直流輸電講義

1、直流輸電直流輸電（Direct current transmission）以直流方式實現(xiàn)電能傳輸?shù)募?術(shù)。直流輸電與交流輸電相互配合，發(fā)揮各自的特長，構(gòu)成現(xiàn)代電力 傳輸系統(tǒng)。在以交流輸電為主的電力系統(tǒng)中，直流輸電具有特殊的作 用。除了在采用交流輸電有困難的場合，必須采用直流輸電外在電 力系統(tǒng)中，它還能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)運行性能并方便其運 行和管理。直流輸電有兩端（也稱端對端）直流工程、多端直流工程、 背靠背直流工程等類型。直流輸電技術(shù)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和趨勢可以 從創(chuàng)始與發(fā)展、原理與構(gòu)成、特點與應用、研究與前景幾個方面闡述。一、原理與構(gòu)成直流輸電系統(tǒng)的一次電路主要由整流站、直流線路和逆變

2、站三部 分組成。送端與受端交流系統(tǒng)與直流輸電系統(tǒng)也有密切的關(guān)系，它們 給整流器和逆變器提供實現(xiàn)換流的條件，同時送端電力系統(tǒng)作為直流 輸電的電源提供所傳輸?shù)墓β?，而受端則相當于負荷，接受由直流輸 電送來的功率。兩端的交流系統(tǒng)是實現(xiàn)直流輸電必不可少的，通常在 系統(tǒng)研究中用簡化的等值系統(tǒng)來表示。直流輸電的控制保護系統(tǒng)與交 流輸電不同，它是實現(xiàn)直流輸電正常起動和停運、正常運行、運行參 數(shù)的改變和自動調(diào)節(jié)以及故障處理和保護等必不可少的組成部分北匕 外，為了利用大地或海水）為回路，大部分直流輸電工程還有接地極 和接地極引線。因此，直流輸電系統(tǒng)包括整流站，直流輸電線路、逆 變站、控制保護系統(tǒng)以及接地極及其引

3、線等五部分組成。宜濾輸電系貌的基本構(gòu)成1無功補償裝置2交流斷路器3夾流濾波器4換流變壓器5換流裝置6平波電抗器7避雷器8直流波波器9直流輸電線10保護和控制（一）工作原理圖1是直流輸電基本原理簡圖。它包括兩個換流站，直流輸電線 路及兩端交流系統(tǒng)I和II。當系統(tǒng)I向系統(tǒng)II送電時，換流站1運行 于整流狀態(tài)，把系統(tǒng)I送來的三相交流電變換成直流電，經(jīng)直流線路 送到換流站2。此時，換流站2則運行于逆變狀態(tài)，把直流電變換為 三相交流電送入系統(tǒng)II。由換流的基本理論可知，雙極直流輸電系統(tǒng)的主要運行參數(shù)和變 量之間的關(guān)系可用公式表示為：整流站極對地直流電壓：口Udi=Ni (1.35U1cosa-3/nxX

4、J) (1)口逆變站極對地直流電壓：口Ud2=N2 (1.35U2Cosp+3/nxXy2Id)(2)口直流電流：Id=(Ud1-Ud2)/ R 口整流站直流功率：Pd1=2Ud1Id 逆變站直流功率：Pd2=2Ud2Id(5)直流線路壓降：Ud=Ud1-Ud2=IdR (6)直流線路損耗：Pd=PdPd2=Id2R (7)整流站消耗的無功功率：Qd=Pd網(wǎng) 1 (8)逆變站消耗的無功功率:Q偵Pg式中N1、N2為整流站和逆變站每極六脈動換流橋串聯(lián)數(shù);Xy2 為整流站和逆變站的換相電抗；U1、U2為整流站和逆變站換流變壓 器閥側(cè)空載線電壓；a、P為整流站和逆變站換流器的觸發(fā)角；R為 直流線路電

5、阻；、中2為整流站和逆變站換流器的功率因數(shù)角。直流輸電兩端的直流電壓可以通過改變觸發(fā)角a和p進行快速調(diào) 節(jié)。通常是由逆變站控制直流電壓，整流站控制直流電流，從而得到 一定的輸送功率。直流功率的改變由整流站控制直流電流來實現(xiàn)。因此，直流輸送 功率是可控的，這一點與交流輸電有很大的不同?？谥绷鬏旊娋€路不傳輸無功功率，但整流器和逆變器在進行換流時， 均需一定量的無功功率。兩端換流站消耗的無功功率與直流輸送功率 和換流器的功率因數(shù)角(和中2)有關(guān)，見式(8)、式(9)。因此，當交 流系統(tǒng)需要調(diào)節(jié)無功時，可以快速改變直流輸電換流器的功率因數(shù)角 或直流輸送功率來實現(xiàn)無功調(diào)節(jié)?？谥绷鬏旊娤到y(tǒng)可快速方便地進行

