超高壓直流輸電

1、目錄前言2主要設(shè)備3遠(yuǎn)距離輸電優(yōu)勢明顯 3工程應(yīng)用3超高壓直流輸電和交流輸電的性能對比 4超高壓直流輸電的優(yōu)勢及其依賴的技術(shù) 5超高壓直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)6超高壓直流輸電的故障保護(hù)系統(tǒng) 7刖言高壓直流輸電技術(shù)被用于通過架空線和海底電纜遠(yuǎn)距離輸送電能；同時在一些不適于用傳統(tǒng)交流聯(lián)接的場合，它也被用于獨立電力系統(tǒng)間的聯(lián)接。世界上第一條商業(yè)化的高壓直流輸電線路1954年誕生于瑞典，用于連接瑞典本土和哥特蘭島，由阿西亞公司（ASEA,今ABB集團(tuán)）完成。在一個高壓直流輸電系統(tǒng)中， 電能從三相交流電網(wǎng)的一點導(dǎo)出， 在換流站轉(zhuǎn)換成直流， 通過架空線或電纜傳送到接受點； 直流在另一側(cè)換流站轉(zhuǎn)化成交流后， 再進(jìn)

2、入接收方的交流 電網(wǎng)。直流輸電的額定功率通常大于 100兆瓦，許多在1000-3000兆瓦之間。高壓直流輸電用于遠(yuǎn)距離或超遠(yuǎn)距離輸電，因為它相對傳統(tǒng)的交流輸電更經(jīng)濟(jì)。應(yīng)用高壓直流輸電系統(tǒng)，電能等級和方向均能得到快速精確的控制，這種性能可提高它所連接的交流電網(wǎng)性能和效率，直流輸電系統(tǒng)已經(jīng)被普遍應(yīng)用。高壓直流輸電是將三相交流電通過換流站整流變成直流電，然后通過直流輸電線路送往另一個換流站逆變成三相交流電的輸電方式。它基本上由兩個換流站和直流輸電線組成， 兩個換流站與兩端的交流系統(tǒng)相連接。直流輸電線造價低于交流輸電線路但換流站造價卻比交流變電站高得多。一般認(rèn)為架空線路超過600-800km，電纜線路

3、超過40-60km直流輸電較交流輸電經(jīng)濟(jì)。隨著高電壓大容 量可控硅及控制保護(hù)技術(shù)的發(fā)展，換流設(shè)備造價逐漸降低直流輸電近年來發(fā)展較快。我國葛洲壩一上海1100km 土 500kV,輸送容量的直流輸電工程，已經(jīng)建成并投入運行。此外，全 長超過2000公里的向家壩-上海直流輸電工程也已經(jīng)完成。該線路是目前（截至2011年初）世界上距離最長的高壓直流輸電項目。主要設(shè)備包括換流器、換流變壓器、平波電抗器、交流濾波器、直流避雷器及控制保護(hù)設(shè)備等。換流器又稱換流閥是換流站的關(guān)鍵設(shè)備，其功能是實現(xiàn)整流和逆變。目前換流器多數(shù) 采用晶閘管可控硅整流管）組成三相橋式整流作為基本單元，稱為換流橋。一般由兩個或多 個換

4、流橋組成換流系統(tǒng)，實現(xiàn)交流變直流直流變交流的功能。換流器在整流和逆變過程中將要產(chǎn)生5、7、11、13、17、19等多次諧波。為了減少各次諧波進(jìn)入交流系統(tǒng)在換流站交流母線上要裝設(shè)濾波器。它由電抗線圈、電容器和小電阻3種設(shè)備串聯(lián)組成通過調(diào)諧的參數(shù)配合可濾掉多次諧波。一般在換流站的交流側(cè)母線裝有5、7、11、13次諧波濾波器組。單極又分為一線一地和單極兩線的方式。直流輸電一般采用雙極線路，當(dāng)換流器有一 極退出運行時，直流系統(tǒng)可按單極兩線運行，但箱送功率要減少一半。遠(yuǎn)距離輸電優(yōu)勢明顯發(fā)電廠發(fā)出的交流電通過換流閥變成直流電，然后通過直流輸電線路送至受電端再變 成交流電，注入受端交流電網(wǎng)。 業(yè)內(nèi)專家一致認(rèn)

