直流輸電技術(shù)概述

1、清 華 大 學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系生 產(chǎn) 實(shí) 習(xí) 技 術(shù) 報(bào) 告實(shí)習(xí)地點(diǎn)：西安西電集團(tuán)姓 名：李爽班 級(jí)：電24學(xué) 號(hào)：20120109642015 年 8 月 12 日目 錄一、直流輸電發(fā)展歷史11.1 國(guó)外直流輸電發(fā)展史11.1.1 早期電力傳輸11.1.2 汞弧閥時(shí)期11.1.3 晶閘管閥時(shí)期21.2 我國(guó)直流輸電的發(fā)展4二、直流輸電的特點(diǎn)72.1 直流輸電的優(yōu)勢(shì)72.1.1 架空線路造價(jià)低72.1.2 線路有功損耗小72.1.3 不受交流輸電穩(wěn)定性的限制72.1.4 便于功率控制82.1.5 便于電網(wǎng)互聯(lián)82.1.6 利用大地輸電82.2 直流輸電的不足82.2.1 換流站造價(jià)高8

2、2.2.2 換流裝置要消耗大量無(wú)功功率92.2.3 換流產(chǎn)生諧波92.2.4 斷路器研制困難92.2.5 利用大地作為回路的問(wèn)題92.3 直流輸電應(yīng)用場(chǎng)合92.3.1 遠(yuǎn)距離大容量輸電92.3.2 電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)102.3.3 電纜輸電11三、直流輸電換流技術(shù)133.1 6脈動(dòng)換流單元133.1.1 6脈動(dòng)整流器133.1.2 6脈動(dòng)逆變器153.2 12脈動(dòng)換流器16四、直流換流站設(shè)備194.1 換流閥194.1.1 換流閥的基本性能要求194.1.2 換流閥設(shè)計(jì)與選擇194.2 換流變壓器214.2.1 換流變壓器的特殊之處214.2.2 換流變壓器的線圈224.3 平波電抗器234.3.1

3、 平波電抗器的功能234.3.2 平波電抗器的型式244.4 無(wú)功補(bǔ)償裝置244.4.1 機(jī)械投切式無(wú)功補(bǔ)償裝置254.4.2 靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置254.4.3 同步調(diào)相機(jī)25參考文獻(xiàn)IIII一、 直流輸電發(fā)展歷史一、 直流輸電發(fā)展歷史1.1 國(guó)外直流輸電發(fā)展史1.1.1 早期電力傳輸人類對(duì)于電的應(yīng)用和認(rèn)識(shí)最初都是起源于直流電的，而電力技術(shù)的發(fā)展也是從直流電開(kāi)始的。早期的電氣照明和動(dòng)力等負(fù)荷都是采用直流電的，由直流發(fā)電機(jī)發(fā)出直流電直接通過(guò)輸電線路送到直流負(fù)荷，也就是發(fā)電、輸電和用電均為直流電。1882年，愛(ài)迪生在紐約珍珠街建造了世界上首座變電站，該變電站通過(guò)110V的直流電向周邊半徑為1.6km

4、的地區(qū)供電；1882年德國(guó)建成了2 kV、1.5 kW、57 km向慕尼黑國(guó)際展覽會(huì)的送電工程；1889年法國(guó)通過(guò)串聯(lián)直流發(fā)電機(jī)得到高電壓，建成了由毛梯埃斯到里昂的世界上首條高壓直流輸電線路。19世紀(jì)末出現(xiàn)的變壓器和交流感應(yīng)電機(jī)等催生了交流輸電系統(tǒng)。交流輸電系統(tǒng)通過(guò)變壓器實(shí)現(xiàn)了電壓等級(jí)的高效、自由轉(zhuǎn)換，使高電壓、遠(yuǎn)距離輸電成為了可能。而感應(yīng)電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固耐用、造價(jià)低廉得到了廣泛應(yīng)用。交流系統(tǒng)由于其具有直流系統(tǒng)所不具備的優(yōu)勢(shì)，很快就取代了直流系統(tǒng)，在電力的發(fā)、輸、配、用都得到了廣泛應(yīng)用。至此，直流輸電系統(tǒng)幾乎已經(jīng)銷聲匿跡。1.1.2 汞弧閥時(shí)期20世紀(jì)中期，電力需求日益增長(zhǎng)，輸電容量和輸

