高壓直流輸電—概況

1、第1章 導 論1.1高壓直流輸電概況1.1.1 交流輸電還是直流輸電？關(guān)于電能的輸送方式，是采用直流輸電還是交流輸電，在歷史上曾引起過很大的爭論。美國發(fā)明家愛迪生、英國物理學家開爾文都極力主張采用直流輸電，而美國發(fā)明家威斯汀豪斯和英國物理學家費朗蒂則主張采用交流輸電。在早期，工程師們主要致力于研究直流電，發(fā)電站的供電范圍也很有限，而且主要用于照明，還未用作工業(yè)動力。例如，1882年愛迪生電氣照明公司（創(chuàng)建于1878年）在倫敦建立了第一座發(fā)電站，安裝了三臺110伏“巨漢”號直流發(fā)電機，這是愛迪生于1880年研制的，這種發(fā)電機可以為1500個16瓦的白熾燈供電。這一階段發(fā)電、輸電和用電均為直流電。

2、如1882年在德國建成的57km向慕尼黑國際展覽會送電的直流輸電線路（2kV，1.5kW）；1889年在法國用直流發(fā)電機串聯(lián)而得到高電壓，從毛梯埃斯（Moutiers）到里昂（Lyon）的230km直流輸電線路（125kV，20MW）等，均為此種類型。但是隨著科學技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要，電力技術(shù)在通信、運輸、動力等方面逐漸得到廣泛應用，社會對電力的需求也急劇增大。由于用戶的電壓不能太高，因此要輸送一定的功率，就要加大電流（PIU）。而電流愈大，輸電線路發(fā)熱就愈厲害，損失的功率就愈多；而且電流大，損失在輸電導線上的電壓也大，使用戶得到的電壓降低，離發(fā)電站愈遠的用戶，得到的電壓也就愈低。直流輸電

3、的弊端，限制了電力的應用，促使人們探討用交流輸電的問題。愛迪生雖然是一個偉大的發(fā)明家，但是他沒有受過正規(guī)教育，缺乏理論知識，難以解決交流電涉及到的數(shù)學運算，阻礙了他對交流電的理解，所以在交、直流輸電的爭論中，成了保守勢力的代表。愛迪生認為交流電危險，不如直流電安全。他還打比方說，沿街道敷設交流電纜，簡直等于埋下地雷。并且邀請人們和新聞記者，觀看用高壓交流電擊死野狗、野貓的實驗。那時紐約州法院通過了一項法令，用電刑來執(zhí)行死刑。行刑用的電椅就是通以高壓交流電，這正好幫了愛迪生的大忙。在他的反對下，交流電遇到了很大的阻礙。但是為了減少輸電線路中電能的損失，只能提高電壓。在發(fā)電站將電壓升高，到用戶地區(qū)

4、再把電壓降下來，這樣就能在低損耗的情況下，達到遠距離送電的目的。而要改變電壓，只有采用交流輸電才行。1888年，由費朗蒂設計的倫敦泰晤士河畔的大型交流電站開始輸電。他用鋼皮銅心電纜將1萬伏的交流電送往相距10公里外的市區(qū)變電站，在這里降為2500伏，再分送到各街區(qū)的二級變壓器，降為100伏供用戶照明。以后，俄國的多利沃多布羅沃斯基又于1889年最先制出了功率為100瓦的三相交流發(fā)電機，并被德國、美國推廣應用。事實成功地證實了高壓交流輸電的優(yōu)越性。并在全世界范圍內(nèi)迅速推廣。隨著三相交流發(fā)電機，感應電動機和變壓器的迅速發(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

5、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。隨著科學的發(fā)展，為了解決交流輸電存在的問題，尋求更合理的輸電方式。由于直流輸電具有遠距離海底電纜或地下電纜輸電，不同頻率電網(wǎng)之間的聯(lián)網(wǎng)或送電等優(yōu)點，人們現(xiàn)在又開始采用直流超高壓輸電。但這并不是簡單地恢復到愛迪生時代的那種直流輸電。發(fā)電站發(fā)出的電和用戶用的電仍然是交流電，只是在遠距離輸電中，采用換流設備，把交流高壓變成直流高壓。這樣做可以把交流輸電用的3條電線減為2條，大大地節(jié)約了輸電導線。如莫桑比克的卡布拉巴薩水電站至阿扎尼亞的線路架空直流輸電線路，長1414公里，輸電電壓為50萬伏，可輸電220萬千瓦。1954年HVDC輸電首次商業(yè)性成

6、功地應用于瑞典大陸與哥特蘭島之間的輸電線路，這套系統(tǒng)采用汞弧閥，通過90km的水下電纜供給20MW的功率。從此高壓直流輸電得到了穩(wěn)步發(fā)展。隨著晶閘管閥的出現(xiàn)，高壓直流輸電更加具有吸引力。第一個采用晶閘管閥HVDC系統(tǒng)是于1972年建立的依爾河系統(tǒng)，它是連接加拿大新不倫威克省和魁北克省的一個320MW背靠背直流輸電系統(tǒng)。晶閘管閥已成為直流換流站的標準設備。換流設備的新發(fā)展，使其體積減小、成本降低，而可靠性得到了提高。這些發(fā)展使高壓直流輸電得以更廣泛地應用，電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展使直流輸電技術(shù)日趨完善，多端直流輸電技術(shù)也已取得運行經(jīng)驗。1.1.2 我國直流輸電現(xiàn)狀（1）早在50年代初，

