單極高壓直流輸電系統(tǒng)設(shè)計論文

1、裝訂線畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 摘 要 直流輸電是電力系統(tǒng)中迅速發(fā)展的一項新技術(shù)。主要應(yīng)用于遠(yuǎn)距離大容量輸電、電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)距離海底電纜或大城市地下電纜送電、配電網(wǎng)絡(luò)的輕型直流輸電等方面。直流輸電與交流輸電相互配合，構(gòu)成現(xiàn)代電力傳輸系統(tǒng)。隨著電力系統(tǒng)技術(shù)需求的不斷增長和提高，直流輸電受到廣泛的關(guān)注和發(fā)展。與直流輸電相關(guān)的技術(shù)，如電力電子、微電子、計算機(jī)控制、絕緣新材料、光纖、超導(dǎo)、仿真以及電力系統(tǒng)運行、控制和規(guī)劃等的發(fā)展，為直流輸電開辟了廣闊的應(yīng)用前景。 由上可見，高壓直流輸電具有線路輸電能力強(qiáng)、損耗小、兩側(cè)交流系統(tǒng)不需同步運行、發(fā)生故障時對電網(wǎng)造成的損失小等優(yōu)點，特別適合用于長距離點對點大功

2、率輸電，而采用交流輸電系統(tǒng)便于向多端輸電。交流與直流輸電配合，將是現(xiàn)代電力傳輸系統(tǒng)的發(fā)展的趨勢。 本文在論述了直流輸電基本概念、構(gòu)成、發(fā)展及主要設(shè)備的基礎(chǔ)上，討論了直流輸電的基本工作原理、各部分元件的選擇、諧波問題、換流器控制方式以及遠(yuǎn)距離輸電線的電暈危害與對通信線的干擾分析等，從而對直流輸電有較全面的認(rèn)識。關(guān)鍵詞：高壓直流輸電，諧波，濾波器，晶閘管，控制，12脈波換流器 ABSTRACTHVDC is a new technology in the rapid development of power systems. Mainly used in large-capacity long-d

3、istance transmission, power system interconnection, long distance submarine cable or Metropolitan underground cable transmission, distribution network and other aspects of HVDC Light. HVDC transmission and exchange with each other to form a modern power transmission system. With the growing demand f

4、or electric power system technology and improved HVDC widespread attention and development. HVDC and related technologies, such as power electronics, microelectronics, computer control, insulation and new materials, optical, superconductivity, simulation, and power system operation, development cont

5、rol and planning for HVDC has opened up broad prospects.As seen above, HVDC transmission line has a strong, low loss, both sides exchange system without synchronous operation, the event of failure of the grid losses, etc, and is particularly suitable for long distance point to point high-power trans

6、mission, and the use of AC transmission system facilitates the multi-terminal transmission. AC and DC transmission with, will be the trend of development of modern power transmission systems.This paper discusses the HVDC basic concepts form the basis of development and major equipment, discusses the

7、 basic principle of DC transmission, electrical choose various parts of elements, harmonic problems, inverter control and remote transmission line halo hazards associated with the communication line interference analysis, thus the HVDC have a more comprehensive understanding.KEY WORDS: HVDC, harmoni

8、c, filters, thyristors, control, 12-pulse inverter 目錄第一章 緒論········································&

9、#183;···················11.1 本課題研究的主要內(nèi)容及選題的意義··························

10、3;·····11.2 高壓直流輸電系統(tǒng)的構(gòu)成··········································

11、21.3 高壓直流輸電工程特點············································31.4 高壓直流輸電的歷史和國內(nèi)外現(xiàn)狀&

12、#183;·································4第二章 高壓直流輸電系統(tǒng)的主要組成·············&

13、#183;························52.1 直流輸電的環(huán)流技術(shù)·······················

14、;·······················5 2.1.1 直流輸電與環(huán)流技術(shù)························

15、················5 2.1.2 換流站的基本環(huán)流單元·······························

16、·······52.2 500KV單極直流輸電系統(tǒng)的設(shè)備及其選擇····························11 2.2.1 換流變壓器········

17、83;······································11 2.2.2 換流閥·········

18、83;·········································13 2.2.3 平波電抗器······&

19、#183;········································17 2.2.4 輸電線諧波分析······

20、83;····································18 2.2.5 交/直流濾波器···········

21、;·································20 2.2.6 交直流斷路器··············&#

22、183;······························22 2.2.7 避雷裝置·················&

23、#183;·······························24 2.2.8 無功補(bǔ)償裝置···············

24、3;·····························25 2.2.9 接地極系統(tǒng)··················&#

25、183;····························25第三章 直流輸電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)··················

26、83;······················263.1 直流系統(tǒng)的基本控制原理························

27、3;················263.2 換流器基本控制方式及其配置······························

28、83;······27 3.2.1 換流器基本控制方式·······································27 3.2.2

29、換流器基本控制配置·······································29第四章 直流輸電系統(tǒng)過電壓保護(hù)與換流站絕緣配合·····&#