6、輸送功率方向的反轉(zhuǎn)或稱潮流 反轉(zhuǎn))。由于換流閥的單向?qū)щ娦裕绷麟娏鞯姆较虿荒芨淖?，直流輸電的潮流反轉(zhuǎn)是通過改變直流電壓的極性來實現(xiàn)的。若從系統(tǒng)I向 系統(tǒng)11送電時，直流電壓為正極性，從系統(tǒng)II向系統(tǒng)I送電時則為負 極性。利用兩端控制系統(tǒng)可方便快速的改變直流電壓的極性，從而實 現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)?？冢ǘ┫到y(tǒng)構(gòu)成直流輸電系統(tǒng)可分為兩端（或端對端）直流系統(tǒng)和多端直流系統(tǒng)兩 大類。口（1）兩端直流輸電系統(tǒng)。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)。它可分為單極系統(tǒng)、雙極系統(tǒng)和背靠背直流系統(tǒng)三 種類型。圖2給出兩端直流系統(tǒng)的基本框圖。圖中的實線部分為一個 單極系統(tǒng)，實線加虛線部分為一個雙極

7、系統(tǒng)，當輸電線路長度為零時 即為背靠背直流系統(tǒng)?？诰€路整流站逆變站線路整流站逆變站圖2兩端直流輸電系統(tǒng)基本框圖單極系統(tǒng)有單極大地回線和單極金屬回線兩種接線方式。雙極系 統(tǒng)是大多數(shù)直流輸電工程采用的系統(tǒng)構(gòu)成方式。通常兩端換流站的中 性點均接地，整流站對地正負兩極通過正負兩根極線與逆變站的正負 兩極相互連接，形成直流側(cè)的閉環(huán)回路。正常運行時，兩極電流相等， 地中無電流流過；當兩極電流不等時，地中電流為兩極電流之差值; 當一極停運時，另一極的全部電流將自動從大地回路返回，形成單極 大地回線方式，可保證至少輸送雙極額定功率的一半。雙極中的任一 極均能構(gòu)成一個獨立運行的單極輸電系統(tǒng)，兩個極的電壓和電流可

8、以 不相等。當兩個極的電壓和電流相等時稱為雙極對稱運行方式，不相 等時則為電壓或電流的不對稱運行方式。當輸電線路或換流站的一個 極發(fā)生故障必須退出運行時，雙極方式的直流工程，可以轉(zhuǎn)為單極大 地回線、單極金屬回線或單極雙導線并聯(lián)大地回線方式運行。雙極系 統(tǒng)還有只在一端換流站中性點接地的兩導線方式和三導線方式其中 一根導線為低絕緣的中線)兩種類型，但在實際工程中很少采用?？诙喽酥绷鬏旊娤到y(tǒng)。與交流系統(tǒng)有三個或三個以上連接端口的 直流輸電系統(tǒng)。利用多端直流系統(tǒng)可以多電源供電或多落點受電，還 可聯(lián)系多個交流電網(wǎng)也可將交流電網(wǎng)分成多個獨立運行的孤立電網(wǎng)。 多端直流系統(tǒng)中，每個換流站的交流側(cè)分別與各自的交

9、流電網(wǎng)相連， 直流側(cè)通過直流線路相互連接，形成直流網(wǎng)絡(luò)。多端直流系統(tǒng)直流側(cè) 的接線方式有換流站并聯(lián)和串聯(lián)方式以及輸電線路分支形和閉環(huán)形 等方式?？诙?、特點與應用直流輸電的主要特點與其兩端需要換流和輸電部分為直流電這兩 個基本點有關(guān)。直流輸電的應用范圍取決于直流輸電技術(shù)的發(fā)展水平 和電力工業(yè)發(fā)展的需要。（一）直流輸電特點（1）直流架空線路結(jié)構(gòu)簡取只需兩根導線），造價低、損耗小。 和交流輸電相比，輸送同樣的容量，直流架空線路可節(jié)省約1/3導體， 其線路造價比交流線路低，并且在此條件下，直流的線路損耗也比交 流低。（2）電纜耐受直流電壓的能力比交流電壓約高3倍以上。直流電 纜輸送容量大，造價低，不易

