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20:111第四章智能輸電網(wǎng)技術(shù)1、特高壓輸電技術(shù)2、柔性輸電技術(shù)3、智能變電站20:112特高壓輸電技術(shù)一、發(fā)展特高壓電網(wǎng)的必要性二、特高壓交流輸電三、特高壓直流輸電(重點)四、交、直流輸電性能比較電壓等級的劃分:交流:
330kV、500kV和750kV–超高壓;
1000kV-特高壓。直流:
±500kV、±600kV–超高壓;
>±600kV(國際)>±660kV(國內(nèi))常見±800kV和±1000kV-特高壓。一、發(fā)展特高壓電網(wǎng)的必要性1、發(fā)展特高壓電網(wǎng)是滿足電力持續(xù)快速增長的客觀需要。隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展,我國電力工業(yè)呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢,近幾年發(fā)展更加迅猛。按照在建規(guī)模和合理開工計劃,全國裝機容量2010年達到9.5億千瓦,2020年達到14.7億千瓦;用電量2010年達到4.5萬億千瓦時,2020年達到7.4萬億千瓦時。電力需求和電源建設(shè)空間巨大,電網(wǎng)面臨持續(xù)增加輸送能力的艱巨任務(wù)。一、發(fā)展特高壓電網(wǎng)的必要性0.020.00431.030.492.170.993.191.353.911.894.422.185.172.486.222.829.54.514.77.401949198719952000200320042005200620102020全國發(fā)電裝機容量(億千瓦)全社會用電量(萬億千瓦時)1949年~2020年我國發(fā)電裝機容量、用電量圖一、發(fā)展特高壓電網(wǎng)的必要性
2、發(fā)展特高壓電網(wǎng)是電源結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化布局的必然要求。
我國發(fā)電能源以煤、水為主。西部地區(qū)資源豐富,全國四分之三以上經(jīng)濟可開發(fā)水能資源分布在西南地區(qū),煤炭資源三分之二以上分布在西北地區(qū);東部地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達,全國三分之二以上的電力負荷集中在京廣鐵路以東經(jīng)濟發(fā)達地區(qū),未來的負荷增長也將保持這一趨勢。一、發(fā)展特高壓電網(wǎng)的必要性華北南方東北西藏臺灣西北華中華東煤電基地水電基地負荷中心我國能源資源分布圖一、發(fā)展特高壓電網(wǎng)的必要性西部能源基地與東部負荷中心距離在800-3000公里左右,遠距離、大容量輸電是我國未來電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。
2、發(fā)展特高壓電網(wǎng)是電源結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化布局的必然要求。一次能源遠離負荷中心,超出現(xiàn)有500千伏系統(tǒng)的輸送能力。必須發(fā)展新的高效的大容量長距離輸電系統(tǒng)。土地資源短缺,輸電走廊的獲取越來越困難。輸送煤炭的運輸壓力。環(huán)境保護面臨越來越大的困難和壓力。特高壓輸電是必然選擇一、發(fā)展特高壓電網(wǎng)的必要性
特高壓輸電具有超遠距離、超大容量、低損耗送電、節(jié)約線路走廊、降低工程造價等特點。建設(shè)特高壓電網(wǎng),可促進大媒電、大水電、大核電、大規(guī)??稍偕茉吹慕ㄔO(shè),能夠推進資源的集約開發(fā)和高效利用,緩解煤炭運輸和環(huán)境的壓力,節(jié)約土地資源,在全國乃至更大范圍的優(yōu)化配置,具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。
一、發(fā)展特高壓電網(wǎng)的必要性前蘇聯(lián)500、750、1150KV線路統(tǒng)計故障率二、特高壓交流輸電的技術(shù)特點電壓等級(kV)5007501150線路平均斷開率0.5740.2060.144線路平均中斷輸電率0.2010.0970.045特高壓交流輸電可靠性1150kV線路中斷輸電率為500kV的1/4,為750kV線路的45%25℃,1000公里,超高壓、特高壓交流輸電功率損失率輸電電壓等級(kV)額定輸送功率(MW)功率損失率(%)功率損失率比值5009304.69511.8728100045302.50701特高壓交流輸電功率損失率1000kV交流輸電的功率損失率為500kV的53%不同電壓等級典型單回路線路走廊寬度電壓等級(kV)5007501150走廊寬度(m)456090走廊利用(MW/m)26.741.766.7特高壓交流輸電線路走廊輸送相同的容量下,1000kV線路的走廊寬度為500kV線路的40%,走廊利用率為500kV的2.5倍特高壓交流輸電的安全穩(wěn)定性相同導線截面下,1000kV線路的輸電能力為500kV線路的4倍141000kV晉東南—南陽—荊門特高壓交流試驗示范工程151000kV晉東南—南陽—荊門特高壓交流試驗示范工程1000kV晉東南—南陽—荊門特高壓交流試驗示范工程起于山西晉東南(長治)變電站,經(jīng)河南南陽開關(guān)站,止于湖北荊門變電站。全線單回路架設(shè),全長640公里,跨越黃河和漢江。變電容量600萬千伏安。系統(tǒng)標稱電壓1000千伏,最高運行電壓1100千伏。工程于2006年8月取得國家發(fā)展和改革委員會下達的項目核準批復文件,同年底開工建設(shè),2008年12月全面竣工,12月30日完成系統(tǒng)調(diào)試投入試運行,2009年1月6日22時完成168小時試運行投入商業(yè)運行,目前運行情況良好。161000kV晉東南—南陽—荊門特高壓交流試驗示范工程工程全面實現(xiàn)了預期建設(shè)目標,里程碑計劃如期完成,安全實現(xiàn)了零事故目標,質(zhì)量達到了優(yōu)良級標準,文明施工和環(huán)境保護目標圓滿實現(xiàn),工程投資得到了有效控制,科技創(chuàng)新取得了豐富成果,設(shè)備國產(chǎn)化研制取得了歷史性突破。從2004年底開始前期工作以來,我國僅用四年時間,建成了目前世界上運行電壓最高、技術(shù)水平最先進、我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的交流輸電工程,標志著我國在遠距離、大容量、低損耗的特高壓輸電核心技術(shù)和設(shè)備國產(chǎn)化上取得重大突破,是我國能源基礎(chǔ)研究和建設(shè)領(lǐng)域取得的世界級重大創(chuàng)新成果,是世界電力發(fā)展史上的重要里程碑。工程的成功建設(shè)對保障國家能源安全和電力可靠供應(yīng)具有重要意義。17這是世界上首條投入商業(yè)運行的1000KV特高壓線路。1000kV晉東南—南陽—荊門特高壓交流試驗示范工程送端的整流站把交流電變?yōu)橹绷麟?,正負兩極導線將直流電能輸送到受端,受端的逆變站將直流電變換為交流電
二、特高壓直流輸電系統(tǒng)