30、183;···················314.1 換流站的過電壓保護(hù)····························

31、;·················314.2 直流輸電系統(tǒng)的過電壓······························&

32、#183;············324.3 換流站的防雷保護(hù)···································

33、;············32第五章 直流輸電線路的環(huán)境影響···································

34、······34 5.1 直流輸電線的架設(shè)·········································

35、83;·····345.2 直流線路電暈··········································

36、83;········355.3 直流線路無線電干擾·······································

37、······37直流輸電設(shè)計結(jié)··········································

38、83;··············37致謝···································

39、;································37參考文獻(xiàn)·················

40、;··············································37高壓直流輸電附錄圖· 第一章 緒

41、論1.1本課題研究的主要內(nèi)容及選題意義電力工程是21世紀(jì)對人類社會生活影響最大的工程之一，電力技術(shù)的發(fā)展對城鄉(xiāng)人民的生產(chǎn)和生活具有重大的關(guān)系，電力工業(yè)是關(guān)系國計民生的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。電力的廣泛應(yīng)用和電力需求的不斷增加，推動著電力技術(shù)向高電壓、大機(jī)組、大電網(wǎng)發(fā)展，向電力規(guī)模經(jīng)濟(jì)發(fā)展。電力工業(yè)按生產(chǎn)和消費過程可分為發(fā)電、輸電、配電和用電四個環(huán)節(jié)。輸電通常指的是將發(fā)電廠發(fā)出的電力輸送到消費電能的負(fù)荷中心，或者將一個電網(wǎng)的電力輸送到另一個電網(wǎng)，實現(xiàn)電網(wǎng)互聯(lián)。隨著電網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，輸電容量和輸電距離的不斷增加，電網(wǎng)電壓等級不斷提高。電網(wǎng)電壓從最初的交流 13.8KV，逐步發(fā)展到高壓 35KV、66KV、11

42、0KV、220KV、500KV、1000KV。電網(wǎng)發(fā)展的經(jīng)驗表明，相鄰兩個電壓等級的級差在一倍以上才是經(jīng)濟(jì)合理的。這樣輸電容量可以提高四倍以上，不僅可與現(xiàn)有電網(wǎng)電壓配合，而且為今后新的更高級別電壓的發(fā)展留有合理的配合空間。我國從20世紀(jì)80年代末開始對特高壓電網(wǎng)的規(guī)劃和設(shè)備的制造進(jìn)行研究；進(jìn)入21世紀(jì)后，加快了特高壓輸電設(shè)備、電網(wǎng)研究和工程建設(shè)。2005年9月26日，第一條750KV輸電實驗線路（官亭蘭州東）示范工程投運；2006年12月，云南廣東±800KV特高壓直流輸電工程開工建設(shè)，并于2010年6月18日，通過驗收正式投運，該工程輸電距離1373KM，額定電壓±800

43、KV，額定容量500萬KW，和2010年7月8日投運的向家壩上海±800KV特高壓直流示范工程一樣，是當(dāng)今世界電壓等級最高的直流輸電項目。本課題主要是設(shè)計一個單極高壓直流輸電系統(tǒng)，整流站與逆變站相距1200km,整流站交流側(cè)電壓等級為330kv，逆變側(cè)交流電壓等級為220kv，采用單極直流輸電方式，直流電壓500kv,輸電容量800MW。同時還需要設(shè)計高壓直流輸電系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)方式，實現(xiàn)直流系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)和潮流反轉(zhuǎn)控制以及高壓直流輸電系統(tǒng)的過壓保護(hù)系統(tǒng)和直流輸電線的架設(shè)和防雷保護(hù)。隨著“西電東送”和“全國聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略”的實施，直流輸電技術(shù)在我國正得到越來越廣泛的應(yīng)用，具有非常廣闊的前景。

44、經(jīng)過舟山、葛洲壩-南橋、天生橋-廣州、三峽-常州等直流輸電工程的實踐，我國的直流輸電工程水平正在不斷的提高。但是我國在高壓直流輸電基本設(shè)計方面還存在不足，對核心技術(shù)仍未完全掌握。更確切地講，我國的直流輸電技術(shù)很大程度上還依賴于國外。如果能實現(xiàn)直流輸電工程設(shè)計的自主化，那么對于提升我國在直流輸電核心領(lǐng)域的實力具有重大的意義，也為后續(xù)的特高壓直流輸電工程提供強(qiáng)而有力的技術(shù)支持和保障。1.2高壓直流輸電系統(tǒng)的構(gòu)成 直流輸電系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為兩端（或端對端）直流輸電系統(tǒng)和多端直流輸電系統(tǒng)兩大類。兩端直流輸電系統(tǒng)是只有一個整流站（送端）和一個逆變站（受端）的直流輸電系統(tǒng)，即只有一個送端和一個受端，它與

45、交流系統(tǒng)只有兩個連接端口，是結(jié)構(gòu)最簡單的直流輸電系統(tǒng)。多端直流輸電系統(tǒng)與交流系統(tǒng)有三個或三個以上的連接端口，它有三個或三個以上的換流站 兩端直流輸電系統(tǒng)的構(gòu)成主要有整流站、逆變站和直流輸電線路三部分。對于可進(jìn)行功率反送的的兩端直流輸電工程，其換流站既可以作為整流站運行，又可以作為逆變站運行。功率正送是的整流站在功率反送時為逆變站，而正送時的逆變站在反送時為整流站，整流站和逆變站的主接線和一次設(shè)備基本相同，其主要差別在于控制和保護(hù)系統(tǒng)的功能不同。兩端直流輸電系統(tǒng)又可分為單極系統(tǒng)（正極或負(fù)極）、雙極系統(tǒng)（正負(fù)兩極）和背靠背系統(tǒng)（無直流輸電線路）三種類型。其中單極直流輸電系統(tǒng)如下圖所示，又可分為單極