10、老化，壽命長。在直流電壓作用下，電 纜無電容電流，可實現(xiàn)遠距離電纜送電。（3）直流輸電本身無交流輸電的穩(wěn)定問題。對于遠距離大容量輸 電，輸送功率不受穩(wěn)定極限的限制，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟性能。（4）采用直流輸電可實現(xiàn)電網(wǎng)間的非同步互聯(lián)，不增加被聯(lián)電網(wǎng) 的短路容量，被聯(lián)電網(wǎng)可不同頻率或非同步獨立運行，增強各電網(wǎng)的 獨立性和可靠性，運行管理也方便。（5）利用直流輸電的快速控制，可改善交流系統(tǒng)的運行性能。根 據(jù)交流系統(tǒng)的需要，可快速改變直流輸送的有功和換流器消耗的無 功，對交流系統(tǒng)的有功和無功平衡起快速調(diào)節(jié)作用，從而提高其頻率 和電壓的穩(wěn)定性，提高電能質(zhì)量和電網(wǎng)運行的可靠性。（6）直流輸電采用大地為回路

11、，直流電流向電阻率很低的大地深 層流去，可很好地利用大地這個良導體。利用大地或海水為回路可提 高直流輸電系統(tǒng)的運行可靠性和經(jīng)濟性。（7）直流輸電換流站比交流變電所增加了換流裝置及相關(guān)的配套 設(shè)備。所采用的晶閘管換流閥，結(jié)構(gòu)復雜，價格貴，且不具備自然關(guān) 斷電流的能力，使換流器的性能受到限制。同時，換流器對交流側(cè)為 諧波電流源，對直流側(cè)為諧波電壓源，在換流的過程中換流器還需要 大量的無功功率（約為輸送容量的40%60%）。因此，換流站必須配備相應的交、直流濾波器和無功補償設(shè)備。 此外，直流電的滅弧問題，給直流斷路器的制造帶來困難，也使得多 端直流輸電的發(fā)展緩慢。綜上所述，直流輸電的換流站比交流輸電

12、的 變電所結(jié)構(gòu)復雜，造價高，損耗大，運行可靠性也相應較低，直流輸 電換流技術(shù)還需要進一步的開發(fā)和完善。二）直流輸電應用直流輸電的應用場合可分為兩大類型:(1)采用交流輸電在技術(shù)上有困難或不可能，只有采用直流輸電 的場合，如：不同頻率電網(wǎng)之間的聯(lián)網(wǎng)或向不同頻率的電網(wǎng)送電；因 穩(wěn)定問題采用交流輸電不能聯(lián)網(wǎng)時;長距離電纜送電采用交流電纜因 電容電流太大而無法實現(xiàn)時等。(2)在技術(shù)上采用交流輸電或直流輸電均能實現(xiàn)，但采用直流輸 電的技術(shù)經(jīng)濟性能比交流輸電好。對于第種類型選用直流或交流一 般是由對工程的技術(shù)經(jīng)濟論證結(jié)果來決定。直流輸電的應用范圍主要有：口遠距離大容量輸電。直流輸電線路的造價和運行費用均比

13、交流 輸電線路低，換流站造價和運行費用均比交流變電所高。因此，對同 樣的輸送容量，輸送距離越遠，直流比交流的經(jīng)濟性能越好。一般定 義為當直流線路和換流站的造價與交流線路和變電所的造價相等時 的輸電距離為等價距離。也就是說對于一定的輸送功率，當輸電距離 大于等價距離時，采用直流比較經(jīng)濟。世界上已運行的直流工程約有 1/3為這種類型。電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。用傳統(tǒng)的交流輸電方式聯(lián)網(wǎng)，將形成同步運行 的大電網(wǎng)，可取得聯(lián)網(wǎng)效益，但也帶來一些大電網(wǎng)存在的問題，如穩(wěn) 定問題，故障后可能引起的大面積停電，短路容量增大等。采用直流 方式聯(lián)網(wǎng)，可以取得同樣的聯(lián)網(wǎng)效益，并且可避免大電網(wǎng)帶來的問題， 同時還可以改善原交流電網(wǎng)

