自行設計和建造的雙嵊泗直流輸電工程是中國自行設計和建造的雙極海底電纜直流工程。極海底電纜直流工程。l主要解決從上海向嵊泗島及寶鋼馬跡山碼頭的主要解決從上海向嵊泗島及寶鋼馬

15、跡山碼頭的送電問題，同時也專慮到嵊泗島上的風力發(fā)電送電問題，同時也專慮到嵊泗島上的風力發(fā)電發(fā)展到一定規(guī)模時也具有向上海反送的功能，發(fā)展到一定規(guī)模時也具有向上海反送的功能，工程的主要特點是受端為弱交流系統(tǒng)。工程為工程的主要特點是受端為弱交流系統(tǒng)。工程為雙極雙極50、A 、，共、，共66.2km，其中，其中59.7km為海底電纜。為海底電纜。l1996 年完成各種研究工作，年完成各種研究工作，1997 年進行設備年進行設備訂貨，訂貨，2002 年工程全部建成。年工程全部建成。l除控制保護裝裝置由許繼電氣股份有限公司供除控制保護裝裝置由許繼電氣股份有限公司供貨外，其余全部設備均由西安電力機械股份有貨

16、外，其余全部設備均由西安電力機械股份有限公司承包限公司承包 。l、三峽常州直流輸電工程（簡稱三、三峽常州直流輸電工程（簡稱三常直流工程）常直流工程）l主要為解決三峽水電站向華東電網(wǎng)的送電問題，主要為解決三峽水電站向華東電網(wǎng)的送電問題，同時也加強了華中與華東兩大電網(wǎng)的非同期聯(lián)同時也加強了華中與華東兩大電網(wǎng)的非同期聯(lián)網(wǎng)。工程為雙極網(wǎng)。工程為雙極500 、3000 A 、 3000，全長約，全長約860 。工程于。工程于2002 年年12月月極極1 投入運行，投入運行，2003 年年5 月全部建成月全部建成 。l2004以后投入的直流工程以后投入的直流工程l三峽廣東直流輸電工程三峽廣東直流輸電工程(

17、2004.2-6)l工程為雙極工程為雙極500 、3000 A 、 3000，全長，全長約約960 km。ABBl貴州廣東直流輸電工程貴州廣東直流輸電工程(2004.6)l工程為雙極工程為雙極500 、3000 A 、 3000，全長，全長約約960 km。siemensl靈寶背靠背直流工程靈寶背靠背直流工程 （2005）l360MW、120kV、3000Al三峽上海（三峽上海（2006）3000MW，1040kml貴州廣東第回直流輸電貴州廣東第回直流輸電(2007)l 3000MW。125km1.2直流輸電系統(tǒng)的構(gòu)成直流輸電系統(tǒng)的構(gòu)成l1.2.1高壓直流輸電的分類高壓直流輸電的分類l1)長距

18、離直流輸電（海島，遠距離送電）長距離直流輸電（海島，遠距離送電）l2)背靠背方式直流輸電3)交、直流并列輸電方式交、直流并列輸電方式4）交、直流疊加輸電（研究階段、無工程實例）交、直流疊加輸電（研究階段、無工程實例）直流不受功角穩(wěn)定限制，交流有中間落點直流不受功角穩(wěn)定限制，交流有中間落點5）三極直流輸電（換流器組合拓撲，利用已有交流通）三極直流輸電（換流器組合拓撲，利用已有交流通道）試驗階段道）試驗階段1.2.2 直流系統(tǒng)的構(gòu)成直流系統(tǒng)的構(gòu)成l1）直流單極輸電70年代建設的太平洋聯(lián)絡線年代建設的太平洋聯(lián)絡線1為回流導體為回流導體2）直流雙極輸電）直流雙極輸電3）直流多回線輸電）直流多回線輸電4