46、大地回線方式（a）、單極金屬回線方式(b)以及單極雙導(dǎo)線并聯(lián)大地回線方式(c)。本課題采用單極金屬回線方式(a)單極大地回線方式該方式是兩端換流器的一端通過極導(dǎo)線相連，另一端接地，利用大地或海水作為直流的回流電路。這種方式的線路結(jié)構(gòu)簡單，利用大地作為回線，省去一根導(dǎo)線，線路造價低。但地下或海水長期有較大的直流電流流過，大地電流所經(jīng)之處，將引起埋設(shè)于地下或放置在地面的管道、金屬設(shè)施發(fā)生化學(xué)腐蝕，使中性點接地變壓器產(chǎn)生直流偏磁而造成變壓器磁飽和等問題。這種方式主要用于高壓海底電纜直流工程，如瑞典丹麥的康梯斯堪工程、瑞典德國的波羅的海工程等。(b)單極金屬回線方式該方式采用低絕緣的導(dǎo)線也稱金屬返回線

47、代替單極大地回線方式中的大地回線路。在運行中，地中無電流流過，可以避免由此所產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕和變壓器磁餉等問題。為了固定直流側(cè)的對地電壓和提高運行的安全性，金屬回線的一端接地，其不接地端的最高運行電壓為最大直流電流在金屬返回線上的壓降。這種方式的線路投資和運行費用均較單級大地回線方式的高。通常只在不允許利用大地或海水為回線或選擇接地較困難以及輸電距離又較短的單極(c)單極雙導(dǎo)線并聯(lián)大地回線方式該方式是當(dāng)直流輸電工程在單極運行時可以采用的方式。實質(zhì)上，這是利用已有的輸電導(dǎo)線為降低線路損耗而采用的一種單極大地回線方式。本課題采用的輸電方式：單極金屬回線方式1.3高壓直流輸電工程特點 高壓直流輸電的

48、優(yōu)點：（1）直流輸電架空線路只需正負(fù)兩極導(dǎo)線、桿塔結(jié)構(gòu)簡單、線路造價低、損耗小。（2）直流電纜線路輸送容量大、造價低、損耗小、不易老化、壽命長、且輸送距離不受限制。（3）直流輸電不存在交流輸電的穩(wěn)定性問題，有利于遠(yuǎn)距離大容量輸電。（4）采用直流輸電實現(xiàn)電力系統(tǒng)之間的非同步聯(lián)網(wǎng)，可以不增加被聯(lián)電網(wǎng)的短路容量，不需要由于短路容量的增加而要更換斷路器以及電纜要求的采取限流的措施；被聯(lián)電網(wǎng)可以頻率不同，可以保持自己的電能質(zhì)量獨立運行，有利于運行和管理。（5）在直流電的作用下，只有電阻起作用，電感和電容均不起作用，直流輸電采用大地為回路，直流電流則向電阻率很低的大地深層流去，可以很好地利用大地這個良導(dǎo)體

49、。（6）直流輸電輸送的有功功率和換流器消耗的無功功率均可由控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，可利用這種快速可控性來改善交流系統(tǒng)的運行性能。（7）直流輸電可以方便地分期建設(shè)和增容擴(kuò)建，有利于發(fā)揮投資效益。高壓直流輸電的缺點：（1）直流輸電換流站比交流變電所的設(shè)備多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高損耗大、運行費用高、可靠性也差。（2）換流器對交流側(cè)來說，除了是一個負(fù)荷或電源以外，它還是一個諧波電流源。（3）晶閘管換流器在進(jìn)行換流時需要消耗大量的無功功率，每個換流站均需要裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置。（4）直流輸電利用大地或海水為回路，會帶來一些技術(shù)問題。（5）直流短路器由于沒有電流過零點可以利用，滅弧問題難以解決，給制造帶來困難。1.4

50、高壓直流輸電的歷史和國內(nèi)外現(xiàn)狀電力技術(shù)的發(fā)展是從直流電開始的，早期的直流輸電是不需要經(jīng)過換流，直接從直流電源送往直流負(fù)荷，即發(fā)電、輸電和用電均為直流電，如1882年在德國建立的2KV、1.5KW、57KM向慕尼黑展覽會的送電工程；1889年在法國用直流發(fā)電機(jī)串聯(lián)而得到高電壓，從毛梯埃斯到里昂的125KV、20MW、230KM的直流輸電工程等。隨著三相交流發(fā)電機(jī)、感應(yīng)電動機(jī)和變壓器的迅速發(fā)展，發(fā)電和用電領(lǐng)域很快被交流電所取代。同時變壓器又可方便地改變交流電壓，從而使交流輸電和交流電網(wǎng)得到迅速的發(fā)展，并很快占據(jù)了統(tǒng)治地位。但在輸電領(lǐng)域，直流還有交流所不能取代之處，如遠(yuǎn)距離電纜送電、不同頻率電網(wǎng)之間

51、的聯(lián)網(wǎng)等。我國的高壓直流輸電工程相比于國外發(fā)達(dá)國家而言總體上可以說是發(fā)展較晚的，但發(fā)展迅速。由于國內(nèi)能源資源與用電負(fù)荷分布極不平衡的特殊性，造成我國“西電東送、南北互聯(lián)、全國聯(lián)網(wǎng)”的遠(yuǎn)距離輸電的必然性，形成了目前以三峽輸電系統(tǒng)為主體，向東西南北方向輻射的北、中、南三通道為主的南北電網(wǎng)多點互聯(lián)、縱向通道聯(lián)系緊密的全國互聯(lián)網(wǎng)格局，成為實現(xiàn)我國能源資源合理開發(fā)、優(yōu)化配置、高效利用的必然選擇。發(fā)展超、特高壓交、直流輸電勢在必行。過去幾年，500KV直流輸電在我國得到了長足發(fā)展，成為“西電東送”的重要方式。直流輸電的發(fā)展也受到一些因素的限制。首先，直流輸電的換流站比交流系統(tǒng)的變電所復(fù)雜、造價高、運行管理