5、為。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率輸電。其中，輕型直流輸電系統(tǒng)采用可關(guān)斷的晶閘管、絕緣門極雙極性三極管等可關(guān)斷的器 件組成換流器，使中型的直流輸電工程在較短輸送距離也具有競爭力。此外，可關(guān)斷器件組成的換流器，還可用于向海上石油平臺、海島等孤立小系統(tǒng)供電，未來還可用于城市配電系統(tǒng)， 接入燃料電池、光伏發(fā)電等分布式電源。 輕型直流輸電系統(tǒng)更 有助于解決清潔能源上網(wǎng)穩(wěn)定性問題。工程應(yīng)用1. 660千伏寧東一山東直流輸電工程于2011年2月28日投運，山東接受外送電力的能力由350萬千瓦提升至750

6、萬千瓦。據(jù)統(tǒng)計，山東因此每年可節(jié)約原煤1120萬噸。由此全省減少二氧化硫排放 5.7萬噸，二氧化硫排放量降低1.1個百分點，大大促進(jìn)了資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會建設(shè)。僅2011年第一季度，山東電網(wǎng)就接納省外來電91.3億千瓦時，同比增長176%2. 錦屏一蘇南土 800千伏特高壓直流輸電工程采用900平方毫米導(dǎo)線，節(jié)能環(huán)保效果明顯，抗自然災(zāi)害能力強(qiáng)， 可進(jìn)一步促進(jìn)電力技術(shù)創(chuàng)新和行業(yè)技術(shù)升級。與傳統(tǒng)的630平方毫米截面導(dǎo)線相比，錦蘇特高壓直流線路應(yīng)用900平方毫米截面導(dǎo)線，按照年運行3000小時計算，每年每千米線路可節(jié)電4.32萬千瓦時，全線一年將創(chuàng)造直接效益4000多萬元。按供電煤耗360克標(biāo)

7、煤/千瓦時計算，全線一年將減少標(biāo)煤消耗 7.735萬噸，減排二氧 化碳約20.12萬噸。而在抵御自然災(zāi)害方面，大截面導(dǎo)線的大風(fēng)水平荷載降低約10% 15毫米覆冰垂直荷載減小約 7%3. 三峽一上海土 500千伏直流輸電工程線路全長 1048.6千米，輸送容量300萬千瓦，若按中強(qiáng)度全鋁合金導(dǎo)線替代普通導(dǎo)線計算，正常功率下，如果一年的輸送小時數(shù)為4000小時，可節(jié)約電能 7.98萬千瓦時/千米，全線每年可節(jié)電 8372萬千瓦時。24. 向家壩-上海土 800kV特高壓直流輸電示范工程是我國首個特高壓直流輸電示范工程。工程由我國自主研發(fā)、設(shè)計、建設(shè)和運行，是目前世界上運行直流電壓最高、技術(shù)水平 最

8、先進(jìn)的直流輸電工程。向家壩 -上海土 800kV特高壓直流輸電示范工程包括二站一線，起 于四川省宜賓復(fù)龍換流站，經(jīng)四川、重慶、湖北、湖南、安徽、江蘇、浙江、上海，止于上 海市奉賢換流站。工程全長1891.6km，先后跨越長江四次。換流容量為6400MW直流電流為4000A,每極采用兩組12脈沖換流器串聯(lián)(400kV+400kV)。換流變壓器容量(24+4) X 297.1 (321.1 ) MVA(其中4臺備用)；換流變型式為單相雙繞組有載調(diào)壓；800kV 直流開關(guān)場采用雙極接線，并按每12脈沖閥組裝設(shè)旁路斷路器及隔離開關(guān)回路； 800kV 特高壓直流線路一回，復(fù)龍換流站交流500kV出線9回

9、，奉賢換流站交流500kV出線3回。國家發(fā)改委 于2007年4月以發(fā)改能源【2007】871號文件核準(zhǔn)，2008年5月開工建設(shè)，2009年12月 12日通過竣工驗收并單極投入運行，2010年整體工程完成試運行，投入商業(yè)運行，實際動態(tài)總支出190.2億元，比批復(fù)動態(tài)總投資節(jié)省42.5億元。超高壓直流輸電和交流輸電的性能對比(1) 功率傳輸特性交流為了滿足穩(wěn)定問題，常需采用串補(bǔ)、靜補(bǔ)、調(diào)相機(jī)、開關(guān)站等措施，有時甚至不得不提高輸電電壓。但是，這將增加很多電氣設(shè)備，代價昂貴。直流輸電沒有相位和功角，不存在穩(wěn)定問題，只要電壓降，網(wǎng)損等技術(shù)指標(biāo)符合要求，就可達(dá)到傳輸?shù)哪康模瑹o需考慮穩(wěn)定問題，這是直流輸電的