5、電距離不斷增大，交流輸電系統(tǒng)開(kāi)始顯現(xiàn)出其弊端，例如電力系統(tǒng)同相運(yùn)行困難、輸電穩(wěn)定性差、電暈損耗嚴(yán)重等，人們?cè)俅伟l(fā)現(xiàn)了直流輸電的優(yōu)勢(shì)。而1928年具有柵極控制能力的汞弧閥研制成功，實(shí)現(xiàn)了電流的整流和逆變，使得直流輸電成為了可能。1954年，世界上第一個(gè)工業(yè)性直流輸電工程果特蘭島工程在瑞典投入運(yùn)行，該線路全長(zhǎng)96 km，輸送容量20 MV，電壓100 kV，采用汞弧閥實(shí)現(xiàn)換流。直到1977年最后一個(gè)采用汞弧閥換流的直流工程加拿大納爾遜河I期工程，全球共有12項(xiàng)采用汞弧閥換流的直流工程投入運(yùn)行。但是汞弧閥制造技術(shù)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、易發(fā)生逆弧導(dǎo)致?lián)Q流失敗，而且汞蒸氣有毒，危害人體健康。汞弧閥的“先天不足

6、”限制了它的應(yīng)用，使得早期直流輸電步履維艱。圖1 瑞典果特蘭島工程用的汞弧閥1.1.3 晶閘管閥時(shí)期20世紀(jì)70年代，電力電子技術(shù)迅速發(fā)展，高電壓大功率晶閘管等電力電子器件問(wèn)世。晶閘管換流閥和微機(jī)控制技術(shù)逐步應(yīng)用于直流輸電工程中，極大地提高了直流輸電的運(yùn)行性能和可靠性，促進(jìn)了直流技術(shù)的發(fā)展。1972年，世界上第一個(gè)采用晶閘管換流閥的直流輸電工程加拿大伊爾河工程投入運(yùn)行。該工程是一個(gè)連接布倫茲瑞克和魁北克水電站的背靠背直流輸電工程，電壓為2×80 kV，交換容量為320 MW，每個(gè)換流站包括兩個(gè)換流橋，4000個(gè)晶閘管安放在40個(gè)單元中，每4個(gè)單元并聯(lián)組成一個(gè)橋臂。伊爾河工程標(biāo)志著直流

7、輸電發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新階段，此后所有的直流輸電工程均采用晶閘管換流，汞弧閥被淘汰。在此期間，電力電子技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)、光纖技術(shù)和氧化鋅避雷器等新技術(shù)逐步應(yīng)用于直流輸電領(lǐng)域，促進(jìn)了直流輸電技術(shù)不斷提高和改進(jìn)，使之更加成熟，也得到了更加廣泛的應(yīng)用。圖2 西電集團(tuán)電觸發(fā)晶閘管（ETT）換流閥圖3 西電集團(tuán)光觸發(fā)晶閘管（LTT）換流閥1.2 我國(guó)直流輸電的發(fā)展我國(guó)的直流輸電工程是在1958年提出的，最初是為了配合長(zhǎng)江三峽水力資源的開(kāi)發(fā)，便于三峽電站的電力外送。1963年，中國(guó)電力科學(xué)研究院建成了我國(guó)第一套直流輸電模擬裝置，開(kāi)始了對(duì)直流輸電換流技術(shù)和控制保護(hù)技術(shù)的研究。1974年，西安高壓電器研究所建成了

8、8.5 kV，200 A，容量為1.7 MW的背靠背換流試驗(yàn)站。該試驗(yàn)站用于對(duì)一次設(shè)備和二次設(shè)備進(jìn)行考核和對(duì)直流輸電的控制保護(hù)特性及故障類型進(jìn)行試驗(yàn)研究。1977年，在上海一條報(bào)廢的交流電纜線路的基礎(chǔ)上，建成了一條31 kV，150 A，4.65 MW的直流輸電試驗(yàn)工程，線路全長(zhǎng)8.6 km。1980年，我國(guó)決定自行建設(shè)一項(xiàng)直流輸電工程，這就是舟山直流輸電工程。1987年，舟山直流輸電工程投入試運(yùn)行。線路為雙極 ±100 kV，500 A，100 MW，全長(zhǎng)54 km。舟山直流工程特點(diǎn)如下：1) 舟山直流工程的線路受端為弱交流系統(tǒng)，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在逆變側(cè)的換流變壓器上裝設(shè)了一臺(tái)

9、30 Mvar的調(diào)相機(jī)，提高受端的電壓穩(wěn)定性。2) 直流輸電線路為架空線和海底電纜混合型。線路全長(zhǎng)54 km，其中12 km為海底電纜，42 km為架空線，如圖4所示。這給線路的保護(hù)和利用電力線載波通信帶來(lái)了困難。3) 采用直流輸電連接了華東電網(wǎng)和舟山電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)電網(wǎng)的非同步運(yùn)行。4) 舟山工程從科研設(shè)計(jì)、設(shè)備制造到調(diào)試運(yùn)行，均依靠國(guó)內(nèi)的力量，作為一條試驗(yàn)性的工業(yè)項(xiàng)目，為我國(guó)直流輸電的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。4此后，舟山工程又進(jìn)行過(guò)一系列的更新與改造，使其更加適應(yīng)現(xiàn)代的發(fā)展水平。舟山工程后，陸續(xù)又有數(shù)十條直流輸電工程先后投運(yùn)，截至2011年底，已投運(yùn)的直流輸電工程見(jiàn)表1。表1 我國(guó)已投運(yùn)的直流輸電