52、要求高；其次，換流裝置（整流和逆變）運行中需要大量的無功補(bǔ)償，正常運行時可達(dá)直流輸送功率的4060；換流裝置在運行中在交流側(cè)和直流側(cè)均會產(chǎn)生諧波，要裝設(shè)濾波器；直流輸電接地比較復(fù)雜，以大地或海水作回路時，會引起沿途金屬構(gòu)件的腐蝕，需要防護(hù)措施。要發(fā)展多端直流輸電，需研制高壓直流斷路器。直流輸電滅弧問題難以解決。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率可控硅制造技術(shù)的進(jìn)步、價格下降、可靠性提高，換流站可用率的提高，直流輸電技術(shù)的日益成熟，直流輸電在電力系統(tǒng)中必然得到更多的應(yīng)用。當(dāng)前，研制高壓直流斷路器、研究多端直流系統(tǒng)的運行特性和控制、發(fā)展多端直流系統(tǒng)、研究交直流并列系統(tǒng)的運行機(jī)理和控制，受到廣泛的關(guān)注。

53、許多科學(xué)技術(shù)的新發(fā)展為直流輸電技術(shù)的應(yīng)用開拓著廣闊的前景，多種新的發(fā)電方式磁流體發(fā)電、電氣體發(fā)電、燃料電池和太陽能電池等產(chǎn)生的都是直流電，所產(chǎn)生的電能要以直流方式輸送，并用逆變器變換送入交流電力系統(tǒng)；極低溫電纜和超導(dǎo)電纜也更適宜于直流輸電，等等。今后的電力系統(tǒng)必將是交、直流混合的系統(tǒng)。第二章 高壓直流輸電系統(tǒng)的主要組成2.1 直流輸電的換流技術(shù)2.1.1 直流輸電與換流技術(shù) 要實現(xiàn)直流輸電必須將送端的交流電變換為直流電，稱為整流，而到受端又必須將直流電變換為交流電，稱為逆變，它們統(tǒng)稱為換流。實現(xiàn)這種電力變換的技術(shù)就是我們所說的直流輸電換流技術(shù)。直流輸電換流技術(shù)包括實現(xiàn)換流的高壓大功率換流閥和控

54、制保護(hù)裝置以及進(jìn)行換流的理論和方法，而前者往往起決定性作用。因此，換流技術(shù)是實現(xiàn)直流輸電的基本條件，換流技術(shù)水平的高低是決定直流輸電各種運行性能和經(jīng)濟(jì)性能的重要因素。2.1.2 換流站的基本換流單元 直流輸電換流站由基本換流單元組成，基本換流單元是在換流站內(nèi)允許獨立運行，進(jìn)行換流的換流系統(tǒng)，主要包括換流變壓器、換流器、相應(yīng)的交流濾波器和直流濾波器以及控制保護(hù)裝置。目前工程上所采用的基本換流單元有6脈動換流單元和12脈動換流單元兩種。它們的主要區(qū)別在于所采用的換流器不同，前者采用6脈動換流器（三相橋式換流回路），而后者則采用12脈動換流器（由兩個交流側(cè)電壓相位差30°的6脈動換流器所組

55、成）。6脈動換流器在交流側(cè)和直流側(cè)分別產(chǎn)生6K+1次和6K次特征諧波；12脈動換流器在交流側(cè)和直流側(cè)分別產(chǎn)生12K+1次和12K次特征諧波。絕大多數(shù)直流輸電工程均采用12脈動換流器作為基本換流單元，此時交流濾波器和直流濾波器只需按12脈動換流器的要求來配備，這樣可以大大地簡化濾波裝置，減小換流站占地面積，降低換流站造價。三相橋式全控整流(阻感性負(fù)載)原理：三相橋式全控整流電路大多用于向阻感負(fù)載和反電動勢阻感負(fù)載供電（即用于直流電動機(jī)傳動），下面主要分析阻感負(fù)載時的情況，對于帶反電動勢阻感負(fù)載的情況，只需在阻感負(fù)載的基礎(chǔ)上掌握其特點，即可把握其工作情況。如圖所示為三相橋式全控整流電路（阻感性負(fù)載

56、），習(xí)慣上將其中陰極連接在一起的三個晶閘管（VT1、VT3、VT5）稱為共陰極組；陽極連接在一起的三個晶閘管（VT4、VT6、VT2）常委共陽極組。此外，習(xí)慣上希望晶閘管按從1至6的順序?qū)?。為此將晶閘管按圖示的順序編號，即共陰極組中與a、b、三相電源相接的三個晶閘管分別為VT1、VT3、VT5，共陽極組中與a、b、c三相電源相接的三個晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。按此編號，晶閘管的導(dǎo)通順序為VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。以下分析三相橋式帶電阻負(fù)載在不同的角下的波形。（1）=0°（2）=30°（3）=90°小結(jié) ：  6

57、0°時 ud波形連續(xù)，工作情況與帶電阻負(fù)載時相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓ud波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。 >60°時 阻感負(fù)載時的工作情況與電阻負(fù)載時不同，電阻負(fù)載時ud波形不會出現(xiàn)負(fù)的部分，而阻感負(fù)載時，由于電感L的作用，ud波形會出現(xiàn)負(fù)的部分。帶阻感負(fù)載時，三相橋式全控整流電路的a 角移相范圍為90° 當(dāng)整流輸出電壓連續(xù)時（即帶阻感負(fù)載時，或帶電阻負(fù)載a60°時）的平均值為： 帶電阻負(fù)載且a >60°時，整流電壓平均值為： 輸出電流平均值為 ：Id=Ud /R 三相橋式電流型逆變原理： 直流電源為電流源的逆變電

