直流輸電-緒論-201503

1、高壓(goy)直流輸電技術(shù)High Voltage Direct Current TransmissionHVDC新能源電網(wǎng)(dinwng)研究所12015年共五十頁2關(guān)于本次課程的安排課時數(shù)： 32學(xué)時 上課地點：教五A105上課時間：第116周；每周一第5，6節(jié)授課(shuk)教師：趙成勇教授，郭春義講師（趙成勇負(fù)責(zé)前10周，郭春義負(fù)責(zé)其余）選課與退出選課：前2周學(xué)生可自由選擇考核方式期中考試（30%)：閉卷筆試（僅前9周課程內(nèi)容）期末考核（50%）：寫讀書筆記或報告(不少于5000字，鼓勵仿真研究。此部分希望得分為優(yōu)的同學(xué)要上臺匯報（前一部分閉卷筆試成績前1/3有資格申請）,并回答問題）

2、作業(yè)情況（10%）：交作業(yè)并檢查考勤情況（10%）：上課抽查共五十頁3座位分布和聽課要求教室南側(cè)：共62人電氣1203班 22人電氣1204班 19人電氣1205班 12人實踐電1201班 9人聽課要求：座位按班相對(xingdu)集中，要檢查考勤情況 選擇自學(xué)的學(xué)生要提前告訴老師直流輸電課程公共郵箱：HVDCTECH163.COM, 密碼為dianqi11教室(jiosh)北側(cè)：共47人創(chuàng)新電1201 9人電氣1201班 22人電氣1202班 16人共五十頁4關(guān)于本次課程的安排參考書目：1、浙江大學(xué)發(fā)電教研組直流輸電科研組直流輸電北京：水利電力出版社，19852、韓民曉，等編著高壓直流輸電原

3、理與運行 北京：機械工業(yè)出版社，20093、趙成勇著，柔性直流輸電建模與仿真。北京：中國電力(dinl)出版社，2014.4 4、趙成勇著，混合直流輸電。北京：科學(xué)出版社，2014.65、徐政交直流電力系統(tǒng)動態(tài)行為分析北京：機械工業(yè)出版社， 20046、趙畹君，等高壓直流輸電工程技術(shù)北京：中國電力出版社，2004 共五十頁課程內(nèi)容安排(npi) 第一章 緒論 第二章 高壓直流輸電系統(tǒng)的主要設(shè)備(shbi) 第三章 換流器工作原理 第四章 高壓直流輸電的諧波抑制與無功補償 第五章 直流控制與保護(hù) 第六章 直流輸電新技術(shù)共五十頁 電能形態(tài)(xngti)變換的基本方式輸入(shr)輸出直 流 電交

4、流 電直 流 電交 流 電 逆變換通常稱為逆變器 順變換通常稱為整流器交直交變換器交交變換器基本概念 直流變換 通常稱為直流斬波器共五十頁能利用控制(kngzh)信號從關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)嗎可控閥器件(qjin)能利用控制信號從導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)嗎 導(dǎo)通可控閥器件導(dǎo)通狀態(tài)閉鎖閥器件反向截止晶閘管SCR整流二極管 D反向?qū)ňчl管三端雙向晶閘管TRIACGTOGTR，MOSFET，IGCT IGBT反向?qū)℅TO不可控閥器件非導(dǎo)通狀態(tài)閉鎖閥器件控制信號解除后還保持導(dǎo)通狀態(tài)嗎 導(dǎo)通關(guān)斷可控閥器件電力電子變換器件狀態(tài)分類NNY YNY電流驅(qū)動型電壓驅(qū)動型 功率集成器件 PID智能模塊IPM，功率集成電路P

5、IC基本概念共五十頁6 kV ,6 kA GTO半控控器件(qjin)（）已應(yīng)用于1000MW VSC-HVDC 西北華中背靠背聯(lián)網(wǎng)工程擴建項目360M750M1100MW，330kV,500kV.換流站控制及自動化裝置國產(chǎn)化實驗(shyn)在我校重點實驗(shyn)室展開?；靖拍畲蠊β势骷圃焖郊皯?yīng)用共五十頁全控型器件及其換流技術(shù)與裝置是發(fā)展(fzhn)方向單個IGBT最高參數(shù)(cnsh)6.5kV，750A4.5kV，1200A3.3kV，1500A共五十頁早期的直流輸電系統(tǒng)傳統(tǒng)的直流輸電系統(tǒng)現(xiàn)代的柔性直流輸電系統(tǒng)10直流輸電(shdin)發(fā)展歷程緒論(xln)共五十頁11早期的直流輸