7、中國就已關(guān)注直流輸電，當時政府派人去學習蘇聯(lián)的高壓汞弧閥設計制造。1978年上海投運一條31kV、150A、送電電纜長9km的直流輸電試驗線，累計運行2 300h。（2）舟山直流輸電工程于20世紀70年代后期開始進行調(diào)查研究與可行性分析。1980年底由中國國家計委和國家科委正式批準建設。1981年國家科委與浙江省電力工業(yè)局、西安電力機械制造公司（簡稱西電公司）簽訂了科研總合同。1982年簽訂了新產(chǎn)品研制協(xié)議與供貨合同，由西安電力機械制造公司、北京重型機械廠、紅旗電纜廠和上海繼電器廠承制。1984年開始土建，1986年底完成設備安裝，1987年進行調(diào)試，于同年12月投入試運行，1989年9月1日

8、通過了國家鑒定，并正式投入運行。該工程的輸電距離為54.1km，其中架空線分三段，總長42.1km；海底電纜分二段，總長12km。第一期工程的規(guī)模為：單極直流-100kV，500A，50MW，采用6脈動換流器。留有擴建二期工程的位置。最終規(guī)模為：雙極直流±100kV，500A，100MW。建設該工程的目的：除了實行大陸向舟山地區(qū)供電以外，同時通過工程建設還可促進中國高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展。（3）為了把葛洲壩水電站豐水期多余電力送至上海，1984年10月國家批準建設葛洲壩至上海直流輸電工程，于1989年投入運行。規(guī)模為：±500kV、1.2kA、雙極額定輸送容量1 200MW

9、，線路全長1 045.7km。設備及技術(shù)主要從瑞士BBC公司引進，由中國安裝調(diào)試。（4）隨著天生橋一、二級水電站的建設，天生橋送廣東500kV交流輸電線已有二條。增加一條直流線路，可以利用附加控制功能進行直流調(diào)制，以抑制兩個電力系統(tǒng)間的功率振蕩，同時可以增加原有交流聯(lián)網(wǎng)線路的輸送容量。天廣500kV直流輸電工程西起貴州安龍馬窩，東至廣州北郊，該線1998年4月16日開工，由西門子公司總承包，總投資39.8億元。規(guī)模:±500kV、1.8kA、雙極額定容量1 800MW，線路全長980km。該線已于2000年12月底單極投產(chǎn)，2001年6月26日雙極投產(chǎn)。工程有所創(chuàng)新，采用了有源直流濾

10、波器、直流光纖電流互感器、合成材料穿墻套管等，同時，在工程質(zhì)量、造價控制、建設速度以及調(diào)試方面都是國內(nèi)最好水平。（5）三峽至常州±500kV直流輸電工程西起宜昌龍泉，東至常州政平，全長890km，額定輸電容量3 000MW， 2002年單極投運，2003年雙極投運。直流線路采用ASCR-720/50四分裂導線，是我國采用截面最大的導線。隨線架設OPGW復合地線光纜一條，不但提供快速、可靠的遠動信號，完善了調(diào)度通信功能，還可望在東西部之間架起信息高速公路。（6）隨著三峽電站將于2003年開始投運，國家電力公司部署了“西電東送、南北互聯(lián)、全國聯(lián)網(wǎng)”的方針。全國互聯(lián)電網(wǎng)的基本格局是：以三峽

11、輸電系統(tǒng)為主體，向東西南北方向輻射，形成以北、中、南送電通道為主體，南北電網(wǎng)間多點互聯(lián)，縱向通道聯(lián)系較為緊密的全國互聯(lián)電網(wǎng)格局。北、中、南三大片電網(wǎng)之間原則上采用直流背靠背或常規(guī)直流隔開，以控制交流同步電網(wǎng)的規(guī)模。另一方面，隨著西部開發(fā)號角的吹響，龍灘、公伯峽、洪家渡、索風營、烏江渡擴機、百色水利樞紐、紫坪鋪水利樞紐等水電工程的開工，以及后繼工程小灣、三板溪、溪洛渡、景洪、瀑布溝、拉西瓦、彭水等正在編制可行性研究，預計今后十幾年內(nèi)直流輸電項目不少。“十五”期間安排了7項直流輸電工程。除三峽至常州外，荊州至惠州博羅響水鎮(zhèn)±500kV、3000MW、940km工程已由ABB公司中標，將于

12、2005年投運；安順至肇慶±500kV、3 000MW、980km工程已由西門子公司中標，也將于2005年投運；稍后開工的還有三峽至上海練塘±500kV、3 000MW工程；作為大區(qū)互聯(lián)的直流背靠背工程，將有陜西至河南靈寶、邯鄲至新鄉(xiāng)、東北至華北項目，其中靈寶直流換流站，額定容量為360MW，已被列為直流輸電國產(chǎn)化的依托工程，后兩項目的規(guī)模及落點也將在近期內(nèi)明確。1.1.3 已采用的直流輸電類型以下是已采用的高壓直流輸電的類型：(1)超過30km左右的水下電纜。由于電纜的大電容需要中間補償站，對這么長的距離來說，交流輸電是不切實際的。瑞典FENNO芬蘭SKAN，橫跨海峽，采