58、路稱為電流型逆變電路。實際上理想直流電流源并不多見，一般是在逆變電路直流側(cè)串入一個大電感。因為大電感中的電流脈動很小，因此可以看成是一個直流電流源。有源逆變狀態(tài)時各量的計算：輸出直流電流的平均值亦可用整流的公式: 每個晶閘管導(dǎo)通120°，故流過晶閘管的電流有效值為：從交流電源送到直流側(cè)負(fù)載的有功功率為：在三相橋式電路中，變壓器二次側(cè)線電流有效值為：12脈動換流器是由兩個6脈動換流器在直流側(cè)串聯(lián)而成，與6脈動換流器的工作原理相同，其交流側(cè)通過換流變壓器的網(wǎng)側(cè)繞組并聯(lián)而成。換流變壓器的閥側(cè)繞組一個為星形接線，而另一個為三角形接線，從而使兩個6脈動的換流器的交流側(cè)，得到相位相差30

59、6;的換向電壓。12脈動換流器可以采用兩組雙繞組的換流變壓器，也可以采用一組三繞組的換流變壓器。12脈動換流器有VT1-VT12共12個換流閥組成，在每一個工頻周期內(nèi)有12個換流閥輪流導(dǎo)通。它需要12個與交流系統(tǒng)同步的按序觸發(fā)脈沖。脈沖之間的間距為30°。逆變失敗：逆變運行時，一旦發(fā)生換相失敗，外接的直流電源就會通過晶閘管形成短路，或者使變流器的輸出平均電壓和直流電動勢變成順向串聯(lián)。由于逆變電路的內(nèi)阻很小，就會形成很大的短路電流，這種情況稱為逆變失敗，或稱為逆變顛覆。造成逆變失敗的原因很多，主要有以下幾種情況：（1）觸發(fā)電路工作不可靠，不能適時、準(zhǔn)確的給個經(jīng)扎管分配脈沖，如脈沖丟失、

60、脈沖延時等，致使晶閘管不能正常換相，使交流電源電壓和直流電動勢順向串聯(lián)，形成短路（2）晶閘管發(fā)生故障，在應(yīng)該阻斷的期間，器件失去阻斷能力，或在應(yīng)該導(dǎo)通時，器件不能導(dǎo)通，造成逆變失敗。（3）在逆變工作時，交流電源發(fā)生缺相或突然消失，由于直流電動勢的存在，晶閘管仍可導(dǎo)通，此時變流器的交流側(cè)由于失去了同直流電動勢急性相反的交流電壓，因此直流電動勢將通過晶閘管使電路短路。（4）換相裕量角不足，引起換相失敗，應(yīng)考慮變壓器漏抗引起重疊角對逆變電路換相的影響。2.2 500KV單極直流輸電系統(tǒng)的設(shè)備及其選擇2.2.1 換流變壓器 在高壓直流輸電系統(tǒng)中，換流變壓器是最重要的設(shè)備之一，這是由于其處于在交流電與直

61、流電互相變換的核心位置以及在設(shè)備制造技術(shù)方面的復(fù)雜性和設(shè)備費用的昂貴等所決定的。換流變壓器與換流閥一起實現(xiàn)交流電與直流電之間的相互變換?，F(xiàn)代高壓直流輸電系統(tǒng)一般都采用每極一組12脈動換流器的結(jié)構(gòu)，所以換流變壓器需要為兩個串聯(lián)的6脈動換流器之間提供30°的相角差，從而形成12脈動換流器結(jié)構(gòu)。換流變壓器的阻抗限制了閥臂短路和直流母線上短路的故障電流，使換流閥免遭破壞。由于換流變壓器的運行與換流器的換相所造成的非線性密切相關(guān)，所以換流變壓器在漏抗、絕緣、諧波、直流偏磁、有載調(diào)壓和實驗等方面與普通電力變壓器有著不同的特點。換流變壓器的總體結(jié)構(gòu)可以是三相三繞組式、三相雙繞組式、單相雙繞組式和單

62、相三繞組式三種。換流變壓器的結(jié)構(gòu)型式示意圖如下圖所示。采用何種結(jié)構(gòu)型式的換流變壓器器，應(yīng)根據(jù)換流變壓器交流側(cè)及直流側(cè)的系統(tǒng)電壓要求，變壓器的容量、運輸條件以及換流站布置要求等因素進(jìn)行全面考慮確定。對于中等額定容量和電壓的換流變壓器可選用三相變壓器。采用三相變壓器的優(yōu)點是減小材料用料、減小變壓器占地空間及損耗、特別是空載損耗。對于容量較大的換流變壓器，可采用單相變壓器組，高壓大容量直流輸電系統(tǒng)采用單相三繞組換流變壓器相對于采用單相雙繞組來說具有更少的鐵芯、油箱、套管及有載調(diào)壓開關(guān)。換流變壓器的參數(shù)選擇如下：本科題直流輸電的主要運行參數(shù)為：直流電壓500KV，額定直流電流1600A，單極額定容量8

63、00MW。整流器的觸發(fā)角一般取15°左右，最小為5°；逆變器的關(guān)斷角一般取15°18°，最小值為15°。本科題整流側(cè)額定觸發(fā)角N=15°，逆變側(cè)額定關(guān)斷角N=17°。整流側(cè)額定直流空載電壓·············（1）逆變側(cè)額定直流空載電壓·············（