6、電(shdin)系統(tǒng)緒論(xln)共五十頁直流電是人類最先認(rèn)識和利用(lyng)的電能12早期的直流輸電概念是由法國物理學(xué)家Marcel Deprez于1881年提出來的，即由直流發(fā)電機產(chǎn)生直流電能，通過輸電線路向遠(yuǎn)方的直流負(fù)荷(fh)供電。1882年，他在57km的電報線路上進(jìn)行了直流輸電系統(tǒng)試驗，其工作電壓和輸電容量分別為2.0kV和1.5kW。然而，由于其線路損耗過高，這種系統(tǒng)難以實際應(yīng)用。共五十頁共五十頁早期(zoq)的直流輸電系統(tǒng)141882年，愛迪生電力照明公司在紐約主持建造了世界第一個直流電力系統(tǒng)，包括6臺12千瓦直流發(fā)電機，用110伏電壓將電力線連接成網(wǎng)絡(luò)為6000盞電燈供電。

7、1882年在我國，外商(wishng)集資創(chuàng)辦成立了商業(yè)化運營的上海電光公司，為城市照明提供直流電力。共五十頁早期的直流輸電(shdin)系統(tǒng)15托馬斯愛迪生（1847年1931年），有1093項專利。1892年創(chuàng)立愛迪生通用電氣公司。愛迪生力挺直流電，是為了讓他發(fā)明的電燈泡有用武之地，不然人們不會使用(shyng)電燈泡，他也賺不到錢。因為愛迪生錯誤的打壓了交流電的應(yīng)用，愛迪生通用電氣公司的股東以此為恥，一致通過將他趕出公司，更名為通用電氣公司。共五十頁共五十頁早期(zoq)的直流輸電系統(tǒng)17直流電壓的提升和降低是困難的。為了提高直流電壓，提出了串聯(lián)直流輸電系統(tǒng)（發(fā)電側(cè)和配電側(cè)均串聯(lián)），但是

8、經(jīng)濟性低，可靠性差，缺少電氣隔離(gl)。Rene Thury對串聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行了重大改進(jìn)：在直流電機上加裝自動調(diào)節(jié)器、并聯(lián)短路器的方法，實現(xiàn)了串聯(lián)系統(tǒng)中任何一臺發(fā)電機或電動機的故障退出與重新接入以及運行調(diào)整，極大地提高了可靠性。典型的Thury串聯(lián)系統(tǒng)共五十頁由于直流輸電(shdin)的諸多困難，交流輸電(shdin)應(yīng)運而生181884年到1885年，匈牙利Kroly Zipernowsky 、Ott Blthy 和Miksa Dri提出了心式和殼式鐵心變壓器技術(shù)。1888年5月16日，美國科學(xué)家Nikola Tesla（特斯拉）在美國電氣工程師學(xué)會（AIEE）上，發(fā)表了題為A New Sys

9、tem of Alternating Current Motors and Transformers的著名演講。1889年，英國工程師Charles Parsons制造出汽輪發(fā)電機。1891年，歐洲(u zhu)建設(shè)了第一個三相交流輸電系統(tǒng)，工作電壓和輸送距離分別為25kV和175km。共五十頁交流(jioli)發(fā)電機的發(fā)明者尼古拉特斯拉誕生于1856年。1882年，他繼愛迪生推廣直流電后不久，即發(fā)明了并制造出世界(shji)上第一臺交流電發(fā)電機。 實驗物理學(xué)派領(lǐng)導(dǎo)人，軍事派科學(xué)家（區(qū)別于愛因斯坦的理論物理學(xué)派）于1912年和愛迪生共同獲得諾貝爾獎，但他拒絕和愛迪生一起領(lǐng)獎而放棄。 共五十頁共

10、五十頁早期的直流輸電很快不再(b zi)存在21隨著三相交流同步發(fā)電機、變壓器、異步電動機等技術(shù)的日益成熟，特別是交流輸電系統(tǒng)的低成本投入(tur)和高額的回報，使早期的直流輸電系統(tǒng)很快就被三相交流輸電系統(tǒng)所替代。到1937年，早期的直流輸電系統(tǒng)不再存在，越來越多的三相交流輸電系統(tǒng)出現(xiàn)在世界各地。由于正弦交流電有便于變壓（升降壓）、產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場等技術(shù)特點，逐漸形成了今天占統(tǒng)治地位的三相交流電網(wǎng)。共五十頁交流電為什么要選用正弦函數(shù)(hnsh)波形？ 1893年4月，美國電氣工程師A.E.Kennelly發(fā)表(fbio)了一篇論文，他說如果交流電采用正弦波，就可以引入“阻抗”概念，和直流電路一樣可