10、工程（截至2011年）序號(hào)工程名額定電壓/kV額定電流/A額定容量/MW輸送距離/km投運(yùn)年份1舟山工程100500505419892葛-南工程±50012001200104519893天-廣工程±5001800180098020004三-常工程±5003000300086020025嵊-泗工程±50600606620026三-廣工程±5003000300097620047貴-廣I回工程±5003000300088220048靈寶工程1203000360020059三-滬工程±500300030001040200610貴-廣

11、II回工程±500300030001225200811高嶺工程±125300015002090200812德寶工程±50030003000545201013云-廣工程±800312550001373201014向-上工程±800400064001907201015呼-遼工程±50030003000908201016寧東直流工程±660303040001333201117黑河工程±50030001000411201118青藏工程±4001400120025302011特別是在2010年投入運(yùn)行的云-廣工程，

12、是我國(guó)也是世界上首條特高壓直流輸電工程，標(biāo)志著我國(guó)特高壓直流輸電技術(shù)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。圖5 云廣工程線路圖6 云廣工程穗東換流站16二、 直流輸電的特點(diǎn)二、 直流輸電的特點(diǎn)2.1 直流輸電的優(yōu)勢(shì) 與交流輸電相比，直流輸電有很多優(yōu)勢(shì)，從而得到越來(lái)越多的應(yīng)用。2.1.1 架空線路造價(jià)低雙極輸電的直流架空線路只需要正負(fù)兩極導(dǎo)線，而三相輸電的交流線路需要三根導(dǎo)線。與交流系統(tǒng)相比，輸送相同的功率，直流輸電線路可以節(jié)約1根導(dǎo)線，從而節(jié)約了大量的鋼材、絕緣子等資源，同時(shí)還減少了大量的安裝使用費(fèi)用。直流輸電的導(dǎo)線數(shù)量少，桿塔的負(fù)重較小，降低了桿塔的設(shè)計(jì)建造要求。同時(shí)直流輸電還可以充分利用輸電走廊，其走廊寬度僅

13、為交流輸電的一半左右。如直流±500 kV的線路走廊寬度約為30 m，而交流500 kV的線路走廊寬度為55 m。2.1.2 線路有功損耗小直流輸電線路損耗主要是電阻損耗，輸電過(guò)程中沒(méi)有電感和電容，沒(méi)有無(wú)功損耗，有效負(fù)荷高；在電暈損耗方面，當(dāng)導(dǎo)線表面的場(chǎng)強(qiáng)相同時(shí)，直流架空線路的電暈損耗僅為交流線路的50%60%。2.1.3 不受交流輸電穩(wěn)定性的限制交流電力系統(tǒng)中輸送的功率為 式中，E1和E2分別為送端和受端的電動(dòng)勢(shì)，X12是送端和受端之間的等值電抗，是E1和E2之間的相位差，稱為功率角。當(dāng)=90°時(shí)，此時(shí)為交流系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定極限。當(dāng)因?yàn)橄到y(tǒng)擾動(dòng)發(fā)生時(shí)導(dǎo)致>90

14、6;，系統(tǒng)兩端將會(huì)失去同步運(yùn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)裂解。隨著輸電距離的增大，X12增大，允許輸送的功率減小，限制了交流輸電的距離。直流輸電的兩端交流系統(tǒng)經(jīng)過(guò)整流和逆變隔離，不需要同步運(yùn)行，所以不存在穩(wěn)定性的問(wèn)題。這使得其輸電距離和容量不受穩(wěn)定性的限制。2.1.4 便于功率控制直流輸電的整流和逆變都有晶閘管控制。通過(guò)改變換流過(guò)程中的控制角，可以改變線路中輸送的直流功率，而不受兩端交流電網(wǎng)的影響，必要時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)。這為電力系統(tǒng)調(diào)度和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制帶來(lái)了極大的方便，提高了輸電的靈活性、迅速性和高效性。2.1.5 便于電網(wǎng)互聯(lián)現(xiàn)代大電網(wǎng)的交流互聯(lián)要保證不同電網(wǎng)之間的同步運(yùn)行，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的難度。各大電網(wǎng)