13、用220km長的電纜。(2)兩個交流系統(tǒng)之間的異步聯(lián)接。由于直流系統(tǒng)穩(wěn)定性問題或兩系統(tǒng)的額定頻率不同，在這鐘情況下也不適宜采用交流聯(lián)接。另外，兩大系統(tǒng)逐漸發(fā)展需要互聯(lián)，它們雖有相同的頻率，有時卻不同期，采用直流互聯(lián)也是常用手段。這兩種情況在美國最多見，其它(印度、日本、歐洲等)地方也采用。(3)大容量遠距離架空線輸電。超過700km距離時，用高壓直流輸電替代交流輸電，極具競爭力美國BPA系統(tǒng)、加拿大納爾遜河輸電系統(tǒng)、我國的葛上直流工程和天廣直流工程均屬此類型。高壓直流輸電系統(tǒng)具有快速控制傳輸功率的能力。因此，對于與交流電力系統(tǒng)有關(guān)的穩(wěn)定性問題，HVDC系統(tǒng)有明顯的影響。理解HVDC系統(tǒng)的特性，

14、對于電力系統(tǒng)的運行和穩(wěn)定控制都是極其重要的。尤為關(guān)鍵的是，HVDC控制的正確設計是使整個交、直流系統(tǒng)具有滿意運行性能的重要保證。1.2 高壓直流輸電運行特性及其與交流輸電的比較電力系統(tǒng)規(guī)劃人員在對直流輸電和交流輸電兩種方式進行比較時，應當考慮以下因素：(1)技術(shù)性能；(2)可靠性；(3)經(jīng)濟性隨著負荷增長而不斷擴展是電力系統(tǒng)的主要特點之一。這就要求在建立一條特定的輸電線路時，應當將其作為整個系統(tǒng)長期規(guī)劃的一部分來考慮。1.2.1 技術(shù)性能高壓直流輸電系統(tǒng)具有下列運行特性：（1）功率傳輸特性。眾所周知，隨著輸送容量不斷增長，穩(wěn)定問題越來越成為交流輸電的制約因素。為了滿足穩(wěn)定問題，常需采用串補、靜

15、補、調(diào)相機、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備，代價是昂貴的。直流輸電沒有相位和功角，當然也就不存在穩(wěn)定問題，只要電壓降、網(wǎng)損等技術(shù)指標符合要求，就可達到傳輸?shù)哪康?，無需考慮穩(wěn)定問題，這是直流輸電的重要特點，也是它的一大優(yōu)勢。（2）線路故障時的自防護能力。交流線路單相接地后，其消除過程一般約0.40.8s，加上重合閘時間，約0.61s恢復。直流線路單極接地，整流、逆變兩側(cè)晶閘管閥立即閉鎖，電壓降到0，迫使直流電流降到0，故障電弧熄滅不存在電流無法過0的困難，直流線路單極故障的恢復時間一般在0.20.35s內(nèi)。從自身恢復的能力看，交流線路采用單相重合閘，需要滿足

16、單相瞬時穩(wěn)定，才能恢復供電，直流則不存在此限制條件。若線路上發(fā)生的故障在重合（直流為再啟動）中重燃，交流線路就三相跳閘了。直流線路則可用延長留待去游離時間及降壓方式來進行第2、第3次再啟動，創(chuàng)造線路消除故障、恢復正常運行的條件。對于單片絕緣子損壞，交流必然三相切除，直流則可降壓運行，且大都能取得成功。因此，對于占線路故障8090的單相（或單極）瞬時接地而言，直流比之交流具有響應塊、恢復時間短、不受穩(wěn)定制約、可多次再啟動和降壓運行來創(chuàng)造消除故障恢復正常運行條件等多方面優(yōu)點。（3）過負荷能力。通常，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)電流比正常輸送功率大得多，其最大輸送

17、容量往往受穩(wěn)定極限控制。直流線路也有一定的過負荷能力，受制約的往往是換流站。通常分2h過負荷能力、10s過負荷能力和固有過負荷能力等。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，就過負荷能力而言，交流有更大的靈活性，直流如果需要具有更大的過負荷能力，則必須在設備選型時要預先考慮，此時需要增加投資。(4)利用直流輸電調(diào)節(jié)作用能提高交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如前所述，直流輸電具有快速響應的特點，當交流系統(tǒng)發(fā)生故障時，利用直流輸電的調(diào)節(jié)作用，能有效地提高交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性。著名的美國BPA 500kv交直流并列運行線路，2回長152lkm交流線路共送2860Mw，平均l回送電1430MW

18、，直流的調(diào)節(jié)作用是重要措施之一。(5)潮流和功率控制。交流輸電取決于網(wǎng)絡參數(shù)、發(fā)電機與負荷的運行方式，值班人員需要進行調(diào)度，但又難于控制，直流輸電則可全部自動控制。(6)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，因此不增加交流系統(tǒng)的斷路容量。(7)調(diào)度管理。由于通過直流線路互聯(lián)的兩端交流系統(tǒng)可以有各自的頻率，輸送功率也可保持恒定(恒功率、恒電流等)。對送端而言，整流站相當于交流系統(tǒng)的一個負荷；對受端而言，逆變站則相當于交流系統(tǒng)的一個電源?；ハ嘀g的干擾和

19、影響小，運行管理簡單方便，深受電力管理、運行部門的歡迎對我國當前發(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。(8)線路走廊。按同電壓500kV考慮，1條500kV直流輸電線路的走廊約40m，1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線路的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。然而下列因素限制了直流輸電的應用范圍：(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)控制復雜。近年來，直流技術(shù)已有了明顯的進

