高壓直流輸電技術(shù)

高壓直流輸電技術(shù)第一頁(yè)，共49頁(yè)。2關(guān)于本次課程的安排課時(shí)數(shù)：32學(xué)時(shí)上課地點(diǎn)：教五A105上課時(shí)間：第1－16周；每周一第5，6節(jié)授課教師：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(bào)告(不少于5000字，鼓勵(lì)仿真研究。此部分希望得分為優(yōu)的同學(xué)要上臺(tái)匯報(bào)（前一部分閉卷筆試成績(jī)前1/3有資格申請(qǐng)）,并回答問(wèn)題）作業(yè)情況（10%）：交作業(yè)并檢查考勤情況（10%）：上課抽查第二頁(yè)，共49頁(yè)。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(shí)踐電1201班9人聽課要求：座位按班相對(duì)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：HVDCTECH@163.COM,密碼為dianqi11教室北側(cè)：共47人創(chuàng)新電12019人電氣1201班22人電氣1202班16人第三頁(yè)，共49頁(yè)。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，1985．2、韓民曉，等編著．高壓直流輸電原理與運(yùn)行．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009．3、趙成勇著，柔性直流輸電建模與仿真。北京：中國(guó)電力出版社，2014.4．4、趙成勇著，混合直流輸電。北京：科學(xué)出版社，2014.6．5、徐政．交直流電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為分析．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004．6、趙畹君，等．高壓直流輸電工程技術(shù)．北京：中國(guó)電力出版社，2004．第四頁(yè)，共49頁(yè)。課程內(nèi)容安排

第一章緒論第二章高壓直流輸電系統(tǒng)的主要設(shè)備第三章?lián)Q流器工作原理第四章高壓直流輸電的諧波抑制與無(wú)功補(bǔ)償?shù)谖逭轮绷骺刂婆c保護(hù)第六章直流輸電新技術(shù)第五頁(yè)，共49頁(yè)。

電能形態(tài)變換的基本方式輸入輸出直流電交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第六頁(yè)，共49頁(yè)。能利用控制信號(hào)從關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)嗎可控閥器件能利用控制信號(hào)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(hào)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(dòng)型電壓驅(qū)動(dòng)型功率集成器件PID智能模塊IPM，功率集成電路PIC基本概念第七頁(yè)，共49頁(yè)。6kV,6kAGTO半控控器件（）已應(yīng)用于1000MWVSC-HVDC西北－華中背靠背聯(lián)網(wǎng)工程擴(kuò)建項(xiàng)目360M＋750M＝1100MW，330kV,500kV.換流站控制及自動(dòng)化裝置國(guó)產(chǎn)化實(shí)驗(yàn)在我校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室展開。基本概念大功率器件制造水平及應(yīng)用第八頁(yè)，共49頁(yè)。全控型器件及其換流技術(shù)與裝置是發(fā)展方向單個(gè)IGBT最高參數(shù)6.5kV，750A4.5kV，1200A3.3kV，1500A第九頁(yè)，共49頁(yè)。10直流輸電發(fā)展歷程緒論第十頁(yè)，共49頁(yè)。11早期的直流輸電系統(tǒng)緒論第十一頁(yè)，共49頁(yè)。直流電是人類最先認(rèn)識(shí)和利用的電能12早期的直流輸電概念是由法國(guó)物理學(xué)家MarcelDeprez于1881年提出來(lái)的，即由直流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生直流電能，通過(guò)輸電線路向遠(yuǎn)方的直流負(fù)荷供電。1882年，他在57km的電報(bào)線路上進(jìn)行了直流輸電系統(tǒng)試驗(yàn)，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(guò)高，這種系統(tǒng)難以實(shí)際應(yīng)用。第十二頁(yè)，共49頁(yè)。第十三頁(yè)，共49頁(yè)。早期的直流輸電系統(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(gè)直流電力系統(tǒng)，包括6臺(tái)12千瓦直流發(fā)電機(jī)，用110伏電壓將電力線連接成網(wǎng)絡(luò)為6000盞電燈供電。1882年在我國(guó)，外商集資創(chuàng)辦成立了商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的上海電光公司，為城市照明提供直流電力。第十四頁(yè)，共49頁(yè)。早期的直流輸電系統(tǒng)15托馬斯·愛迪生（1847年－1931年），有1093項(xiàng)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(huì)使用電燈泡，他也賺不到錢。因?yàn)閻鄣仙e(cuò)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(guò)將他趕出公司，更名為通用電氣公司。第十五頁(yè)，共49頁(yè)。第十六頁(yè)，共49頁(yè)。早期的直流輸電系統(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)），但是經(jīng)濟(jì)性低，可靠性差，缺少電氣隔離。ReneThury對(duì)串聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行了重大改進(jìn)：在直流電機(jī)上加裝自動(dòng)調(diào)節(jié)器、并聯(lián)短路器的方法，實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)系統(tǒng)中任何一臺(tái)發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)的故障退出與重新接入以及運(yùn)行調(diào)整，極大地提高了可靠性。典型的Thury串聯(lián)系統(tǒng)第十七頁(yè)，共49頁(yè)。由于直流輸電的諸多困難，交流輸電應(yīng)運(yùn)而生181884年到1885年，匈牙利KárolyZipernowsky、OttóBláthy