19、）多端直流輸電）多端直流輸電l并聯(lián)并聯(lián) 樹枝型樹枝型l并聯(lián)并聯(lián) 環(huán)網(wǎng)型環(huán)網(wǎng)型1.3高壓直流輸電特點及適用的場合高壓直流輸電特點及適用的場合l一、輸送相同功率時，線路造價低l對于架空線路，交流輸電通常采用3 根導線，而直流只需1 根（單極）或2 根（雙極）導線。直流輸電對其線路走廊、鐵塔高度、占地面積等方面，也比交流輸電優(yōu)越。對于電纜線路，直流電纜與交流電纜相比，其投資費和運行費都更為經(jīng)濟 。l二、線路有功損耗小l由于直流架空線路僅使用根或2 根導線，所以在導線上的有功損耗較小。同時，由于直流線路沒有感抗和容杭，在線路上也就沒有無功損耗 。l三、適宜于海下輸電l海下輸電必須采用電纜。電纜的絕緣在

20、直流電壓和交流電壓作用下的電位分布、電場強度和擊穿強度都不相同，以同樣截面積的油浸紙絕緣電纜為例，用于直流時的允許工作電壓比在交流下約高3 倍。因此，在有色金屬和絕緣材料相同的條件下，2 根芯線的直流電纜線路輸送的功率比3 根芯線的交流電纜線路輸送的功率P大得多。所以海下輸電采用直流電統(tǒng)在投資上比采用交流電纜經(jīng)濟得多。國際上對架空線路其等價距離約為國際上對架空線路其等價距離約為500-700km，電纜線路約為，電纜線路約為 20-40kml四、沒有系統(tǒng)的穩(wěn)定問題互聯(lián)性l在交流輸電系統(tǒng)中，所有連接在電力系統(tǒng)的同步發(fā)電機必須保持同步運行。所謂“系統(tǒng)穩(wěn)定”，就是指在系統(tǒng)受到擾動后所有互聯(lián)的同步發(fā)電機

21、具有保持同步運行的能力。由于交流系統(tǒng)具有電抗，輸送的功率有一定的極限，當系統(tǒng)受到某種擾動時，有可能使線路上的輸送功率超過它的極限。 l五、能限制系統(tǒng)的短路電流l用交流輸電線路連接兩個交流系統(tǒng)時，由于系統(tǒng)容量增加，將使短路電流增大，有可能超過原有斷路器的遮斷容量，這就要求更換大量設備，增加大量的投資。而用直流輸電線路連接兩個交流系統(tǒng)時，就不存在上述問題，這對于交流系統(tǒng)的互聯(lián)具有極大的實用價值。l六、調(diào)節(jié)速度快，運行可靠六、調(diào)節(jié)速度快，運行可靠l直流輸電通過晶閘管換流器能夠方便、快速地調(diào)節(jié)有直流輸電通過晶閘管換流器能夠方便、快速地調(diào)節(jié)有功功率和實現(xiàn)潮流翻轉(zhuǎn)。功功率和實現(xiàn)潮流翻轉(zhuǎn)。正常運行時保證穩(wěn)定

22、地正常運行時保證穩(wěn)定地輸出功率，輸出功率，事故情況下，可通過正常的交流系統(tǒng)事故情況下，可通過正常的交流系統(tǒng)一側(cè)由直流線路對另一側(cè)事故系統(tǒng)進行一側(cè)由直流線路對另一側(cè)事故系統(tǒng)進行緊急支援緊急支援。l在交、直流線路并聯(lián)運行時，當交流系統(tǒng)發(fā)生短路，在交、直流線路并聯(lián)運行時，當交流系統(tǒng)發(fā)生短路，可暫時增大直流輸送的功率以減小發(fā)電機轉(zhuǎn)子加速，可暫時增大直流輸送的功率以減小發(fā)電機轉(zhuǎn)子加速，從而提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。從而提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。 l單極運行單極運行直流輸電的缺點直流輸電的缺點l一、換流站的設備多、結(jié)構(gòu)復雜價格昂貴l二、換流裝置要消耗大量的無功功率l三、換流裝置是一個諧波源，在運行中要產(chǎn)生諧波，影