10、重要特點，也是它的一大優(yōu)勢。(2) 線路故障時的自防護(hù)能力我們學(xué)過繼電保護(hù)，知道交流線路單相接地后，其消除過程一般約0.40.8秒，加上重合閘時間，約 0.61秒恢復(fù)。直流線路單極接地，整流、逆變兩側(cè)晶閘管閥立即閉鎖，電壓降為零，迫使直流電流降到零，故障電弧熄滅不存在電流無法過零的困難，直流線路單極故障的恢復(fù)時間一般在0.20.35秒內(nèi)。(3) 過負(fù)荷能力交流輸電線路具有較高的持續(xù)運行能力，受發(fā)熱條件限制的允許最大連續(xù)電流比正常輸電功率大的多，其最大輸送容量往往受穩(wěn)定極限控制。直流線路也有一定的過負(fù)荷能力，受制約的往往是換流站。通常分 2 小時過負(fù)荷能 力、 10 秒鐘過負(fù)荷能力和固有過負(fù)荷能

11、力等。前兩者葛上直流工程分別為10%和 25%，后者視環(huán)境溫度而異。 總的來說，就過負(fù)荷能力而言，交流有更大的靈活性，直流如果需要更大的過負(fù)荷能力， 則在設(shè)備選型時要預(yù)先考慮，此時需要增加投資。4）功率控制 交流輸電取決于網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、 發(fā)電機(jī)與負(fù)荷的運行方式， 值班人員需要進(jìn)行調(diào)度， 但又 難于控制，直流輸電則可全自動控制。 直流輸電控制系統(tǒng)響應(yīng)快速、調(diào)節(jié)精確、操作方便、能實現(xiàn)多目標(biāo)控制；5）短路容量 兩個系統(tǒng)以交流互聯(lián)時， 將增加兩側(cè)系統(tǒng)的短路容量， 有時會造成部分原有斷路器 不能滿足遮斷容量要求而需要更換設(shè)備。直流互聯(lián)時，不論在哪里發(fā)生故障，在直流線 路上增加的電流都是不大的，因此不增加交流

12、系統(tǒng)的斷路容量。6）電纜 電纜絕緣用于直流的允許工作電壓比用于交流時高兩倍， 例如 35kV 的交流電纜容許 在 100kV 左右直流電壓下工作，所以在直流工作電壓與交流工作電壓相同的情況下，直 流電纜的造價遠(yuǎn)低于交流電纜。7）輸電線路的功率損耗比較 在直流輸電中，直流輸電線路沿線電壓分布平穩(wěn)，沒有電容電流，在導(dǎo)線截面積相 同，輸送有用功率相等的條 件下，直流線路功率損耗約為交流線路的 2/3 。并且不需 并聯(lián)電抗補(bǔ)償。8）調(diào)度管理 由于通過直流線路互聯(lián)的兩端交流系統(tǒng)可以又各自的頻率，輸電功率也可保持恒定 （恒功率、恒電流等） 。對送端而言，整流站相當(dāng)于交流系統(tǒng)的一個負(fù)荷。對受端而言， 逆變站

13、則相當(dāng)于交流系統(tǒng)的一個電源。互相之間的干擾和影響小，運行管理簡單方便， 對我國當(dāng)前發(fā)展的跨大區(qū)互聯(lián)、 合同售電、 合資辦電等形成的聯(lián)合電力系統(tǒng)， 尤為適宜。9）線路走廊按同電壓500kV考慮，一條500kV直流輸電電線路的走廊約40m, 條500kV交流線路走廊約為50m,但是1條同電壓的直流線路輸送容量約為交流的2倍，直流輸電的線路走廊其傳輸效率約為交流線路的 2 倍甚至更多一點。超高壓直流輸電的優(yōu)勢及其依賴的技術(shù)1 、優(yōu)勢 有以上的性能對比，我們可以總結(jié)出超高壓直流輸電和交流輸電的對比之下的優(yōu)點1 ）線路造價低，走廊窄。2）直流輸電電纜輸送容量大，造價低，損耗小，不易老化，壽命長，輸送距離