11、利用歐姆定律來計算交流電路。這篇文章發(fā)表后，正弦波立即在電氣工程領(lǐng)域得到應(yīng)用。論文中提出，正弦交流電路如同直流電路一樣，電壓和電流有效值之比為一常數(shù)，稱之為阻抗；因此，在線性電路中是遵守歐姆定律的。他從電氣參數(shù)計算上說明了采用正弦函數(shù)波形交流電的理由。共五十頁23傳統(tǒng)的直流輸電(shdin)系統(tǒng)共五十頁直流輸電(shdin)再次興起2420世紀(jì)50年代后，電力需求日益增長，三相交流輸電線路和交流電網(wǎng)迅速發(fā)展。盡管如此，交流輸電技術(shù)在實際應(yīng)用中也遇到了難題。在遠(yuǎn)距離大容量輸電方面，由于交流架空輸電線路存在電容效應(yīng)、趨膚效應(yīng)和傳輸線效應(yīng)，其輸電容量和輸送距離受到限制。在交流電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)方面，一是無法實

12、現(xiàn)兩個不同工作頻率的交流電網(wǎng)的 聯(lián)網(wǎng)；二是當(dāng)兩個相同工作頻率的交流電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)形成更大的交流電網(wǎng)后，受到系統(tǒng)運行穩(wěn)定性差和短路容量增大等限制。在電纜輸電方面，由于電纜電容遠(yuǎn)大于架空線路，電纜電容的充放電電流產(chǎn)生很大損耗，嚴(yán)重限制了電纜輸電距離和效率。在一定條件下的技術(shù)經(jīng)濟比較結(jié)果表明，采用(ciyng)直流輸電更為合理，且比交流輸電有更好的經(jīng)濟效益和優(yōu)越的運行特性。因而，直流輸電重新被人們重視。共五十頁25直流輸電的優(yōu)點及特點：1、輸送相同容量下，線路造價低，適合于遠(yuǎn)距離輸電；直流架空線路的走廊寬度約為交流線路的一半，可以充分利用線路走廊的資源；等價距離概念。2、適合于海下電纜輸送 在同等絕緣材料

13、條件下，直流電纜的允許工作電壓比在交流電壓下約高3倍；絕緣(juyun)老化慢，使用壽命長；共五十頁263、大電網(wǎng)之間通過直流輸電互聯(lián)(如背靠背方式，back to back DC transmission system)，兩個交流電網(wǎng)之間可以非同步（解耦）運行，不會互相干擾和影響，輸送功率的大小和方向可以快速控制和調(diào)節(jié)，可迅速進(jìn)行網(wǎng)間功率支援等。5、直流輸電系統(tǒng)的投入不會增加原有電力系統(tǒng)的短路電流容量，也不受系統(tǒng)穩(wěn)定極限的限制；6、直流輸電工程的一個極發(fā)生故障時另一個極能繼續(xù)運行，且可充分發(fā)揮其過負(fù)荷能力，即可以不減少或少減少輸送功率損失；7、直流本身帶有調(diào)制功能，可以根據(jù)(gnj)系統(tǒng)的要

14、求作出反應(yīng)，可以對機電振蕩產(chǎn)生阻尼，可以阻尼低頻振蕩，從而提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平；日本東、西部電力系統(tǒng)(din l x tn)分別以50赫和60赫運行,由兩個直流背靠背變頻站互聯(lián),北海道和本州之間采用直流海底電纜互聯(lián),最終采用雙極250千伏輸電線路。共五十頁27傳統(tǒng)直流輸電尚待克服的缺點：1、換流設(shè)備造價昂貴；2、無論整流側(cè)還是逆變側(cè)均需要大量的無功功率。需要增設(shè)補償裝置，約為輸送功率4060%容量(rngling)的電容器裝備。3、換流設(shè)備是最大的諧波發(fā)生源，需要在其交流側(cè)和直流側(cè)裝設(shè)大容量，多調(diào)諧的濾波器。占地約為換流站的15%多；4、直流變壓器、直流斷路器、直流傳感器等電力元件及設(shè)備尚

15、待開發(fā)。共五十頁傳統(tǒng)(chuntng)的直流輸電系統(tǒng)28傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)是建立在發(fā)電和配電(pi din)均為交流電基礎(chǔ)上的。傳統(tǒng)直流輸電是先將送端的交流電整流為直流電，由直流輸電線路送到受端，再將直流電逆變?yōu)榻涣麟姡腿胧芏说慕涣麟娋W(wǎng)。傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)經(jīng)歷了汞弧閥換流器和晶閘管閥換流器兩個階段。共五十頁傳統(tǒng)的直流輸電(shdin)系統(tǒng) 早期采用汞弧閥換流器291901年發(fā)明的汞弧閥只能用于整流，不能用于逆變。1914年提出柵控汞弧閥概念，1928年研制成功，可實現(xiàn)整流和逆變。1920年到1940年期間(qjin)，先后研制出不同類型的大功率汞弧閥。 1932年，美國建成了一個連接40Hz交流