23、響系統(tǒng)的運行l(wèi)四、換流裝置幾乎沒有過載能力，所以對直流系統(tǒng)的運行不利l五、由于目前高壓直流斷路器還處于研制階段，所以阻礙了多端直流系統(tǒng)的發(fā)展l六、以大地作為回路的直流系統(tǒng)，運行時會對沿途的金屬構(gòu)件和管道有腐蝕作用，以海水作為回路時，會對航海導航儀表產(chǎn)生影響。 直流輸電的應用直流輸電的應用l根據(jù)的優(yōu)缺點，直流輸電適用于以下場合：l1 ）遠距離大功率輸電l2 ）海底電纜送電l3 ）不同頻率或同頻率非周期運行的交流系統(tǒng)之間的聯(lián)絡 l4 ）用地下電纜向大城市供電l5 ）交流系統(tǒng)互聯(lián)或配電網(wǎng)增容時，作為限制短路電流的措施之一l 6 ）配合新能源的輸電 1 . 4 直流輸電的最新研究方向直流輸電的最新研究

24、方向l世界各國在現(xiàn)有直流輸電工程設計、建設和運行經(jīng)驗的基礎上，正廣泛深入地開展如下的研究工作： l l ）研究電壓更高、容量更大的晶閘管元件，改進換流閥的機、電、熱各方面的結(jié)構(gòu)，以進一步降低換流器的造價和提高可靠性。 2 ）研究采用大規(guī)模集成電路元件和微機處理技術，充分發(fā)揮直流輸電優(yōu)越的調(diào)節(jié)性能，以適應各種運行工況的需要。l3） 研究交、直流的并列運行和調(diào)節(jié)，以提高輸送功率極限。采用靜止無功功率補償裝置，以進一步提高直流聯(lián)絡線的性能。l4 ）研究更大斷流容量的高壓直流斷路器和發(fā)展多端直流系統(tǒng)。l5 ）研究高壓直流電場以及電暈、無線電干擾對環(huán)境的影響。 l6）研究高次諧波的測量方法和消除諧波的新

25、措施及裝置。 l7 ）進一步開展直流輸電系統(tǒng)的數(shù)字仿真及其計算方法的研究。l8 ）進一步開展高壓直流系統(tǒng)可靠性計算方法的研究。 l9 ）開展高壓直流過電壓、直流污穢及絕緣配合的研究。 換流器件最新發(fā)展換流器件最新發(fā)展lGTO，IGBT,IGCT實現(xiàn)的換流器l不依賴所聯(lián)交流電網(wǎng)實現(xiàn)自身換向l送入交流網(wǎng)的有功無功可控l諧波少，減少濾波器的造價l可以向弱交流系統(tǒng)輸電1.5 直流輸電新技術直流輸電新技術l1.5.1 器件換向直流輸電(全控器件）l電壓源、電流源型換流器，輕型直流輸電l無需換流變壓器、直流濾波器、平波電抗器、無功補償器，簡化了交流濾波器l設備少，結(jié)構(gòu)簡單l低于150kV，小于200MW有優(yōu)勢 傳統(tǒng)的不能向小容量交流系統(tǒng)供電，產(chǎn)生的諧波次數(shù)低容量大，換流器吸收無功，換流站投資大在220kV以上用多端直多端直流互聯(lián)流互聯(lián)風電場風電場并網(wǎng)并網(wǎng)海上鉆井海上鉆井平臺平臺/孤島孤島供電供電電網(wǎng)互聯(lián)電網(wǎng)互聯(lián)/電力交電力交易易太陽能發(fā)太陽能發(fā)電并網(wǎng)電并網(wǎng)特大城特大城市供電市供電閥基控制器機柜閥基控制器機柜換流閥機柜換流閥機柜柔性直流輸電系統(tǒng)低壓樣機原理及實物圖柔性直流輸電系統(tǒng)低壓樣機原理及實物圖 我國首條自主知識產(chǎn)權(quán)的上海南匯風電場柔性直流示范工程建設正在開展，預