20、步，除了上述的第（2）條之外，其余缺點都可予以克服這些技術(shù)如下：(1)直流斷路器的進展；(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)。上述技術(shù)已經(jīng)改善了直流系統(tǒng)的可展性和降低了換流站的費用?？刂频膹碗s性已不成為一個問題，實際上已用來對正常和非正常運行提供可靠和快速的控制。此外，還可以采用控制來將兩端直流聯(lián)絡線中的直流電流降到零，而不需要直流斷路器。甚至在多端直流系統(tǒng)中，還將直流斷路器作為有效的控制手段。1.2.2可靠性整個系統(tǒng)的可靠性可以從強迫停運率和電能不可用率兩個方面進行衡量。(1)強迫停運率。根據(jù)我

21、國500kV交流輸電工程統(tǒng)計資料和國外ABB、北美和CIGBE等對交、直流工程的統(tǒng)計資料，交、直流工程的綜合強迫停運率如表1.1所示。表1.1 交、直流工程的綜合強迫停運率名稱交流直流交流直流單回雙回單極雙極單回雙回單極雙極線路次(百公里.年)0.2990.0540.1260.0550.290.0540.140.01兩端變電（換流）站（次/年）0.5600.1204.800.200.60.061.40.25(2)電能不可用率。表1.2列出了ABB公司提供的交、直流輸電電能不可用率的比較。表1.2 交、直流輸電的電能不可用率名稱電能不可用率（）輸電容量損失50輸電容量損失100交流直流交流直流線

22、路75751.6變電（換流）站7620.70.2總計82695.71.8總的來說，從可靠性和可用率兩個指標來看，交、直流兩種輸電方式是相當?shù)?，都是可行?.2.3 經(jīng)濟性交、直流兩種輸電方式，就其造價而言，各具如下特色：(1)輸送容量確定后，直流換流站的規(guī)模隨之確定，其投資也即固定下來，距離的增加，只與線路造價有關(guān)。交流輸電則不同，隨著輸電距離的增加，由于穩(wěn)定、過電壓等要求，需要設置中間開關(guān)站。因此，對于交流輸電方式，輸電距離不單影響線路投資，同時也影響變電部分投資；(2)就變電和線路兩部分看，直流輸電換流站投資占比重很大，而交流輸電的輸電線路投資占主要成分；(3)直流輸電功率損失比交流輸電小

23、得多；(4)當輸送功率增大時，直流輸電可以采取提高電壓、加大導線截面的辦法，交流輸電則往往只好增加回路數(shù)。綜上所述，直流換流站的造價遠高于交流輸電的，而直流輸電線路的造價則明顯低于交流輸電線路的。同時，直流輸電的網(wǎng)損又比交流的小得多。因此，隨著輸電距離的改變，交、直流兩種輸電方式的造價和總費用將相應作增減變化。在某一輸電距離下，兩者總費用相等，這一距離稱為等價距離。這是一個重要的工程初估數(shù)據(jù)。概括地說，超過這一距離時，采用直流有利；小于這一距離時，采用交流有利。根據(jù)國外經(jīng)驗，等價距離大約為700800km。1.3 高壓直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和元件1.3.1 高壓直流聯(lián)絡線的分類高壓直流聯(lián)絡線大致可

24、分以下幾類： (1)單極聯(lián)絡線； (2)雙極聯(lián)絡線；(3)同極聯(lián)絡線。單極聯(lián)絡線的基本結(jié)構(gòu)如圖1.1所示，通常采用一根負極性的導線，而由大地或水提供回路。出于對造價的考慮，常采用這類系統(tǒng)，對電纜傳輸來說尤其如此。這類結(jié)構(gòu)也是建立雙極系統(tǒng)的第一步。當大地電阻率過高，或不允許對地下（水下）金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干擾時，可用金屬回路代替大地作回路，形成金屬性回路的導體處于低電壓。圖1.1 單極HVDC聯(lián)絡線雙極聯(lián)絡線結(jié)構(gòu)如圖1.2所示，有兩根導線，一正一負，每端有兩個為額定電壓的換流器串聯(lián)在直流側(cè)，兩個換流器間的連接點接地。正常時，兩級電流相等，無接地電流，兩級可獨立運行。若因一條線路故障而導致一級隔離，另一

25、級可通過大地運行，能承擔一半的額定負荷，或利用換流器及線路的過載能力，承擔更多的負荷。圖1.2 雙極HVDC聯(lián)絡線從雷電性能方面看一條雙極HVDC線路能有效地等同于兩回交流傳輸線路。正常情況下，它對鄰近設備的諧波干擾遠小于單極聯(lián)絡線。通過控制(不需要機械開關(guān))改變兩極的極性來實現(xiàn)潮流反向。當接地電流不可接受時，或接地電阻高而接地電極不可行時，用第三根導線作為金屬性中性點。在一極退出運行或雙極運行失去平衡時，此導線充當回路。第三條導線的絕緣要求低，還可作為架空線的屏蔽線。如果它完全絕緣，可作為一條備用線路。同極聯(lián)絡線結(jié)構(gòu)如圖1.3所示，導線數(shù)不少于兩根，所有導線同極性。通常最好為負極性，因為它由