14、的運行性能。主要有：1）直流聯(lián)網(wǎng)為非同期聯(lián)網(wǎng)，與采用交流的同期聯(lián)網(wǎng)有本質(zhì)的不同。被聯(lián)電網(wǎng)可以不同頻率或頻率相同但非同步獨立運行。2）被聯(lián)電網(wǎng)間交換的功率，可方便快速的進行控制，而不受兩網(wǎng) 運行條件的影響，便于經(jīng)營管理。3）不增加被聯(lián)電網(wǎng)的短路容量，不需考慮聯(lián)網(wǎng)后因短路容量的增 加，斷路器因遮斷容量不夠而需要更換以及電纜需要采取限流措施等 問題。4）利用直流的快速控制改善交流系統(tǒng)的運行性能，減少故障時兩 網(wǎng)之間的相互影響，提高大電網(wǎng)的運行可靠性。采用直流輸電聯(lián)網(wǎng)有以下兩種類型：1）背靠背直流聯(lián)網(wǎng)。其特點是無直流輸電線路，整流和逆變在一 個背靠背換流站內(nèi)。因無直流輸電線路，可以選擇較低的直流側(cè)電壓

15、， 較小的平波電抗值，一般可省去直流濾波器，從而可降低換流站的造 價，并且還可快速方便地調(diào)節(jié)換流站的無功功率，改善被聯(lián)電網(wǎng)的電 壓穩(wěn)定性。世界上的背靠背直流工程約占全部直流工程的1/3。2）遠距離送電同時兼作聯(lián)網(wǎng)。如我國的葛洲壩一上海和三峽一常 州直流輸電工程均屬此種類型?？谶h距離海底電纜送電。由于遠距離大容量電纜送電采用直流比 交流有明顯的優(yōu)勢，跨越海峽或向沿海島嶼的直流海底電纜工程也越 來越多。這種類型的工程約占全部直流工程的1/4。大城市地下電纜送電。大城市用電密度高，人口稠密，選擇高 壓架空線路走廊比較困難，采用高壓直流地下電纜將電力送到大城市 負荷中心，具有較好的技術(shù)經(jīng)濟性，是值得考

16、慮的選擇方式?？谳p型直流輸電。采用絕緣柵雙極晶體管(IGBT )電壓源換流器的 輕型直流輸電，在向孤立的遠方負荷區(qū)送電、小型水電或風力發(fā)電與 主十電網(wǎng)的連接以及小容量遠距離的配電線路等場合有較強的發(fā)展 潛力。換流站換流站(Converter station),直流輸電系統(tǒng)中實現(xiàn)交直流電力變換的 電力工程設(shè)施。換流站一側(cè)接入交流系統(tǒng)，另一側(cè)與直流電力網(wǎng)絡(luò)相 連，是直流輸電系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)。站內(nèi)裝設(shè)有換流器及其冷卻裝 置、換流變壓器、平波電抗器、換流站無功補償裝置、換流站交流濾 波裝置、換流站直流濾波裝置、直流輸電系統(tǒng)通信設(shè)施、換流站開關(guān) 設(shè)備及直流控制保護裝置和必要的輔助設(shè)備與設(shè)施?？趽Q流站按

17、其不同的運行方式可分為整流站和逆變站。整流站將交 流電變換為直流電，逆變站將直流電變換為交流電。通過改變換流 站內(nèi)核心設(shè)備換流器的觸發(fā)相位，可實現(xiàn)換流器的整流或逆變運行 方式，因此換流站既可作為整流站運行，又可作為逆變站運行。換流器是換流站的核心部分，按每一工頻周期的直流電壓波形的 脈動數(shù)（也稱脈波數(shù)）不同，換流器可分為12脈動（也稱12脈波）和6 脈動（也稱6脈波）兩種。6脈動換流器實質(zhì)上是一個三相橋式換流器， 12脈動換流器由兩個相位相差30基波電角度的6脈動換流器串級組 成。12脈動換流器所產(chǎn)生的交流側(cè)諧波和直流側(cè)諧波均比6脈動換 流器小，因此除早期換流站有采用6脈動換流器作為基本換流單元 外，近些年新建的高電壓、大容量的換流站廣泛采用12脈動換流器 作為基本換流單元，以減少交、直流濾波器的組數(shù)、簡化接線節(jié)省 投資。直流輸電換流站主要構(gòu)成示意圖16脈動換流器；212脈動換流器；3一換流變壓器；4平波電抗器；5一直流濾波器；6交流濾波器；7無功功率補償設(shè)備；8控制裝置；9中性點；10一接地電極；11直流端，接到直流線路；12交流端，接到交流三相系統(tǒng)換流閥換流閥是直流輸電工程的核心設(shè)備，通過依次將三相交流電壓連接到 直流