直流輸電的特點適合遠距離大容量輸電。適合海底電纜輸電。適合背靠背異步聯(lián)網(wǎng)。換流站造價較高。特高壓直流輸電技術(shù)特點特高壓直流輸電:輸電走廊更窄、成本更低,適用于大容量遠距離輸電。直流輸電線路可以連接兩個異步運行的交流系統(tǒng)?!?00kV±800kV輸送容量300萬千瓦640萬千瓦送電距離900公里2500公里走廊利用率6.4萬千瓦/米8.4萬千瓦/米特高壓直流輸電技術(shù)優(yōu)勢高壓直流聯(lián)絡(luò)線大致分以下幾類:(1)單極聯(lián)絡(luò)線;(2)雙極聯(lián)絡(luò)線;(3)同極聯(lián)絡(luò)線。
高壓直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和元件
單極聯(lián)絡(luò)線的基本結(jié)構(gòu)如圖所示,通常采用一根負的導線,而由大地或水提供回路??紤]造價,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。
單極聯(lián)絡(luò)線
雙極聯(lián)絡(luò)線結(jié)構(gòu)如圖,有兩根導線,一正一負,每端有兩個為額定電壓的換流站串聯(lián)在直流側(cè),兩個換流器間的連接點接地。正常時,兩極電流相等,無接地電流。兩極可獨立運行。若因一條線路故障而導致一極隔離,另一極可通過大地運行,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。
雙極聯(lián)絡(luò)線雙極聯(lián)絡(luò)線特點:1、從雷電性能方面看,一條雙極HVDC線路能有效地等同于兩交流傳輸線路。正常情況下,它對鄰近設(shè)備的諧波干擾遠小于單極聯(lián)絡(luò)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。2、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。
導線數(shù)不少于兩根,所有導線同極性。通常最好為負極性,因為它由電磁引起的無線電干擾小。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,能承擔比正常情況更大的功率。同極聯(lián)絡(luò)線高壓直流輸電系統(tǒng)的元件(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。閥橋包括6脈波或12脈波的高壓閥。換流變壓器向閥橋提供適當?shù)燃壍牟唤拥厝嚯妷涸?。由于變壓器閥換流器的正端或負端接地。(2)平波電抗器這些大電抗器有高達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??;3.防止輕負荷電流不連續(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線,至少在較短的一段時間內(nèi)是這樣。與大地相連接的導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(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。三、直流輸電與交流輸電的性能比較
技術(shù)性可靠性經(jīng)濟性(1)功率傳輸特性
交流為了滿足穩(wěn)定問題,常需采用串補、靜補、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(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。三、直流輸電與交流輸電的性能比較
3.1技術(shù)性能三、直流輸電與交流輸電的性能比較
3.1技術(shù)性能(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0.4~0.8秒,加上重合閘時間,約0.6~1秒恢復。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時間一般在0.2~0.35秒內(nèi)。三、直流輸電與交流輸電的性能比較
3.1技術(shù)性能(3)過負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荷能力,受制約的往往是換流站。通常分2小時過負荷能力、10秒鐘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。三、直流輸電與交流輸電的性能比較
3.1技術(shù)性能(3)過負荷能力總的來說,就過負荷能力而言,交流有更大的靈活性,直流如果需要更大的過負荷能力,則在設(shè)備選型時要預先考慮,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)多目標控制;三、直流輸電與交流輸電的性能比較
3.1技術(shù)性能(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,因此不增加交流系統(tǒng)的斷路容量。三、直流輸電與交流輸電的性能比較
3.1技術(shù)性能(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,直流電纜的造價遠低于交流電纜。三、直流輸電與交流輸電的性能比較
3.1技術(shù)性能(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)電抗補償。三、直流輸電與交流輸電的性能比較
3.1技術(shù)性能(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的干擾和影響小,運行管理簡單方便,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。三、直流輸電與交流輸電的性能比較
3.1技術(shù)性能(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,一條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。三、直流輸電與交流輸電的性能比較
3.1技術(shù)性能優(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。三、直流輸電與交流輸電的性能比較
優(yōu)點: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。三、直流輸電與交流輸電的性能比較
下列因素限制了直流輸電的應(yīng)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(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)控制復雜。三、直流輸電與交流輸電的性能比較
克服以上缺點,依賴技術(shù)是:(1)直流換流器的進展;(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)。三、直流輸電與交流輸電的性能比較
三、直流輸電與交流輸電的性能比較
3.2可靠性整個系統(tǒng)的可靠性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
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)0.299
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