26、電暈引起的無線電干擾較小。這樣的系統(tǒng)采用大地作為回路，當一條線路發(fā)生故障時，換流器可為余下的線路供電，這些導線有一定的過載能力，能承受比正常情況更大的功率。相反，對于雙極系統(tǒng)來說，重新將整個換流器連接到線路的一極上要復雜得多，通常是不可行的。在考慮連續(xù)的地電流是可接受的情況下，同極聯(lián)絡線具有突出的優(yōu)點。圖1.3 同極HVDC聯(lián)絡線接地電流對位于系統(tǒng)電極幾千米范圍內(nèi)的油、氣管道有附帶的影響。這些管道充當?shù)仉娏鞯膶w會引起金屬腐蝕。因此，使用大地作回路的結(jié)構(gòu)并非總是可取的。以上各種高壓直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常均有串聯(lián)的換流器組，每個換流器有一組變壓器和一組閥換流器在交流側(cè)(變壓器側(cè))是并聯(lián)的，在直流側(cè)(閥

27、側(cè))是串聯(lián)的，在極對地之間給出期望的電壓等級。背靠背的高壓直流系統(tǒng)(用于非同步聯(lián)接)是無直流線路的直流系統(tǒng)。它可以設計成單極或雙極運行，每極帶有不同數(shù)目的閥組，其數(shù)目取決于互聯(lián)的目的和要達到的可靠性。大多數(shù)包括線路在內(nèi)的點對點(兩端)HVDC聯(lián)絡線是雙極的，僅在偶然事故時才采用單極運行。它們通常被設計成能提供極間最大獨立性的系統(tǒng)，以避免雙極閉鎖。將直流系統(tǒng)聯(lián)接到交流電網(wǎng)上的節(jié)點多于兩個時，就構(gòu)成了多端高壓直流系統(tǒng)。多端系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)將在9.1中討論。如果兩個直流系統(tǒng)接到一個共同的交流系統(tǒng)上，并且兩個直流系統(tǒng)之間的交流阻抗較小，就構(gòu)成了多饋入直流系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)在10.1中討論。1.3.2 高壓直流輸電

28、系統(tǒng)的元件HVDC系統(tǒng)的主要元件加圖1.4所示。以雙極系統(tǒng)為例，其它結(jié)構(gòu)的元件與該圖所示基本類同。下面簡述各元件。圖1.4 雙極HVDC系統(tǒng)的主要元件(1)換流器。它們完成交-直流和直-交流轉(zhuǎn)換，由閥橋和有抽頭切換器的變壓器構(gòu)成。閥橋包含6脈波或12脈波安排的高壓閥，如2.2的介紹。換流變壓器向閥橋提供適當?shù)燃壍牟唤拥厝嚯妷涸?。由于變壓器閥側(cè)不接地，直流系統(tǒng)能建立自己的對地參考點，通常將閥換流器的正端或負端接地。(2)平波電抗器。這些大電抗器具有高達1.0H的電感，在每個換流站與每極串聯(lián)時，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、防止輕負荷電流不連續(xù)；

29、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。這些諧波可能導致電容器和附近的電機過熱，并且干擾遠動通信系統(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。正如我們將在2.2中看到的，直流換流器內(nèi)部要吸收無功功率。穩(wěn)態(tài)條件下，所消耗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，對于強交流系統(tǒng)，通常用并聯(lián)電容補償?shù)男问?。根?jù)直流聯(lián)絡線和交流系統(tǒng)的要求，部分無功電源可采用同步調(diào)相機或靜止無功補償器(SVC)。用作交流濾波的電容也可以提供部分無功功率。(5)電極。大多數(shù)的直流

30、聯(lián)絡線設計采用大地作為中性導線，至少在較短的一段時間內(nèi)是這樣。與大地相連接的導體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。這個導體被稱為電極。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。除了導體數(shù)和間距的要求有差異外，直流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，因為直流放障可以通過換流器的控制更快地清除。第2章 換流器理論及特性方程 換流器完成交直流轉(zhuǎn)換，并通過HVDC聯(lián)絡線來控制潮流。換流器的主要元件是閥橋

31、和換流變壓器。閥橋是一組高壓開關(guān)或閥，它們依次地將三相交流電壓連接到直流端，以便得到期望的變換和對功率的控制。換流變壓器提供交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)之間的適當接口。這一章我們將描述實際換流電路的結(jié)構(gòu)和運行情況。另外，我們還將建立聯(lián)系直流量和基頻交流量的方程。2.1閥特性 高壓直流換流器中的閥是一個可控電子開關(guān)。它通常僅單向?qū)?，正方向是從陽極到陰極，導通時閥上僅有一個小的壓降。在相反方向，即施加在閥上的電壓使陰極相對于陽極為正時，閥阻止電流通過。早期的HVDC系統(tǒng)采用汞弧閥，額定電流等級在1000A至2000A之間，額定反向峰值電壓為50kV到150kV。汞弧閥的缺點是體積大，有逆向?qū)ǖ目赡堋?從