64、2）上兩式中，n為每極6脈動換流器數(shù)，對于每極1組12脈動換流器，則n=2;為整流側(cè)額定直流電壓（本課題中為500KV）；為換流閥正向?qū)▔航担?.3KV）；N為整流側(cè)額定觸發(fā)角（15°）；N為逆變側(cè)額定關(guān)斷角（17°）；、為對應(yīng)于換流變壓器額定抽頭位置的整流側(cè)與逆變側(cè)的直流感性壓降標(biāo)幺值；、分別為對應(yīng)于換流變壓器額定抽頭位置的整流側(cè)與逆變側(cè)的直流阻性壓降標(biāo)幺值；為直流輸電線路電阻；為額定直流電流。（注：三峽-常州直流輸電工程與被課題相似，根據(jù)三-常直流輸電工程的經(jīng)驗，取=0.082，,=0.003，=3）。將上述數(shù)據(jù)帶入公式（1）和（2）得:整流側(cè)額定直流空載電壓284

65、.1KV逆變側(cè)額定直流空載電壓276.87KV換流變壓器變比 （注：其中為交流網(wǎng)側(cè)額定電壓。本課題中整流側(cè)是330KV，逆變側(cè)是220KV）換流變壓器閥側(cè)交流額定電壓（整流側(cè)）=210.37KV （逆變側(cè)）=205.02KV換流變壓器閥側(cè)交流電流有效值（整流側(cè)=逆變側(cè)）1306.4A對于12脈動換流器，采用單相雙繞組換流變壓器的額定容量為： 因此，換流變壓器的選擇如下： 通過查詢資料，可選擇西電變壓器廠2003年生產(chǎn)的ZZDFPZ-297500/500型單相雙繞組變壓器。每極3臺，每站各4臺（1臺備用）。2.2.2 換流閥在直流輸電系統(tǒng)中，為實現(xiàn)換流所需的三相橋式換流器的橋臂，稱為換流閥，它是

66、換流器的基本換流單元設(shè)備。換流閥是進(jìn)行換流的關(guān)鍵設(shè)備，在直流輸電工程中，它除了具有進(jìn)行整流和逆變的功能外，在整流站還具有開關(guān)的功能，可以利用其快速可控性對直流輸電的起動和停運進(jìn)行快速操作。20世紀(jì)80年代以來，半導(dǎo)體閥代替了汞弧閥，半導(dǎo)體閥又可分為常規(guī)晶閘管閥（簡稱晶閘管閥）、低級門極關(guān)斷晶閘管閥（GTO閥）和高頻絕緣柵雙極晶體管閥（IGBT閥）三類。目前絕大多數(shù)直流輸電工程均采用晶閘管閥。晶閘管導(dǎo)通的工作原理可以用雙晶體管模型來解釋。如圖所示，如果在器件上取一傾斜的截面，則晶閘管可以看由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個晶體管V1和V2組成。如果外電路向門極注入電流IG，也就是注入驅(qū)動電流

67、，則IG流入晶體管V2的基極，即產(chǎn)生集電極電流Ic2，它構(gòu)成晶體管V1的基極電流，放大成集電極電流Ic1,又進(jìn)一步增大V2的基極電流，如此形成強(qiáng)烈的正反饋，最后V1和V2進(jìn)入完全的飽和狀態(tài)，即晶閘管導(dǎo)通。此時如果撤掉外電路注入門極的電流IG，晶閘管內(nèi)部已經(jīng)形成了強(qiáng)烈的正反饋會仍然維持導(dǎo)通狀態(tài)。而若要使晶閘管關(guān)斷，必須去掉陽極所加的正向電壓，或者給陽極施加反壓，或者設(shè)法使流過晶閘管的電流降低到接近于零的某一數(shù)值下，晶閘管才能關(guān)斷。所以對晶閘管驅(qū)動過程更多的是稱為觸發(fā)，產(chǎn)生注入門極的觸發(fā)電流IG的電路稱為門極觸發(fā)電路。也正是由于通過其門極只能控制其開通，不能控制其關(guān)斷，晶閘管才被稱為半控型器件?？?/p>

68、結(jié)前面介紹的工作原理，可以簡單歸納晶閘管正常工作時的特性如下：（1）當(dāng)晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。（2）當(dāng)晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能導(dǎo)通。（3）晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通。（4）如果要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到其維持電流一下。晶閘管的主要參數(shù)：（1）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓。斷態(tài)重復(fù)峰值電壓是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓，國際規(guī)定重復(fù)頻率為50HZ，每次持續(xù)時間不超過10ms。規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓為斷態(tài)

69、不重復(fù)峰值電壓（即斷態(tài)最大瞬時電壓）的90%。（2）反向重復(fù)峰值電壓。反向重復(fù)峰值電壓是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。規(guī)定反向峰值電壓為反向不重復(fù)峰值電壓（即反向最大瞬態(tài)電壓）的90%。通常取晶閘管的和中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時，額定電壓要留有一定的裕量，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的23倍（3）通態(tài)平均電流。國標(biāo)規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。這也是標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。同電力二極管的正向平均電流一樣，這個參數(shù)是按照正向電流造成的器件本

70、身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來定義的。一般取其通態(tài)平均電流為按此原則所得計算結(jié)果的1.52倍。 =（1.52） ：流過晶閘管正弦電流的有效值。在選擇晶閘管元件時，一般要求各元件具有下列特性：1）耐壓強(qiáng)度高。從晶閘管陽極的伏安特性知，其反向特性與二極管相似，要求在正向電壓時，控制極加觸發(fā)脈沖就能立即導(dǎo)通；而處于反向電壓時，要求不導(dǎo)通。因此要求晶閘管元件有足夠高的絕緣強(qiáng)度承受反向電壓。如果反向電壓瞬時值超過擊穿電壓，晶閘管元件將永久損壞。2）承載能力大。晶閘管元件的額定電流是指通態(tài)電流為正弦波時，所允許的通態(tài)平均電流。如果通態(tài)電流不是正弦波，則通態(tài)平均電流的允許值就不一定等于額定電流。決定其允許值的最根