14、不受限 制。3）無同步穩(wěn)定性問題，有利于長距離大容量送電。4）可異步運行。5 ） 可以改善所連交流系統(tǒng)運行特性。6）可分期投資建設(shè)。7）電網(wǎng)管理方便。8）可隔離故障，有利于避免大面積停電。2、限制了直流輸電的應(yīng)用范圍的因素：（1 ）直流斷路器的費用高；（2）不能用變壓器來改變電壓等級；（3）換流設(shè)備的費用高；（4）由于產(chǎn)生諧波，需要交流和直流濾波器，從而增加了換流站的費用;（5）控制復(fù)雜。克服以上缺點，所依賴技術(shù)是：（1）直流換流器的進(jìn)展；（2 ）晶閘管的模塊化結(jié)構(gòu)和額定值增加；（3）換流器采用12或24脈波運行；（4 ）采用氧化金屬變阻器；（5）換流器控制采用數(shù)字和光纖技術(shù)。超高壓直流輸電系

15、統(tǒng)的結(jié)構(gòu)元件之前講到超高壓直流輸電的限制因素，我們現(xiàn)在從系統(tǒng)元件配置上面來看看超高壓直流輸電的限制技術(shù)換流器斷路器橋_交流濾波器變壓器交流濾波器無功二-功率 源1無功 功率 源變壓器換流器直流平波電抗器|交流母線濾波1器y/-Q-11111三11i11111丨1 1-1_1 1一1 -H11電極r交流母線直流線路（1）換流器它們完成交12脈波的高壓閥。換流閥通常由多個串聯(lián)而成，換流閥具有從陽極到陰極的單向?qū)ㄐ裕?所以換流閥的導(dǎo)通需要陽極到陰極正向電壓以及在門級上加的足夠的電壓觸發(fā)其導(dǎo)通， 閥一旦導(dǎo)通后，當(dāng)其電流減小到零并且加在閥上的電壓為反向時候閥才不再導(dǎo)通， 具有一定的承受正反向電壓的能力

16、，所以這便實現(xiàn)了從交流到直流的變換晶閘管換流變壓器向閥橋提供適當(dāng)?shù)燃壍牟唤拥厝嚯妷涸?。由于變壓器閥換流器的正端或負(fù)端接地。換流器的功能就是實現(xiàn)交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)的適當(dāng)連接-直流和直-交流轉(zhuǎn)換，由閥橋和有抽頭換流變壓器構(gòu)成。閥橋包括6脈波或換流 且換流閥2）平波電抗器這些大電抗器有高達(dá) 1.0H 的電感，在每個換流站與每極串聯(lián)，它們有以下作用：1. 降低直流線路中的諧波電壓和電流；2. 防止逆變器換相失敗；3. 防止輕負(fù)荷電流不連續(xù)；4. 限制直流線路短路期間整流器中的峰值電流。（3）諧波濾波器 換流器在交流和直流兩側(cè)均產(chǎn)生諧波電壓和諧波電流。 這些諧波可能導(dǎo)致電容器和附近 的電機(jī)過熱，并且干

17、擾遠(yuǎn)動通信系統(tǒng)。因此，在交流側(cè)和直流側(cè)都裝有濾波裝置。（4）無功功率支持 直流換流器內(nèi)部要吸收無功功率。穩(wěn)定條件下，所消除的無功功率是傳輸功率的50%左右。在暫態(tài)情況下，無功功率的消耗更大。因此，必須在換流器附近提供無功電源。（5）電極 大多數(shù)的直流聯(lián)絡(luò)線設(shè)計采用大地作為中性導(dǎo)線， 至少在較短的一段時間內(nèi)是這樣。 與 大 地相連接的導(dǎo)線需要有較大的表面積， 以便使電流密度和表面電壓梯度最小。 這個導(dǎo)線 被稱為電極。 如前所述， 如果必須限制流經(jīng)大地的電流， 可以用金屬性回路的導(dǎo)體作為直流 線路的一部分。（6）直流輸電線 它們可以是架空線， 也可以是電纜。 除了導(dǎo)體數(shù)和間距的要求有差異外， 直流

18、線路與交 流線路十分相似。（7）交流斷路器 為了排除變壓器故障和使直流聯(lián)絡(luò)線停運， 在交流側(cè)裝有斷路器。 它們不是用來排除直 流故障的，因為直流故障可以通過換流器的控制更快地清除。超高壓直流輸電的故障保護(hù)系統(tǒng)直流系統(tǒng)的故障分類直流系統(tǒng)的故障類型按照故障發(fā)生區(qū)域來劃分， 主要有換流器故障、 直流開關(guān)場設(shè)備故 障、接地極故障、換流器交流部分故障、 直流線路故障， 此外直流系統(tǒng)還配備了針對交流系 統(tǒng)擾動的有關(guān)控制保護(hù)，如同步諧振、穩(wěn)定控制功能等 不同故障的特種以及控制策略1. 換流器故障類型及特征（1）換流閥短路故障 閥短路時換流器內(nèi)部或外部絕緣損壞或被短接造成的故障， 這是換流器最為嚴(yán)重 的一種故