32、70年代中期開始，所有的HVDC系統(tǒng)均采用晶閘管閥。晶閘管閥的額定值已發(fā)展到2500A至3000A和3kV至5kV。晶閘管串聯(lián)起來以得到希望的系統(tǒng)電壓，而用并聯(lián)來滿足正常和事故過流的要求。它可以有以下不同的設計：空氣冷卻，空氣絕緣；油冷，油絕緣；水冷，空氣絕緣；以及氟利昂(二氯二氟甲烷)冷卻，六氯化硫(SF6)絕緣?？梢苑謩e按戶內(nèi)和戶外安裝來設計閥。 為了使閥導通，必要條件是陽極電壓相對于陰極為正。在汞弧閥中，當控制柵極對陰極有足夠的負電壓時，雖然陽極電壓可能是正的，也可避免閥導通，觸發(fā)瞬間能通過柵極來控制。晶閘管的電路符號及其伏安特性分別如圖2.1(a，b)所示。主電流從陽極(A)流到陰極(

33、K)。在斷開狀態(tài)，晶閘管能阻斷正向電流而不導通，如圖2.1(b)的伏安特性的斷開狀態(tài)段。當晶閘管處于正向閉鎖狀態(tài)時，通過向門極(G)施加瞬時的或持續(xù)的電流脈沖，能觸發(fā)晶閘管導通，產(chǎn)生如圖2.1(b)的伏安特性的導通段。導通時的正向電壓降只有幾伏(典型值為13v，取決于晶閘管閉鎖電壓的額定值)。一旦晶閘管開始導通，它就被鉗住在導通狀態(tài)，而此時門極電流可以取消。晶閘管不能被門極關(guān)斷，像一個二極管一樣導通，直到電流降至零和有反向偏置電壓作用在晶閘管上時，它才會截止。當晶閘管再次進入正向阻斷狀態(tài)后，允許門極在某個可控的時刻將晶閘管再次觸發(fā)導通。在反向偏置電壓低于反向擊穿電壓時，流過晶閘管的漏電流很小，

34、幾乎可以忽略圖2.1(b)。通常，晶閘管的正向和反向阻斷額定電壓相同，用晶閘管允許通過的最大電流有效值相平均值來規(guī)定電流額定值。在分析換流器時，可以用圖2.1(c)所示的理想特性來表示晶閘管。圖2.1 晶閘管 （a）符號；（b）伏安特性；（c）理想特性在選用組成換流器的晶閘管元件時，一般要求各元件具有下列的性能，即耐壓強度高，過流能力強，開通、關(guān)閉時間短，并盡量一致，正向壓降小，剩余載流子電荷差值小，有承受較大的導通電流變化率（)和關(guān)斷電壓變化率()的能力等。但是，由于制造工藝上原因，使這些要求不能同時滿足。因此，要根據(jù)使用情況，制造能力等條件，有重點地進行選擇。多個晶閘管元件串聯(lián)連接時，由于

35、各元件的特性不一致，造成晶閘管間電壓分布不勻，因此需要加裝均壓裝置來限制其不均勻程度。另外，晶閘管換相時，電壓發(fā)生突變；由于閥的雜散電容等和回路電感的存在而產(chǎn)生振蕩。為了抑制這個振蕩過電壓需要設置阻尼裝置。這些均壓、阻尼裝置，大都是由統(tǒng)一的RLC網(wǎng)絡構(gòu)成。應當指出的是，如果使用統(tǒng)一的RLC網(wǎng)絡時，則在選擇網(wǎng)絡參數(shù)時，需要同時滿足均壓參數(shù)與振蕩阻尼兩方面的要求，做到統(tǒng)籌兼顧，合理配置。2.2 換流電路分析高壓直流換流器的基本模塊是三相全波橋式電路，如圖2.2所示。該電路又稱為格雷茲(Graetz)橋。盡管換流器電路存在幾種可供選擇的結(jié)構(gòu)，但是由于格雷茲電路能夠更好地利用換流變壓器，并且當其截止時

36、閥上反向峰值電壓較低，所以該電路得到了廣泛運用。換流變壓器的交流側(cè)配有有載調(diào)壓分接頭。變壓器的交流側(cè)繞組通常采用星形接地(Y0)聯(lián)接，閥側(cè)繞組通常采用三角形()或星形(Y)聯(lián)接。為便于分析，我們先做以下假設：(a)含有換流變壓器的交流系統(tǒng)可表示為一個電壓和頻率恒定的理想電壓源與一個無損電感（主要代表變壓器的漏電感）串聯(lián)；(b)直流電流(Id)保持恒定且無紋波，這是因為在直流側(cè)采用了一個較大的平波電抗器(Ld)；(c)閥具有理想的開關(guān)特性，導通時呈零電阻，截止時呈無窮大電阻。基于上述假設，圖2.2所示的橋式換流電路可表示為圖2.3所示的等效電路。圖2.2 三相全波橋式電路圖2.3 三相全波橋式換

37、流器等效電路（注：圖中各閥觸發(fā)順序編號） 令電源瞬時電壓為則線電壓為圖2.4(a)所示的波形為對應于式(2.1)和式(2.2)的電壓波形圖。為簡化分析和便于理解橋式整流器的工作原理，我們首先考慮忽略電源電感（即L=0）且無觸發(fā)滯后的情況。對換流器的性能有了基本理解之后，再考慮由閥的門極所控制的觸發(fā)延遲的影響，繼而加入電源電感的影響進行分析。圖2.4橋式電路（圖2.3）中的電壓及電流波形（a）電源相電壓及線電壓；（b）閥電流及導通時段；（c）相電流ia2.2.1 忽略電源電感的分析（一）無觸發(fā)延遲 (1)波形分析。在圖2.3中，上面一排閥1，3，5的陰極連接在一起。因此，當a相的相電壓高于其余兩