和MiksaDéri提出了心式和殼式鐵心變壓器技術(shù)。1888年5月16日，美國(guó)科學(xué)家NikolaTesla（特斯拉）在美國(guó)電氣工程師學(xué)會(huì)（AIEE）上，發(fā)表了題為ANewSystemofAlternatingCurrentMotorsandTransformers的著名演講。1889年，英國(guó)工程師CharlesParsons制造出汽輪發(fā)電機(jī)。1891年，歐洲建設(shè)了第一個(gè)三相交流輸電系統(tǒng)，工作電壓和輸送距離分別為25kV和175km。第十八頁(yè)，共49頁(yè)。交流發(fā)電機(jī)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)明了并制造出世界上第一臺(tái)交流電發(fā)電機(jī)。實(shí)驗(yàn)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(jiǎng)，但他拒絕和愛迪生一起領(lǐng)獎(jiǎng)而放棄。第十九頁(yè)，共49頁(yè)。第二十頁(yè)，共49頁(yè)。早期的直流輸電很快不再存在21隨著三相交流同步發(fā)電機(jī)、變壓器、異步電動(dòng)機(jī)等技術(shù)的日益成熟，特別是交流輸電系統(tǒng)的低成本投入和高額的回報(bào)，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(lái)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(chǎng)等技術(shù)特點(diǎn)，逐漸形成了今天占統(tǒng)治地位的三相交流電網(wǎng)。第二十一頁(yè)，共49頁(yè)。交流電為什么要選用正弦函數(shù)波形？

1893年4月，美國(guó)電氣工程師發(fā)表了一篇論文，他說(shuō)如果交流電采用正弦波，就可以引入“阻抗”概念，和直流電路一樣可利用歐姆定律來(lái)計(jì)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(jì)算上說(shuō)明了采用正弦函數(shù)波形交流電的理由。第二十二頁(yè)，共49頁(yè)。23傳統(tǒng)的直流輸電系統(tǒng)第二十三頁(yè)，共49頁(yè)。直流輸電再次興起2420世紀(jì)50年代后，電力需求日益增長(zhǎng)，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(shí)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(wú)法實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同工作頻率的交流電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)；二是當(dāng)兩個(gè)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(yùn)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(jì)比較結(jié)果表明，采用直流輸電更為合理，且比交流輸電有更好的經(jīng)濟(jì)效益和優(yōu)越的運(yùn)行特性。因而，直流輸電重新被人們重視。第二十四頁(yè)，共49頁(yè)。25直流輸電的優(yōu)點(diǎn)及特點(diǎn)：