16、電網(wǎng)與60Hz負(fù)荷的12kV直流輸電系統(tǒng)。1954年，瑞典建成了一個連接瑞典大陸與哥特蘭島的海底電纜的直流輸電系統(tǒng)，其工作電壓、輸電容量和距離為100kV、20MW和90km。1977年，最后一個采用汞弧閥的直流輸電系統(tǒng)投入運行。在1954年到1977年期間，全世界共有12個采用汞弧閥的直流輸電系統(tǒng)投入運行，最高工作電壓為450kV，最大輸電容量為1440MW，最長輸送距離為1362km。汞弧閥制造技術(shù)復(fù)雜、價格昂貴、逆弧故障率較高、可靠性較低、運行維護(hù)不便。共五十頁301971年150kV 汞弧閥瑞典(ru din)直流工程共五十頁傳統(tǒng)的直流輸電系統(tǒng)(xtng) 后期完全采用晶閘管換流器31

17、1957年，發(fā)明了晶閘管閥（又稱可控硅整流器）。20世紀(jì)70年代，高壓大功率晶閘管閥以及微機控制技術(shù)開始應(yīng)用于直流輸電系統(tǒng)，使其運行性能與可靠性得到明顯改善。1970年，瑞典大陸與哥特蘭島的直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行擴建增容，將晶閘管閥換流器疊加在原有的汞弧閥換流器上，增容后工作電壓由100kV提高(t go)到150kV、輸電容量由20MW提高到30MW。1972年，第一個全部采用晶閘管閥換流器的80kV、320MW的背靠背直流聯(lián)網(wǎng)工程在加拿大投入運行。1979年，莫桑比克到南非的直流輸電系統(tǒng)投入運行，其工作電壓、輸送距離和輸電容量分別為533kV、1920MW、1410km。此后，基于晶閘管閥換流器

18、的高壓大容量直流輸電系統(tǒng)得到快速發(fā)展。共五十頁傳統(tǒng)(chuntng)的直流輸電系統(tǒng) 大功率晶閘管換流器占主導(dǎo)地位321977年 ，我國上海曾經(jīng)建成31kV工業(yè)性實驗直流電纜線路；1987年，中國第一條直流輸電工程舟山直流輸電工程投運，其工作電壓、輸送距離和輸電容量(rngling)分別為100kV、100MW、54km。2010年，世界上第一個800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)在中國投入運行，輸電容量和輸送距離分別為5000MW和1418km。2014年1月，世界上輸電容量最大的800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)-哈密至鄭州在中國投運行，輸電容量為8000MW。至此我國特高壓工程共運行4條。容量均為世界之

19、最。目前， 我國的1100kV特高壓直流輸電系統(tǒng)也即將開展建設(shè)。共五十頁傳統(tǒng)的直流輸電(shdin)系統(tǒng)-晶閘管換流器33超高壓直接(zhji)光控晶閘管換流閥共五十頁 向家壩-上海特高壓800kV直流示范(shfn)工程換流閥 廣東(gung dng)肇慶500kV直流換流站換流閥上海20MW，30kV柔性直流輸電換流閥寧東山東660kV超高壓直流輸電換流閥6英寸、8500伏、4000安培（長期運行能力4500安培）大功率晶閘管器件VSC-HVDCHVDC_Plus SeimensHVDC_LightABB中國已經(jīng)成為直流輸電大國 電壓最高、容量最大、數(shù)量最多共五十頁35柔性直流輸電(shd

20、in)系統(tǒng)共五十頁361990年，加拿大McGill大學(xué)的Boon-Teck Ooi等首次提出使用PWM技術(shù)控制的VSC(Voltage Source Converter)進(jìn)行直流輸電的概念。1997年，ABB公司在瑞典中部的Hallsjon和Grangesberg之間建成首條的工業(yè)試驗(shyn)工程。 從此柔性直流輸電系統(tǒng)作為一種新興的輸電技術(shù)開始進(jìn)入大發(fā)展的商業(yè)應(yīng)用階段。Prof. Boon-Teck Ooi Ph.D. (McGill)McGill University 柔性直流輸電系統(tǒng)(xtng) 以全控功率器件為標(biāo)志共五十頁37ABB公司稱之為輕型直流輸電（HVDC Light）并