38、相的相電壓時，閥1導通。于是這三個閥的陰極的共同電位就等于閥l的陽極電位，閥3和閥5的陰極電位高于其陽極電位，故不能導通。 下面一排閥2，4，6的陽極連接在一起。因此，當c相電壓低于其余兩相電壓時，閥2導通。 從圖2.4（a）所示的波形中可看出，當-120°<t<0°時，ea大于eb和ec，閥1導通；當-60°<t<60°時，ec小于ea和eb，閥2導通。如圖2.4（b）所示，該圖表明了各閥的導通時段及閥中電流的幅值和持續(xù)時間。由于已假定直流電流Id保持恒定，所以導通時閥中電流等于Id，而截止時閥中電流為零。 現(xiàn)在我們來考察0&#

39、176;<t<120°時段的情況。在t0的前一時刻，閥l和閥2處于導通狀態(tài)；在t0時刻之后，eb超過ea，閥3觸發(fā)導通，而此時閥1的陰極電位已高于陽極電位，故閥1截止。在0°<t<60°時，閥2和閥3導通。當t60°時，ea將小于ec，引起閥4導通，閥2截止。 當t120°時，ec>eb，閥5導通，閥3截止；與此類似，當t180°時，下面一排(共陽極組)從閥4到閥6依次觸發(fā)導通。當t240°時，上排（共陰極組）從閥5到閥l依次導通。至此完成一個周期，此后將重復上述過程。閥的觸發(fā)順序如圖2.5所示

40、，該圖僅表示出一個周期的六個不同時段中處于導通狀態(tài)的閥。 每個閥的導通角均為120°。當其導通時，閥電流的幅值Id，上排閥中流通的電流為正，而下排閥中電流為負（或稱為返回電流）。圖2.5 無觸發(fā)延遲、無疊弧時閥的開關(guān)順序 交流電源各相電流由與該相相連的兩個閥中的電流合成。例如，a相電流為i1-i4，如圖2.4（c）所示，該電流表示圖2.2中換流變壓器的副邊繞組電流。 電流從一個閥轉(zhuǎn)移到同一組中另一個閥，稱為“換相”。在上述分析中，我們假定忽略了電源電感Lc，因此換相是瞬時完成的，也就是說沒有疊弧現(xiàn)象。所以在任一時刻，最多只有兩個閥導通(一個共陰極閥和一個共陽極閥)。 從圖2.4（a）

41、中可看出，交流電壓的每個周期中Vd有6個脈波，因此圖2.2所示的橋式電路又叫“六脈波橋式電路”。 （2）平均直流電壓。橋兩端(共陰極閥的陰極和共陽極閥的陽極之間)的瞬時直流電壓由線電壓的60°時段組成。因此，平均直流電壓可由任一60°時段的瞬時電壓積分求得。 將t表示為，考慮時段-60°<t<0°，則無觸發(fā)延遲時平均直流電壓為將式（2.2）中的eac帶入，得：其中，Em為相電壓峰值。 用相電壓的有效值（ELN）和線電壓有效值（ELL）來表示，則Vd0為Vd0稱為“理想空載直流電壓”。 （二）、有觸發(fā)延遲 （1）波形分析?？刂茤艠O或門極可延遲閥

42、的觸發(fā)，用表示“觸發(fā)延遲角”，它對應于延遲時間/秒。 有觸發(fā)延遲時，閥3在t（而不是t0）時觸發(fā)，閥4在t60°時觸發(fā)，閥4在t120°時觸發(fā)，其余依次類推。如圖2.6所示。圖2.6 有觸發(fā)延遲時電壓的波形和閥電流 觸發(fā)延遲角限制在180°以內(nèi)。如果超過180°，閥將觸發(fā)失敗。例如，考慮閥3的觸發(fā)，當0時，閥3在t0時觸發(fā)。該觸發(fā)可延遲到t180°，超過180°時，eb不再大于ea，因而閥3將無法觸發(fā)導通。 （2）平均直流電壓。參見圖2.6，當延遲角為時平均直流電壓Vd為可見觸發(fā)延遲的影響是使平均直流電壓減小cos倍。 由于的范圍在0

43、°到180°之間，cos的范圍在1到1之間。因此Vd可在Vd0到Vd0之間變化。如本章后面所述，負的Vd表示與整流相反的逆變狀態(tài)。 （3）電流與相角的關(guān)系。當觸發(fā)延遲角增大時，供電相中交流電壓和交流電流之間的相位移也會改變。a相的變化情況如圖2.7所示。如圖2.4(c)表明的那樣，a相電流波形由閥1和閥4中的方波電流合成。 根據(jù)假設可知，直流電流是恒定的(圖2.3中的Ld阻止了Id的變化)。由于每個閥導通120°，交流線電流變化幅值Id、寬度為120°或2/3弧度的方波。假定無疊弧，則交流線電流的波形與無關(guān)，只有相位栘隨而變化。 對圖2.8所示的電流波形