71、本依據(jù)是晶閘管結(jié)溫的最高運行值。改善散熱條件可以通過改變通態(tài)電流的允許值。3）開通時間和電流上升率的限制。當(dāng)晶閘管元件陽極加正向電壓，并在控制極上加足夠大的觸發(fā)電流后，晶閘管元件并不是立即完成開通過程，它的通態(tài)電流上升和通態(tài)電壓下降都有一個過程。晶閘管的串聯(lián)：當(dāng)晶閘管的額定電壓小于實際要求時，可以用兩個以上同型號器件相串聯(lián)。理想的串聯(lián)希望各器件承受的電壓相等，但實際上因器件特性的分散性，即使是標(biāo)稱定額相同的器件之間其特性也會存在差異，一般都會存在電壓分配不均的問題。串聯(lián)的器件流過的漏電流總是相同的，但由于靜態(tài)伏安特性的分散性，各器件所承受的電壓是不相同的。兩個晶閘管串聯(lián)，在同一漏電流下所承受的

72、正向電壓是不同的。若外加電壓繼續(xù)升高，則承受電壓高的器件將會首先達(dá)到轉(zhuǎn)折電壓而導(dǎo)通，使另一個器件承受全部電壓而導(dǎo)通，兩個器件都失去控制作用。同理，反向時，因伏安特性不同而不均壓，可能使其中一個器件先反向擊穿，另一個隨之擊穿。這種由于器件靜態(tài)特性不同而造成的均壓問題稱為靜態(tài)不均壓問題。為達(dá)到靜態(tài)均壓首先應(yīng)該選用參數(shù)和特性盡量一致的器件，此外可以采用電阻均壓。如下圖所示，Rp的阻值應(yīng)該比任何一個器件阻斷時的正、反向電阻小得多，這樣才能使每個晶閘管分擔(dān)的電壓決定于均壓電阻的分壓。換流閥的參數(shù)選擇如下：晶閘管的額定電流（通態(tài)平均電流）=588.38A。再考慮裕量，可以將計算結(jié)果擴(kuò)大1.5倍，故可以選取

73、額定電流為1000A的晶閘管。計算換流所需要的晶閘管個數(shù)： 根據(jù)公式2.34，其中為輸出直流電壓的平均值（本課題由于采用12脈動換流器，所以一個6脈動換流器的為250KV），為所要求的觸發(fā)角（本課題中為15°） 因此可以得出變壓器二次側(cè)電流有效值 =110.61KV 所以一個閥臂所承受的最大反向電壓為變壓器二次線電壓的峰值，即 =271KV 再打上2倍的裕量，則閥臂承受的最大反向電壓=542KV 如今晶閘管的耐壓最大可達(dá)8KV。所以，采用8KV耐壓的晶閘管時，一個閥臂上所需的晶閘管數(shù)個，故整個直流輸電系統(tǒng)所需的晶閘管個數(shù)個。2.2.3 平波電抗器 直流平波電抗器與直流濾波器一起構(gòu)成高

74、壓直流換流站直流側(cè)的直流諧波濾波電路。平波電抗器能防止由直流線路或直流開關(guān)站所產(chǎn)生的陡波沖擊波進(jìn)入閥廳，從而使換流閥免于遭受過電壓應(yīng)力而損壞；平波電抗器能平滑直流電流中的紋波，能避免在低直流功率傳輸時電流的斷續(xù)；平波電抗器通過限制有快速電壓變壓所引起的電流變化率來降低換向失敗率。因此平波電抗器是高壓直流換流站的重要設(shè)備之一。平波電抗器一般串聯(lián)于每極換流站和直流線路之間，由于平波電抗器的電壓和電流額定值是根據(jù)直流主回路確定的，因此對平波電抗器的選擇設(shè)計，主要考慮其電感取值。從平波電抗器的功能來看，希望電感值越大越好；但電感值過大，同時會降低直流系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能。因此平波電抗器電感值的選擇也是一

75、項關(guān)鍵任務(wù)，需要從各種限制因素中加以權(quán)衡。平波電抗器的電感量在滿足主要性能要求的前提下應(yīng)盡量小一點，其選擇應(yīng)考慮以下幾點：（1）限制故障電流的上升率。其簡化計算公式為：（2）平抑直流電流的波紋。其估算公式為： （3）為防止直流低負(fù)荷時的電流斷續(xù)。對于12脈動換流器可用下式計算： 其中為換流器理想空載電壓；為直流低負(fù)荷時的換流器觸發(fā)角；為允許的最小直流電流限制。本課題按避免輕載時直流電流斷續(xù)的要求來估算電感值：允許的最小直流電流限制=65.3A換流器所允許的觸發(fā)角（關(guān)斷角）最大值為45°，故直流系統(tǒng)等效電感為： =考慮一定的裕度，電感值取為300mH是合理的?？蛇xPKDFP-500-3