1、輸送相同容量下，線路造價(jià)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(jià)距離概念。

2、適合于海下電纜輸送在同等絕緣材料條件下，直流電纜的允許工作電壓比在交流電壓下約高3倍；

絕緣老化慢，使用壽命長(zhǎng)；

第二十五頁(yè)，共49頁(yè)。263、大電網(wǎng)之間通過(guò)直流輸電互聯(lián)(如背靠背方式，backtobackDCtransmissionsystem)，兩個(gè)交流電網(wǎng)之間可以非同步（解耦）運(yùn)行，不會(huì)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(huì)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(gè)極發(fā)生故障時(shí)另一個(gè)極能繼續(xù)運(yùn)行，且可充分發(fā)揮其過(guò)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)系統(tǒng)的要求作出反應(yīng)，可以對(duì)機(jī)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)分別以50赫和60赫運(yùn)行,由兩個(gè)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。第二十六頁(yè)，共49頁(yè)。27傳統(tǒng)直流輸電尚待克服的缺點(diǎn)：1、換流設(shè)備造價(jià)昂貴；2、無(wú)論整流側(cè)還是逆變側(cè)均需要大量的無(wú)功功率。需要增設(shè)補(bǔ)償裝置，約為輸送功率40～60%容量的電容器裝備。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)備尚待開發(fā)。第二十七頁(yè)，共49頁(yè)。傳統(tǒng)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?，送入受端的交流電網(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(gè)階段。第二十八頁(yè)，共49頁(yè)。傳統(tǒng)的直流輸電系統(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(shí)現(xiàn)整流和逆變。1920年到1940年期間，先后研制出不同類型的大功率汞弧閥。1932年，美國(guó)建成了一個(gè)連接40Hz交流電網(wǎng)與60Hz負(fù)荷的12kV直流輸電系統(tǒng)。1954年，瑞典建成了一個(gè)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(gè)采用汞弧閥的直流輸電系統(tǒng)投入運(yùn)行。在1954年到1977年期間，全世界共有12個(gè)采用汞弧閥的直流輸電系統(tǒng)投入運(yùn)行，最高工作電壓為±450kV，最大輸電容量為1440MW，最長(zhǎng)輸送距離為1362km。汞弧閥制造技術(shù)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、逆弧故障率較高、可靠性較低、運(yùn)行維護(hù)不便。第二十九頁(yè)，共49頁(yè)。301971年150

kV汞弧閥瑞典直流工程第三十頁(yè)，共49頁(yè)。傳統(tǒng)的直流輸電系統(tǒng)—后期完全采用晶閘管換流器311957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(jī)控制技術(shù)開始應(yīng)用于直流輸電系統(tǒng)，使其運(yùn)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(kuò)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提高到150kV、輸電容量由20MW提高到30MW。1972年，第一個(gè)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(yùn)行。1979年，莫桑比克到南非的直流輸電系統(tǒng)投入運(yùn)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的高壓大容量直流輸電系統(tǒng)得到快速發(fā)展。第三十一頁(yè)，共49頁(yè)。傳統(tǒng)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(guó)上海曾經(jīng)建成31kV工業(yè)性實(shí)驗(yàn)直流電纜線路；1987年，中國(guó)第一條直流輸電工程舟山直流輸電工程投運(yùn)，其工作電壓、輸送距離和輸電容量分別為±100kV、100MW、54km。2010年，世界上第一個(gè)±800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)在中國(guó)投入運(yùn)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(guó)投運(yùn)行，輸電容量為8000MW。至此我國(guó)特高壓工程共運(yùn)行4條。容量均為世界之最。目前，

我國(guó)的±1100kV特高壓直流輸電系統(tǒng)也即將開展建設(shè)。第三十二頁(yè)，共49頁(yè)。傳統(tǒng)的直流輸電系統(tǒng)-晶閘管換流器33超高壓直接光控晶閘管換流閥第三十三頁(yè)，共49頁(yè)。