44、進行傅里葉級數(shù)分析，可以確定交流線電流的基頻分量。 交流線電流的基頻分量峰值為：交流線電流基頻分量的有效值為忽略換流器的損耗，交流功率一定等于直流功率，因此其中，ELN為相電壓有效值；為基頻線電流滯后于電源相電壓的角度（如圖2.7所示）。將式（2.3b）中的Vd0以及式（2.5b）中的IL1帶入上式，得因此，基波的功率因數(shù)為 這樣，換流器就可以作為將交流轉(zhuǎn)換為直流(或?qū)⒅绷鬓D(zhuǎn)換為交流)的設備運行，使得電流的比值是固定的，而電壓的比值隨觸發(fā)角的改變而變化，觸發(fā)延遲可由柵極或門極控制。觸發(fā)延遲角使電流波形及其基頻分量移動一個角度，如圖2.7所示。當0º時，電流的基頻分量(ia1)與相電壓

45、ea同相位；有功功率()為正，無功功率()為零。當從0º增大到90º時，Pa減小，Qa增大。當90º時，Pa為零，Qa達到最大。當從90º增加到l80º時，Pa變?yōu)樨撝?，其絕對值增大；Qa仍為正，且幅值減小。當180º時，Pa達到負的最大值，Qa為零。由此可知，無論是作為整流裝置還是逆變裝置，換流器都將從交流系統(tǒng)中吸收無功功率。圖2.7 a相電壓和電流的相位移隨延遲角的變化ea為a相電壓；Ea為電壓向量；ia為a相線電流；Ia1為基頻電流向量圖2.8 線電流波形2.2.2包括換相疊弧的分析(一)換相過程 由于交流電源電感Lc(見圖2.

46、3)的影響，相電流不可能瞬時改變。因此，電流從一相轉(zhuǎn)移到另相需要一定的時間，稱為換相時間或疊弧時間。相應的“換相角”或“疊弧角”表示為。正常運行狀況下，換相角小于60º；典型的滿負荷值在15º至25º范圍內(nèi)當060º時，在換相過程中有三個閥同時導通。但是在兩次換相之間則只有兩個閥導通。每隔60º開始一次新的換相，并持續(xù)角度為的一個時段。因此，當無觸發(fā)延遲(即0)時，兩個閥同時導通的時段角度為60º，如圖2.9所示。在每次換相過程中，加入閥中的電流從0增大到Id，退出閥中的電流從Id減小到0。為簡便起見，圖2.9中僅示出閥的導通時段，而

47、沒有表示出閥電流。如果，將產(chǎn)生三個閥和四個閥交替導通的異常運行方式，這里先考慮的正常運行方式。圖2.9 換向角對閥的導通時段的影響圖2.10 有觸發(fā)延遲時閥的導通時段圖2.11 換相過程的等效電路（處于截至狀態(tài)的閥未標示在圖中）現(xiàn)在，我們討論從閥1到閥3的換相過程來分析疊弧現(xiàn)象的影響。圖2.l0表明了考慮觸發(fā)延遲的閥的導通時段，換相過程從t(觸發(fā)延遲角)時開始，到t=時結(jié)束，其中為“熄弧角”(等于觸發(fā)延遲角和換相角之和)。在換相開始時(t=）：i1=Id且I3=0；在換相結(jié)束時(t=)：i1=0，且I3=Id。在換相過程中，閥1、2和3均導通，有效的換流器電路如圖2.11所示。從圖中可知， 對

48、于閥l和閥3的回路，有電壓()叫做“換相電壓”。由式(2.2)可知，該電壓等于。因此由于有因此或?qū)ι鲜絻啥俗麝P(guān)于t的定積分，下限為換流初始時刻(t=或t=/)，上限為變量t，于是其中在換相過程中，加入閥中的電流i3包含一個恒定分量(Is2cos)和一個滯后于換流電壓90º的正弦分量(一Is2cost)。這是因為此刻我們分析的是通過電感2L的線間短路情況，i3的恒定分量取決于；該分量使換相開始時i3=0。如圖2.12所示，換相過程中電流是峰值為的正弦電流的一部分。這部分波形是觸發(fā)角的函數(shù)。因此，換相角取決于Id、L及。換相過程中，i1的波形滿足，當接近00(或1800)時，換相時間或疊

49、弧時間最長；當900時，由于i3與正弦波的近似線性部分相對應，所以換相時間最短。同時，如果減小電源電壓Em或增大Id，換相時間也會增加。圖2.12 換相過程中與換相電壓相關(guān)的閥電流(二)換相疊弧引起的電壓下降 在換流過程中由于疊弧的影響，在t=后的瞬間，P端(見圖211)電壓將恢復至(eaeb)/2，而不是恢復到eb，因此，如圖2.13所示，疊弧的影響可用每隔600(/3弧度)從面積A0中減去面積A來度量。相應地，由疊弧引起的相應平均電壓降為其中，Vd0為空載理想電壓。圖2.13 從閥1到閥3的換相過程中表示疊弧影響的電壓波形由于換相結(jié)束時，且i3=Id，則因此 有換相疊弧及觸發(fā)延遲的情況下，直流電壓的下降可用面積A0和A來表示。直流電壓為其中Rc叫做“等效換相電阻”，可用來解釋換相疊弧所引起的電壓下降。然而它并不代表一個實際的電阻，且不消耗功率。§23 整流器和逆變器工作方式 （一) 整流器工作方式 基于上一節(jié)的分析，橋式整流器等效電路如圖2.14所示。等效電路中的直流電壓及電流均為平均值。內(nèi)電勢為觸發(fā)延遲角的函數(shù)，換相角沒有專門表示于圖中，而是用Rcr代表了換相疊弧的影響。在包含換相疊弧影響的整流工作狀態(tài)下，電壓波形和閥的導通時段如圖2.15（a）所示。