76、000-290型2.2.4 輸電線諧波分析直流輸電系統(tǒng)的諧波有特征諧波和非特征諧波。這些諧波對交、直流系統(tǒng)中的設(shè)備及鄰近的通信系統(tǒng)都有不良影響和危害。往往需要采取措施加以疏導(dǎo)和抑制，使諧波分量能符合有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。 特征諧波。在以下理想條件下，換流器產(chǎn)生的諧波稱為特征諧波。換相電壓為三相對稱的正弦基波電壓換流各相的換相電抗相等換流閥的觸發(fā)脈沖等距換流器直流側(cè)電流為一恒定的直流電流。對換流器交、直流側(cè)的電流和電壓波形進(jìn)行傅立葉分析可知，一個脈動數(shù)為P的換流器，在理想條件下，交流側(cè)的諧波次數(shù)為n=kp±1次，k為正整數(shù)，其中 kp+1次為正序， kp-1次為負(fù)序；直流側(cè)的諧波次數(shù)為n

77、=kp次。對6脈動和12脈動換流器，交流側(cè)分別產(chǎn)生5，7，11，13次和11，13，23，25次的特征諧波；直流側(cè)分別產(chǎn)生6，12，18次和12，24，36次的特征諧波。交流側(cè)諧波電流的大小與觸發(fā)角a(或關(guān)斷角g)和換相角m有關(guān)，并且諧波次數(shù)愈高其有效值愈小。當(dāng)換相角為零時（電流波形為寬120°電角度的矩形波），n次諧波電流的有效值為基波電流有效值的1/n。諧波電流隨換相角的加大或觸發(fā)角（或關(guān)斷角）減小而減小。直流側(cè)特征諧波電壓的大小隨觸發(fā)角a（或關(guān)斷角g）加大而增大并與換相角m有關(guān)，而換相角m又與直流電流、換相電抗以及a（或g）角有關(guān)。因此，12脈動換流器比6脈動換流器的諧波特性有

78、很大的改善，這也是目前換流站只采用12脈動換流器作基本換流單元的主要原因。12脈動換流器是由換相電壓的相位相差30°的兩個6脈動換流器串聯(lián)而成，通常30°的相位差是由換流變壓器閥側(cè)線圈采用Y 和 接線來實現(xiàn)。 換流站交流側(cè)諧波電流，按交流電網(wǎng)諧波阻抗的分布情況，流入交流電網(wǎng)，產(chǎn)生諧波電壓，畸變交流電壓波形；直流側(cè)的諧波電壓加在平波電抗器，直流濾波器和直流輸電線路組成的直流網(wǎng)絡(luò)上，產(chǎn)生諧波電流。為了計算這些諧波電壓和電流的分布，通常是將換流站交流側(cè)各次諧波電流視為諧波電流源，應(yīng)用交流系統(tǒng)對應(yīng)的各次諧波阻抗等值網(wǎng)絡(luò)分別求解；而將直流側(cè)各次諧波電壓視為諧波電壓源，應(yīng)用直流網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)

79、的各次諧波的等值網(wǎng)絡(luò)分別求解。也可以采用統(tǒng)一計算交、直流系統(tǒng)中特征諧波潮流的方法來進(jìn)行分析。 非特征諧波。在各種非理想條件下，換流器交、直流側(cè)所產(chǎn)生的，除特征諧波以外的其它各次諧波，均稱為非特征諧波。常見的非特征諧波有交流系統(tǒng)中的3次諧波以及由此而產(chǎn)生的換流器交、直流側(cè)的非特征諧波，直流側(cè)的9次和18次諧波等。非特征諧波的計算分析比較復(fù)雜。通常是對各種因素分別單獨考慮，經(jīng)簡化處理，得出交流側(cè)和直流側(cè)的非特征諧波電流和電壓，把它們視為諧波電流和電壓源，來計算交、直流網(wǎng)絡(luò)中的非特征諧波電流和電壓的分布。諧波的產(chǎn)生：各種換流器都在直流側(cè)產(chǎn)生諧波，直流輸電系統(tǒng)中常用的橋式換流器也不例外。直流側(cè)的薛波主

80、要是換流引起的諧波，即所謂特征諧波和其他原因引起的諧波，其中由其他原因引起的諧波主要是指換流器參數(shù)和控制的各種不對稱引起的諧波以及交流電網(wǎng)中諧波通過換流器轉(zhuǎn)移到直流側(cè)的諧波，即所謂非特征諧波。諧波的污染與危害:諧波的污染與危害主要表現(xiàn)在對電力與信號的干擾影響方面。可大致概括諧波對電力的危害有以下幾個方面：旋轉(zhuǎn)電機(jī)（換流變壓器過負(fù)荷）等的附加諧波損耗與發(fā)熱。諧波諧振過電壓，造成電氣元器件及設(shè)備的故障與損壞。電能計算錯誤。在對信號干擾方面有：對通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，使電信質(zhì)量下降；使重要的和敏感的自動控制、保護(hù)裝置誤動作；危害到功率處理器自身的正常運行。1.對變壓器的影響負(fù)荷電流含有諧波時，將在3個方面引起變壓器發(fā)熱的增加：（1）方根均值電流。如果變壓器容量正好與負(fù)荷容量相同，那么諧波電流將使得方均根值電流大于額定值。總方均根值電流的增加會引起導(dǎo)體損耗增加。（2）渦流損耗。渦流是由磁鏈引起的變壓器的感應(yīng)電流。感應(yīng)電流流經(jīng)繞組、鐵芯以及變壓器磁場環(huán)繞的其他導(dǎo)體時，會產(chǎn)生附加發(fā)熱。這部分損害以引起渦流的諧波電流的頻率的二次方增加。因此該損耗是變壓器諧波發(fā)熱損耗的重要組成部分。（3）鐵芯損耗?？紤]諧波時，鐵損的增加取決于諧波對外加電壓的影響以及變壓器的組成部分。2.對電機(jī)