15、之間也容易互相干擾，增大了系統(tǒng)故障的幾率。而通過(guò)直流聯(lián)網(wǎng)，直流輸電通過(guò)整流和逆變過(guò)程，隔離了不同的交流電網(wǎng)，可以令被聯(lián)網(wǎng)的交流系統(tǒng)按照各自的頻率和相位獨(dú)立的運(yùn)行，各自進(jìn)行調(diào)壓調(diào)頻和系統(tǒng)調(diào)度，不受聯(lián)網(wǎng)的影響。2.1.6 利用大地輸電直流電作用下，只有電阻起作用，而電感和電容影響，在輸電過(guò)程中可以利用大地或者海水作為回路的負(fù)極，這樣可以省去一極的導(dǎo)線，同時(shí)大地和海水的電阻率低，損耗小，運(yùn)行費(fèi)用低。雙極輸電系統(tǒng)通常將大地作為備用導(dǎo)線，相當(dāng)于兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的單極系統(tǒng)。當(dāng)一極出現(xiàn)故障時(shí)，可以轉(zhuǎn)為單極運(yùn)行，提高了輸電的可靠性。2.2 直流輸電的不足直流輸電雖然有很大的優(yōu)勢(shì)，但也存在不足，這也一定程度上限制了

16、其發(fā)展和應(yīng)用。2.2.1 換流站造價(jià)高直流輸電的換流站比交流變電站的設(shè)備多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。直流換流站除了交流變電站中同樣具有的變壓器和斷路器外，還要有換流器、平波電抗器、交直流濾波器和無(wú)功補(bǔ)償裝置等。所以同樣規(guī)模下，直流換流站的造價(jià)比交流變電站要高出數(shù)倍。同樣由于設(shè)備更加復(fù)雜，換流站的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用也更高。2.2.2 換流裝置要消耗大量無(wú)功功率換流閥在進(jìn)行換流時(shí)需要消耗大量的無(wú)功功率，可以占到直流輸送功率的40%60%。所以每個(gè)換流站都需要安裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備提高了換流站的造價(jià)，也增大了系統(tǒng)的運(yùn)行難度。2.2.3 換流產(chǎn)生諧波換流器對(duì)交流側(cè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)諧波電流源。它畸變了交流電流波形，產(chǎn)生

17、了大量的高次諧波電流，也畸變了交流電壓。換流器對(duì)直流側(cè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)諧波電壓源。它畸變了直流電壓波形，產(chǎn)生了大量的諧波電壓，也畸變了直流電流。為了減少線路的諧波，保證系統(tǒng)穩(wěn)定和電能質(zhì)量，需要在交流側(cè)和直流側(cè)都裝設(shè)濾波器，提高了系統(tǒng)造價(jià)、占地面積和運(yùn)行費(fèi)用，降低了系統(tǒng)穩(wěn)定性。2.2.4 斷路器研制困難直流輸電中沒(méi)有電流過(guò)零點(diǎn)，熄弧問(wèn)題難以解決，斷路器研制困難。雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)直流斷路器進(jìn)行了大量的研究和試驗(yàn)，但到目前仍然沒(méi)有性能較好的產(chǎn)品，嚴(yán)重限制了直流輸電的發(fā)展。2.2.5 利用大地作為回路的問(wèn)題利用大地或者海水作為回路會(huì)對(duì)沿途的金屬構(gòu)件和管道等造成電腐蝕；對(duì)通信系統(tǒng)和航海儀器產(chǎn)生干擾。2.3 直流輸

18、電應(yīng)用場(chǎng)合直流輸電的應(yīng)用取決于直流輸電的技術(shù)水平和電力發(fā)展的需要。目前實(shí)際應(yīng)用的輸電方式還是以交流輸電為主，直流輸電只是作為交流輸電的輔助和補(bǔ)充。直流輸電由于其特性，在一些場(chǎng)合下有較好的應(yīng)用。2.3.1 遠(yuǎn)距離大容量輸電直流輸電的線路造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用低于交流輸電，但是換流站的造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用比交流變電站高。因此，同樣的輸送容量下，輸送距離較短時(shí)，交流輸電更加經(jīng)濟(jì)，輸送距離較長(zhǎng)時(shí)，直流輸電更加經(jīng)濟(jì)。通常將兩種輸電方式造價(jià)相同時(shí)的輸電距離稱為等價(jià)距離。對(duì)于不同的國(guó)家，由于其經(jīng)濟(jì)水平和技術(shù)水平不同，等價(jià)距離通常也是不同的。我國(guó)目前架空線的等價(jià)距離為8001000 km，電纜線路的等價(jià)距離為2040km。