21、作為商標(biāo)注冊；Siemens公司將其注冊為新型直流HVDCPLUS；國際上電力方面的權(quán)威學(xué)術(shù)組織(zzh)CIGRE和IEEE將其正式稱為VSC-HVDC(Voltage Source Converter based HVDC)，即“電壓源換流器型高壓直流輸電”。國內(nèi)很多專家稱之為“柔性直流（HVDC-Flexible）”。柔性(ru xn)直流輸電系統(tǒng)共五十頁38柔性直流輸電系統(tǒng) -將取代(qdi)傳統(tǒng)直流輸電（晶閘管閥換流器）截止到目前，世界上已投運VSC-HVDC工程22項電壓等級最高320 kV，容量最大1000MW（已投運）中國上海南匯風(fēng)電場VSC-HVDC輸電工程已建成舟山多端(d

22、u dun)VSC-HVDC工程和南方電網(wǎng)多端VSC-HVDC工程已建成，廈門VSC-HVDC工程(1000MW, 320 kV)、云南廣西VSC-HVDC異步聯(lián)網(wǎng)工程(320 kV/1000MW VSC-HVDC, 500 kV/1000MW HVDC 并聯(lián)BACK-TO-BACK運行)已開建共五十頁世界(shji)已投運22項我國已投運22項 在相當(dāng)長時間內(nèi)，以晶閘管換相換流器構(gòu)成的高電壓大功率(gngl)直流輸電為骨干，以電壓源型換流器構(gòu)成的中小功率(gngl)直流輸電為輔的局面仍將持續(xù)。LCC-HVDC(Line Commutated Converter based HVDC)39共五

23、十頁40直流輸電需求(xqi)的發(fā)展推動大功率器件的制作，而新型功率器件的出現(xiàn)改變換流拓?fù)浼肮ぷ髟恚淖冎绷鬏旊姷膽?yīng)用共五十頁41共五十頁42共五十頁43衢山島(shn do)嵊泗島岱山(di shn)島舟山島蘆潮港洋山島浙江舟山5端直流輸電系統(tǒng)作用： 多端VSC-HVDC的示范工程 風(fēng)電并網(wǎng) 孤島供電系統(tǒng)參數(shù)：直流電壓200 kV， 5端容量最大為400MW共五十頁電網(wǎng)光伏發(fā)電(fdin)風(fēng)力(fngl)發(fā)電能量控制負(fù)載接入新能源電力變換和電能質(zhì)量實驗室共五十頁45我國電網(wǎng)(dinwng)現(xiàn)狀特點緒論(xln)共五十頁我國電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀(xinzhung)與特點大容量、長距離、高電壓、強耦

24、合、強影響 隨著工業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展和國民經(jīng)濟的穩(wěn)步增長，面對能源賦存和需求的逆向分布格局，當(dāng)前和今后一段時間我國電網(wǎng)發(fā)展有以下特點：1）集中式大型機組群協(xié)調(diào)運行水平成熟2）遠(yuǎn)距離、大功率、交直流混合輸電及區(qū)域性互聯(lián)電網(wǎng)已經(jīng)形成3）規(guī)?；稍偕履茉窗l(fā)電迅速增長（分布式電源也開始引起關(guān)注）4）柔性化輸電模式快速發(fā)展，多種類型FACTS裝置增強了系統(tǒng)的可控性5）各種功率特性的電力變換裝置大量應(yīng)用，強化了系統(tǒng)的非線性特性6）大容量電網(wǎng)儲能技術(shù)已開展研究 但是，日益(ry)復(fù)雜的人造巨大系統(tǒng)的安全穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)高效運行問題變得更加突出，系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，可控性問題也越來越困難，電力科技工作者面臨著前所未有的機遇與挑戰(zhàn)。46共五十頁華北(Hubi)電網(wǎng)南方電網(wǎng)臺灣陜北煤電華中電網(wǎng)濟南徐州(x zhu)雅龍江梯級南陽上海華東電網(wǎng)荊門恩施樂山蒙西煤電唐山青島南京沿海核電連云港沿海核電重慶沿海核電溫州西北電網(wǎng)準(zhǔn)東吐魯番變?yōu)醣弊儸敿{斯呼盟高嶺背靠背泉州贛州海南新疆分區(qū)電網(wǎng)西藏地方電網(wǎng)川渝電網(wǎng)三峽/葛洲壩晉東南煤電靈寶背靠背昆西北羅平天生橋安順平果賀州金安橋水電茂名江門北郊廣州深圳博羅羅洞沿海核電圖 例500千伏以上交流500千伏直流800千伏直流11