向家壩-上海特高壓±800kV直流示范工程換流閥廣東肇慶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(zhǎng)期運(yùn)行能力4500安培）大功率晶閘管器件VSC-HVDCHVDC_PlusSeimensHVDC_LightABB中國(guó)已經(jīng)成為直流輸電大國(guó)—電壓最高、容量最大、數(shù)量最多第三十四頁(yè)，共49頁(yè)。35柔性直流輸電系統(tǒng)第三十五頁(yè)，共49頁(yè)。361990年，加拿大McGill大學(xué)的Boon-TeckOoi等首次提出使用PWM技術(shù)控制的VSC(VoltageSourceConverter)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(yàn)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-TeckOoiPh.D.(McGill)McGillUniversity

柔性直流輸電系統(tǒng)—以全控功率器件為標(biāo)志第三十六頁(yè)，共49頁(yè)。37ABB公司稱之為輕型直流輸電（HVDCLight）并作為商標(biāo)注冊(cè)；Siemens公司將其注冊(cè)為新型直流HVDCPLUS；國(guó)際上電力方面的權(quán)威學(xué)術(shù)組織CIGRE和IEEE將其正式稱為VSC-HVDC(VoltageSourceConverterbasedHVDC)，即“電壓源換流器型高壓直流輸電”。國(guó)內(nèi)很多專家稱之為“柔性直流（HVDC-Flexible）”。柔性直流輸電系統(tǒng)第三十七頁(yè)，共49頁(yè)。38柔性直流輸電系統(tǒng)-將取代傳統(tǒng)直流輸電（晶閘管閥換流器）截止到目前，世界上已投運(yùn)VSC-HVDC工程22項(xiàng)電壓等級(jí)最高±320kV，容量最大1000MW（已投運(yùn)）中國(guó)上海南匯風(fēng)電場(chǎng)VSC-HVDC輸電工程已建成舟山多端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,±320kV)、云南廣西VSC-HVDC異步聯(lián)網(wǎng)工程(±320kV/1000MWVSC-HVDC,±500kV/1000MWHVDC并聯(lián)BACK-TO-BACK運(yùn)行)已開建第三十八頁(yè)，共49頁(yè)。世界已投運(yùn)22項(xiàng)我國(guó)已投運(yùn)22項(xiàng)在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，以晶閘管換相換流器構(gòu)成的高電壓大功率直流輸電為骨干，以電壓源型換流器構(gòu)成的中小功率直流輸電為輔的局面仍將持續(xù)。LCC-HVDC(LineCommutatedConverterbasedHVDC)39第三十九頁(yè)，共49頁(yè)。40直流輸電需求的發(fā)展推動(dòng)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)用第四十頁(yè)，共49頁(yè)。41第四十一頁(yè)，共49頁(yè)。42第四十二頁(yè)，共49頁(yè)。43衢山島嵊泗島岱山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200kV，5端容量最大為400MW第四十三頁(yè)，共49頁(yè)。電網(wǎng)光伏發(fā)電風(fēng)力發(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(shí)驗(yàn)室第四十四頁(yè)，共49頁(yè)。45我國(guó)電網(wǎng)現(xiàn)狀特點(diǎn)緒論第四十五頁(yè)，共49頁(yè)。我國(guó)電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀與特點(diǎn)

大容量、長(zhǎng)距離、高電壓、強(qiáng)耦合、強(qiáng)影響◆隨著工業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步增長(zhǎng)，面對(duì)能源賦存和需求的逆向分布格局，當(dāng)前和今后一段時(shí)間我國(guó)電網(wǎng)發(fā)展有以下特點(diǎn)：1）集中式大型機(jī)組群協(xié)調(diào)運(yùn)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)模化可再生新能源發(fā)電迅速增長(zhǎng)（分布