19、所以直流輸電在遠(yuǎn)距離大容量輸電方面更有優(yōu)勢(shì)。圖7 交直流輸電投資和輸電距離的關(guān)系2.3.2 電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)在于電網(wǎng)互聯(lián)，有利于資源的優(yōu)化配置，有較好的經(jīng)濟(jì)效益。但是交流方式聯(lián)網(wǎng)會(huì)帶來(lái)穩(wěn)定性、大面積停電和短路容量增大等一系列問(wèn)題，不利于電網(wǎng)的運(yùn)行和控制。采用直流聯(lián)網(wǎng)可以避免交流聯(lián)網(wǎng)的問(wèn)題。直流聯(lián)網(wǎng)是非同步聯(lián)網(wǎng)，可以保證被聯(lián)電網(wǎng)以各自的頻率和相位獨(dú)立運(yùn)行，而不必同步運(yùn)行，減小了聯(lián)網(wǎng)難度；直流輸電可以方便地控制被聯(lián)電網(wǎng)之間的潮流分布，改變傳輸功率的大小和方向；直流聯(lián)網(wǎng)不會(huì)增加被聯(lián)電網(wǎng)的短路容量，所以不需要更換斷路器等配套設(shè)備。目前常用的直流聯(lián)網(wǎng)方式有兩種，一種是背靠背直流聯(lián)網(wǎng)，所謂背

20、靠背就是將整流和逆變放置在同一個(gè)換流站內(nèi)，不需要直流輸電線路。我國(guó)華北電網(wǎng)與東北電網(wǎng)之間的高嶺背靠背直流輸電工程和西北電網(wǎng)與華中電網(wǎng)之間的靈寶背靠背工程就屬于這種類型。另外一種是遠(yuǎn)距離大容量輸電，既有輸電功能又有聯(lián)網(wǎng)功能。例如三峽電站向廣東和華東送電的三-廣工程和三-常工程就屬于這種類型。圖8 靈寶背靠背工程換流站圖9 三-廣工程荊州換流站2.3.3 電纜輸電電纜輸電的交直流等價(jià)距離只有2040 km，遠(yuǎn)低于架空線的等價(jià)距離。此外交流電纜輸電受到等效電容的影響，輸電距離受限。所以電纜輸電更適合用直流輸電方式?？梢岳弥绷麟娎|輸電方式進(jìn)行遠(yuǎn)距離大容量跨海輸電或者向負(fù)荷中心送電。三、 直流輸電換流

21、技術(shù)三、 直流輸電換流技術(shù)直流輸電過(guò)程需要先在送端將交流電變換為直流電，稱為整流，而后在受端將直流電變換為交流電，稱為逆變。整流和逆變統(tǒng)稱為換流。直流輸電的換流主要由換流站中的換流單元實(shí)現(xiàn)，目前工程上所采用的換流單元主要有6脈動(dòng)換流單元和12脈動(dòng)換流單元。3.1 6脈動(dòng)換流單元6脈動(dòng)換流單元主要由6脈動(dòng)換流器、換流變壓器、交直流濾波器等組成，原理圖如圖10所示。106脈動(dòng)換流單元的換流變壓器可以采用三相變壓器或者單相變壓器，閥側(cè)繞組可以是 接線或者Y接線。6脈動(dòng)換流方式會(huì)在交流側(cè)和直流側(cè)分別產(chǎn)生6k±1次和6k次的諧波。3.1.1 6脈動(dòng)整流器目前直流輸電中廣泛采用晶閘管換流閥。晶閘

22、管具有單向?qū)щ娦?，在施加電壓為正電壓且控制極有正脈沖時(shí)導(dǎo)通，但控制極沒(méi)有關(guān)斷能力，只能依靠外部回路的能力來(lái)關(guān)斷。圖11 6脈動(dòng)整流器工作原理126脈動(dòng)整流的原理圖如圖11所示，采用全橋整流方式。晶閘管VT1到VT6依次導(dǎo)通，每隔60° 電角度導(dǎo)通一個(gè)晶閘管，每個(gè)晶閘管導(dǎo)通時(shí)間為120° 電角度。所以每一時(shí)刻上下橋臂都有且只有一個(gè)晶閘管導(dǎo)通。線電壓uac由負(fù)變?yōu)檎臅r(shí)刻作為VT1的起始時(shí)刻，VT1導(dǎo)通時(shí)刻uac相位角稱為VT1的觸發(fā)角，VT1到VT6的觸發(fā)角都是相同的，通常用觸發(fā)角表示。根據(jù)的不同可以控制輸出直流電壓的大小。在交流電壓作用下，換流閥周期性的導(dǎo)通和關(guān)斷，整流出的