19、障整流器的閥在阻斷狀態(tài)時大部分時間承受反向電壓，當(dāng)經(jīng)理反向電壓峰值增大幅 度躍變或閥的冷水系統(tǒng)故障等原因造成絕緣損壞時，將會造成閥短路。整流器閥短路 的特征是：1）交流側(cè)交替發(fā)生兩項短路和三相短路2）通過故障閥的電流反向，并劇烈增大3）交流側(cè)電流激增，比正常工作店里大許多倍，直流側(cè)由于平伯電抗器的作用，直流段時間內(nèi)下降不多4）換流橋直流母線電壓下降逆變器的閥在阻斷狀態(tài)大部分時間承受這正向電壓，當(dāng)點呀過高或者電壓上升率過大時易造成絕緣損壞導(dǎo)致閥短路，逆變器短路特征有： 1）開始階段與逆變器閥誤開通故障相相同 2） 當(dāng)故障閥與下一閥換相時故障仍未消除其特征與換相失敗相同 發(fā)生換流器閥短路時故障控制

20、策略為：投入旁通對、停發(fā)觸發(fā)脈沖、跳開交流斷路器（2）換相失敗 由于換流器閥導(dǎo)通后在承受反向電壓一定時間的前提下才能順利實現(xiàn)關(guān)斷， 如果在這段 時間內(nèi)， 閥未能恢復(fù)阻斷能力， 或者幻想的過程中一直未能完成， 當(dāng)加在該閥上的電壓為正 時，立即重新導(dǎo)通，則發(fā)生了倒換相，使預(yù)計開通旳閥重新關(guān)斷，造成換相失敗。由于整流 器大多時間內(nèi)承受反向電壓不易造成換相失敗， 但是逆變器大多時間承受的正向電壓容易造 成換相失敗。如果逆變器換流閥短路、丟失觸發(fā)脈沖、交流系統(tǒng)故障等均會引起換相失敗。換相失敗的特征有：1）換相的兩個閥發(fā)生倒換相2）在一次換相失敗中使得接在同一相上的一對閥同時導(dǎo)通形成直流短路3）兩次連續(xù)換

21、相失敗將有工頻交流電壓加到直流線路上發(fā)生換相失敗時的故障控制策略為：采取適當(dāng)措施預(yù)防換相失敗， 如采用可關(guān)斷器件換流器、 利用無功補(bǔ)償維持換相電壓的穩(wěn)定、系統(tǒng)規(guī)劃時降低換流變壓器的短路電抗、增大額定逆變角3以及和固有極限關(guān)斷角丫的整定值（但這是以降低直流輸電系統(tǒng)的運行經(jīng)濟(jì)性為代價的，因為增大3將導(dǎo)致直流側(cè)電壓降低如果直流電流不變的話，傳輸功率就將降低） 、人工換相 改善系統(tǒng)頻譜特性解釋：根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)證明， 逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障后的電壓波形與交流系統(tǒng)的頻譜特 性密切相關(guān)， 若改善之， 使得波形中含有高頻振蕩成分， 則換相過程中電壓時間面積增 加，有利于逆變器換相成功（ 3）控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致閥誤導(dǎo)通、閥不開通故障。 由于直流控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致觸發(fā)脈沖一場， 造成換流器工作異常， 出現(xiàn)閥誤開通或者不 開通的故障閥誤開通的特征是： 整流側(cè)誤開通是因為直流電壓上升， 使得直流電流略微上揚， 逆變 側(cè)誤開通時，直流電壓下降或者換相失敗，而直流電流增加閥不開通的特征是：整流側(cè)發(fā)生不開通故障時，直流電壓電流下降，逆變側(cè)發(fā)生不開 通故障時直流電壓下降，直流電流上升 對于不開通和誤開通的控制策略：與換相失敗的控制相同1、直流開關(guān)場設(shè)備故障直流開關(guān)場設(shè)備故障主要包括高壓直流極母線故障、 中性線母線故障、 直流濾波器故 障、直流接線方