23、直流電壓為6段正弦曲線組成的脈動(dòng)電壓，所以稱為6脈動(dòng)整流。整流出的直流電流含有很多諧波，還存在一定的脈動(dòng)，所以需要用直流濾波器和平波電抗器來(lái)提高直流的波形質(zhì)量。133.1.2 6脈動(dòng)逆變器逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的裝置。6脈動(dòng)逆變器與整流器一樣，也是由6個(gè)換流閥組成的三相橋式電路。逆變器的換流閥導(dǎo)通順序與整流器一樣，在一個(gè)周期內(nèi)，將流入逆變器的直流電分為三段，送入交流側(cè)，轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?。但是逆變器是將直流?cè)的功率輸入到交流側(cè)，所以要求直流側(cè)的輸出電壓為負(fù)值，所以觸發(fā)角應(yīng)大于90°，圖14 6脈動(dòng)逆變器原理圖3.2 12脈動(dòng)換流器12脈動(dòng)換流器由兩個(gè)交流側(cè)電壓相位差為30°

24、 的6脈動(dòng)換流單元在直流側(cè)串聯(lián)而在交流側(cè)并聯(lián)組成的。圖15 12脈動(dòng)換流器原理圖12脈動(dòng)換流單元可以采用兩組雙繞組變壓器或者一組三繞組變壓器。為了實(shí)現(xiàn)換流變壓器閥側(cè)繞組的電壓相位差為30°，閥側(cè)繞組的接線方式必須是一個(gè)星形連接一個(gè)三角形連接。所以一組12脈動(dòng)換流單元的換流變壓器可以有四種組合方案，分別是：1臺(tái)三相三繞組變壓器，2臺(tái)三相三繞組變壓器，3臺(tái)單相三繞組變壓器，6臺(tái)單相單繞組變壓器。12脈動(dòng)換流器會(huì)在交流側(cè)和直流側(cè)分別產(chǎn)生12k±1和12k 次的諧波，所以需要安裝相應(yīng)的濾波器。目前大部分的直流輸電都采用這種換流方式，因?yàn)檫@種方式的換流站所需的設(shè)備數(shù)量少，投資省，運(yùn)行

25、可靠性高。四、 直流換流站設(shè)備四、 直流換流站設(shè)備4.1 換流閥直流輸電系統(tǒng)中，換流器的橋臂稱為換流閥，它是換流器的基本單元，是進(jìn)行換流的關(guān)鍵設(shè)備。目前的換流閥大多是由幾十到數(shù)百個(gè)晶閘管串聯(lián)而成。晶閘管按照觸發(fā)方式可以分為電觸發(fā)和光觸發(fā)兩種，相應(yīng)的換流閥也可以分為電觸發(fā)換流閥和光觸發(fā)換流閥。目前大部分的直流輸電工程都采用電觸發(fā)換流閥。4.1.1 換流閥的基本性能要求換流閥要在特定的條件下連續(xù)可靠的運(yùn)行，對(duì)其性能提出了一定的要求。1) 滿足系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的額定值系統(tǒng)額定值包括額定電壓、額定電流和額定功率等，系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行在這樣的參數(shù)值下。換流閥本身的耐受值要達(dá)到要求，換流閥的冷卻系統(tǒng)和其他輔助系統(tǒng)也

26、要滿足要求。2) 過(guò)負(fù)荷能力換流閥要有一定的過(guò)負(fù)荷承受能力，從而承受過(guò)電流情況下的運(yùn)行負(fù)荷。其過(guò)負(fù)荷能力應(yīng)該和直流輸電系統(tǒng)的過(guò)負(fù)荷能力相匹配。過(guò)負(fù)荷能力可以分為三種：連續(xù)過(guò)負(fù)荷能力：指可以連續(xù)運(yùn)行的過(guò)負(fù)荷承受能力；短時(shí)過(guò)負(fù)荷能力：一般指0.5至數(shù)小時(shí)內(nèi)可以連續(xù)運(yùn)行的過(guò)負(fù)荷承受能力；暫態(tài)過(guò)負(fù)荷能力：通常指數(shù)秒至1分鐘的過(guò)負(fù)荷承受能力。4.1.2 換流閥設(shè)計(jì)與選擇1) 換流閥的元件特性要求換流器性能的優(yōu)劣與晶閘管元件特性直接相關(guān)。單個(gè)元件的開(kāi)關(guān)功率容量應(yīng)較大，即元件耐壓水平高，電流定值大，以減少串聯(lián)元件數(shù)，降低相應(yīng)損耗和成本；閥內(nèi)晶閘管元件各種參數(shù)的分散性要較小，如元件的開(kāi)通時(shí)間應(yīng)盡量一致，盡量小

27、，以減小開(kāi)通過(guò)電壓，元件的恢復(fù)電荷盡量一致，盡量小，以減小關(guān)斷過(guò)電壓，提高關(guān)斷速度；晶閘管的觸發(fā)功率和通態(tài)壓降應(yīng)較低，以減少閥的損耗。2) 換流閥的耐壓特性換流閥要承受一定水平的過(guò)電壓，閥的耐壓設(shè)計(jì)應(yīng)存在一定的保護(hù)裕度?？紤]到電壓的不均勻分布、過(guò)電壓保護(hù)水平的分散性和其他非線性因素影響，保護(hù)裕度要足夠大。工程上常用的保護(hù)裕度是：對(duì)于操作沖擊和雷電沖擊應(yīng)大于避雷器保護(hù)水平的15；對(duì)于陡波頭沖擊電壓應(yīng)大于避雷器保護(hù)水平的20。換流閥的耐壓等級(jí)是由每個(gè)晶閘管的耐壓水平串聯(lián)疊得到的，所以閥的耐壓能力由晶閘管的串聯(lián)元件數(shù)所決定。實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，每個(gè)換流閥臂冗余元件數(shù)不應(yīng)少于3個(gè)。3) 換流閥的電流特性換

28、流閥要有一定的暫態(tài)過(guò)電流能力，以應(yīng)對(duì)系統(tǒng)故障的情況。對(duì)晶閘管常用浪涌電流能力ITSM表征，浪涌電流能力應(yīng)不小于系統(tǒng)的最大故障短路電流。4) 換流閥的損耗特性換流器的損耗特性是衡量其性能的重要指標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)高效可靠運(yùn)行的重要保障。根據(jù)直流輸電工程的經(jīng)驗(yàn)，換流站在額定工況時(shí)的損耗約為傳輸功率的1，而換流閥的損耗則占全站損耗的25左右。圖16 西電集團(tuán)制造的云-廣工程換流閥4.2 換流變壓器換流變壓器是直流換流站中的重要設(shè)備，它與換流閥一起實(shí)現(xiàn)交流電與直流電之間的相互變換，此外起著改變交流電壓等級(jí)，抑制直流短路電流，減少交流諧波等功能。4.2.1 換流變壓器的特殊之處由于換流變壓器與換流器相連，受到換

29、流器的影響，它與普通的電力變壓器存在很多的不同。1) 短路阻抗直流輸電中換流閥的換相過(guò)程實(shí)際上就是兩相短路的過(guò)程，因此產(chǎn)生較大的電流。為了將換向過(guò)程中的電流限制在一定范圍內(nèi)以免損壞換流閥的晶閘管元件，換流變壓器應(yīng)有足夠大的短路阻抗，因此換流變壓器的短路阻抗一般大于普通工頻變壓器的短路阻抗。但短路阻抗也不能過(guò)大，否則會(huì)使運(yùn)行中的無(wú)功損耗增加，需要增加額外的無(wú)功補(bǔ)償裝置，并導(dǎo)致?lián)Q相壓降過(guò)大。2) 絕緣在額定工況下，換流變壓器閥側(cè)繞組端部與地之間以及閥側(cè)繞組與網(wǎng)側(cè)繞組之間的主絕緣上長(zhǎng)期承受直流電壓；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生潮流反轉(zhuǎn)時(shí)，閥繞組所承受的直流電壓也同時(shí)發(fā)生極性反轉(zhuǎn)。因此換流變壓器要長(zhǎng)期持續(xù)受到交直流疊加

30、電場(chǎng)以及以極性反轉(zhuǎn)為代表的直流躍變電壓的作用。由此造成換流變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比普通的交流變壓器復(fù)雜。3) 諧波換流變壓器在運(yùn)行中會(huì)有較大的特征諧波電流和非特征諧波電流流過(guò)。諧波電流會(huì)使換流變壓器損耗和溫升增加，產(chǎn)生局部過(guò)熱，還會(huì)造成交流電網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)和電容器過(guò)熱。變壓器漏磁的諧波分量會(huì)使變壓器的雜散損耗增大，有時(shí)還可能會(huì)使某些金屬部件和油箱產(chǎn)生局部過(guò)熱現(xiàn)象。數(shù)值較大諧波磁通所引起的磁致伸縮噪音，一般處于聽(tīng)覺(jué)較為靈敏的頻帶，必要時(shí)要采取有效的隔音措施。4) 有載調(diào)壓考慮到運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)使換流器觸發(fā)角運(yùn)行在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，保證直流輸電系統(tǒng)經(jīng)常運(yùn)行在接近最佳狀態(tài)。因此換流變壓器應(yīng)具有較大的調(diào)

31、壓范圍。一般調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)的調(diào)壓范圍一般為20%30%，每檔調(diào)節(jié)量為1%2%，使得其有載分接頭檔位遠(yuǎn)多于普通工頻變壓器。 5) 直流偏磁換流器觸發(fā)時(shí)刻的間隔不等，交流母線正序2次諧波電壓和與直流線路并行的交流線路的感應(yīng)作用等將在換流變壓器閥側(cè)繞組電流中產(chǎn)生直流分量；接地極的入地電流引起的地電位變化會(huì)在網(wǎng)側(cè)繞組電流中產(chǎn)生直流分量，二者共同使換流變壓器產(chǎn)生直流偏磁現(xiàn)象。直流偏磁使得鐵芯的BH曲線上的運(yùn)行工作點(diǎn)繞行軌跡偏離對(duì)稱狀態(tài)，部分進(jìn)入一側(cè)的飽和段，導(dǎo)致勵(lì)磁電流分量出現(xiàn)一個(gè)半波的尖峰波形，使變壓器損耗、溫升及噪音均有所增加。因此直流偏磁問(wèn)題在設(shè)計(jì)時(shí)必須給予充分的考慮。4.2.2 換流變壓器的線圈換

32、流變壓器的線圈包括網(wǎng)側(cè)線圈、閥側(cè)線圈和調(diào)壓線圈三部分。繞組的排列方式通常有兩種，即“鐵心柱閥繞組網(wǎng)繞組調(diào)壓繞組”式和“鐵心柱調(diào)壓繞組網(wǎng)繞組閥繞組”式。1) 網(wǎng)測(cè)線圈換流變壓器網(wǎng)側(cè)線圈通過(guò)交流套管與交流系統(tǒng)聯(lián)接，線圈的電壓等級(jí)和絕緣水平取決于直流系統(tǒng)兩端聯(lián)接的交流網(wǎng)絡(luò)的電壓等級(jí)。換流變壓器網(wǎng)側(cè)線圈與相同電壓等級(jí)的電力變壓器的線圈結(jié)構(gòu)基本相同，此處不再介紹。2) 調(diào)壓線圈因?yàn)樽兞髯儔浩饔休^多的調(diào)壓級(jí)數(shù)，所以調(diào)壓線圈導(dǎo)線的并繞根數(shù)比較多，為此通常設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立的線圈，并與網(wǎng)側(cè)線圈末端相聯(lián)。當(dāng)在網(wǎng)側(cè)線圈首端施加沖擊電壓時(shí)，調(diào)壓線圈內(nèi)的沖擊電壓梯度較大，為防止擊穿，調(diào)壓線圈匝間絕緣厚度及對(duì)相鄰線圈或接地

33、部件的距離均要加大。為限制調(diào)壓線圈內(nèi)匝間電壓梯度，防止調(diào)壓線圈的匝間絕緣損壞，必要時(shí)需采用非線性電阻，以限制調(diào)壓線圈的級(jí)間過(guò)電壓。3) 閥側(cè)線圈換流變壓器閥側(cè)線圈通過(guò)閥側(cè)套管與換流閥橋聯(lián)接。因其與換流閥橋相連，必然受到閥橋換流過(guò)程的影響，其設(shè)計(jì)與普通電力變壓器線圈相比有很大的特殊性。一是絕緣的特殊要求。閥側(cè)線圈的絕緣設(shè)計(jì)除了考慮交流耐受電壓的作用外，還必須考慮試驗(yàn)及運(yùn)行中的直流電壓和極性反轉(zhuǎn)電壓作用的影響。例如500kV直流輸電系統(tǒng)中的換流變壓器，其閥側(cè)線圈的交流額定電壓一般僅為200kV左右，但其絕緣水平因上述原因，其絕緣水平，包括交流耐受電壓水平，操作沖擊電壓水平和雷電沖擊電壓水平都高于相同電壓等級(jí)的交流線圈的絕緣水平。因此閥側(cè)線圈的結(jié)構(gòu)型式的選擇和絕緣設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，要特別注意絕緣方面的分析計(jì)算和采取相應(yīng)的措施。二是諧波電流的影響。換流變壓器在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，線圈中會(huì)有大量諧波電流流通，進(jìn)而產(chǎn)生較大的附加損耗。所以在選擇線圈的導(dǎo)線時(shí)，要特別注意導(dǎo)線的規(guī)格，以降低線圈導(dǎo)線中的渦流損耗，合理控制導(dǎo)線的電流密度，防止線圈產(chǎn)生局部過(guò)熱。圖17 西電集團(tuán)ZZDFPZ-297600/330換流變壓器4.3 平波電抗器平波電抗器是直流換流站中的重要設(shè)備，一般安裝在換流器直流輸出端和直流線路之間。4.3.1 平波電抗器的功能平波電抗器主要有以下作用：1) 防止由直流線路或直