直流輸電技術(shù)及其應(yīng)用論文

直流輸電技術(shù)及其應(yīng)用電力工程是21世紀(jì)對人類社會生活影響最大的工程之一,電力技術(shù)的發(fā)展對城鄉(xiāng)人民的生產(chǎn)和生活具有重大的關(guān)系,電力工業(yè)是關(guān)系國計民生的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。我國電網(wǎng)面臨空前發(fā)展的局面。由于直流輸電具有送電距離遠(yuǎn)、送電容量大、控制靈活等特點,因此在運、在建及規(guī)劃建設(shè)中的直流輸電工程已經(jīng)和即將在西電東送、南北互供中承擔(dān)主要送電任務(wù),在未來全國聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮重要作用。做好直流輸電的研究、規(guī)劃和建設(shè)是今后一段時間我國電網(wǎng)發(fā)展的重要任務(wù)。我國電網(wǎng)隨著國民經(jīng)濟(jì)和電力工業(yè)的高速發(fā)展,正面臨著空前的發(fā)展局面。到2003年底,全國發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)3.84億kW發(fā)電量達(dá)1.91億kWh發(fā)電總裝機(jī)容量和年發(fā)電量僅次于美國均列世界第二位。我國電網(wǎng)結(jié)構(gòu),除西北電網(wǎng)以330kV為主網(wǎng)架外,其他區(qū)域電網(wǎng)已經(jīng)形成500kV主網(wǎng)架。直流輸電技術(shù)的特點隨著電網(wǎng)的不斷擴(kuò)大,輸電功率、輸電距離迅速增加,交流輸電遇到了一些難以克服的技術(shù)問題,直流輸電所具有的的技術(shù)特點,使之作為解決輸電技術(shù)難題的方向之一而受到重視。直流輸電與交流輸電相比,其優(yōu)點和特點明顯:①輸送容量大;②輸送功率的大小和方向可以快速控制和調(diào)節(jié);③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;④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；⑤直流電纜線路沒有交流電纜線路中電容電流的困擾,沒有磁感應(yīng)損耗和介質(zhì)損耗,基本上只有芯線電阻損耗,絕緣電壓相對較低；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)系統(tǒng)的要求作出反應(yīng),可以對機(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；⑧能夠通過換流站的無功功率控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)的交流電壓 ；⑨大電網(wǎng)之間通過直流輸電互聯(lián)（如背靠背方式）,兩個電網(wǎng)之間不會直流輸電技術(shù)適合遠(yuǎn)距離、大容量送電,可以送電到2000km以外,一項直流工程送電能力可超過300萬kW適合電力系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)及巨型水電、火電基地電力外送等。這些,恰是我國電網(wǎng)發(fā)展中所需要的。輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)直流輸電系統(tǒng)由整流站、直流輸電線路、逆變站三部分組成,送端交流電經(jīng)換流變壓器和換流閥變換成直流電,然后由直流線路把直流電輸送給逆變站,經(jīng)逆變換流變壓器再將直流電變換成交流電后,送入受端交流系統(tǒng)。直流輸電系統(tǒng)按照其與交流系統(tǒng)的接口數(shù)量可分為兩大類:兩端直流輸電系統(tǒng)和多端直流輸電系統(tǒng)。兩端直流輸電系統(tǒng)是只有一個整流站和一個逆變站的直流輸電系統(tǒng) ,它與交流系統(tǒng)只有兩個接口,是結(jié)構(gòu)最簡單的直流系統(tǒng),是世界上已經(jīng)運行的直流輸電工程普遍采用的方式。多端直流輸電系統(tǒng)與交流系統(tǒng)有三個以上的接口 ,它有多個整流站和逆變站,以實現(xiàn)多個電源系統(tǒng)向多個受端系統(tǒng)的輸電;日前只有意大利——撒丁島（三端）和加拿大——美國的魁北克——新英格蘭（五端）直流輸電工程為多端直流輸電系統(tǒng)。兩端直流輸電系統(tǒng)又可分為單極型（正極或負(fù)極）、雙極型（正、負(fù)兩級）和背靠背直流輸電系統(tǒng)（無直流輸電線路）三種類型。單極直流輸電系統(tǒng)單極直流輸電系統(tǒng)中換流站出線端對地電位為正的稱為正極,為負(fù)的稱為負(fù)極。與正極或負(fù)極相連的輸電導(dǎo)線稱為正極導(dǎo)線或負(fù)極導(dǎo)線。單極直流架空線路通常采用負(fù)極性（正極接地）,這是因為正極導(dǎo)線電暈的電磁干擾和可聽噪聲均比負(fù)極導(dǎo)線的大;同時由于雷電大多為負(fù)極性,使得正極導(dǎo)線雷電閃絡(luò)的概率也比負(fù)極導(dǎo)線的高。單極系統(tǒng)運行的可靠性和靈活性不如雙極系統(tǒng)好,因此單極直流輸電工程比較少。單極系統(tǒng)的接線方式可分為單極大地或海水回線方式和單級金屬回線方式兩種。另外當(dāng)雙極直流輸電工程在單極運行時,還可以接成雙導(dǎo)線并聯(lián)大地回線方式運行。雙極系統(tǒng)接線方式雙極系統(tǒng)接線方式是直流輸電工程普遍采用的接線方式,可分為雙極兩端中性點接地方式、雙極一端中性點接地方式和雙極金屬中性線方式三種。背靠背直流系統(tǒng)背靠背直流系統(tǒng)是輸電線路長度為零,即無直流輸電線路的兩端直流輸電系統(tǒng)它主要用于兩個異步運行的交流電力系統(tǒng)之間的聯(lián)網(wǎng)或送電,也稱為異步聯(lián)絡(luò)站。如果兩個被聯(lián)電網(wǎng)的額定頻率不同,也可稱為變頻站。背靠背直流系統(tǒng)的整流站和逆變站的設(shè)備安裝在一個站內(nèi),也稱為背靠背換流站。在背靠背換流站內(nèi),整流器和逆變器的直流側(cè)通過平波電抗器相連,而其交流側(cè)則分別與各自的被聯(lián)電網(wǎng)相連,從而形成兩個交流電網(wǎng)的相連。兩個被連電網(wǎng)之間交換功率的大小和方向均由控制系統(tǒng)進(jìn)行快速方便的控制。為降低換流站產(chǎn)生的諧波,通常選擇12脈動換流器作為基本換流單元。如圖8所示,換流站內(nèi)的接線方式有換流器組的并聯(lián)方式和串聯(lián)方式兩種。背靠背直流輸電系統(tǒng)的主要特點是直流側(cè)可選擇低電壓、大電流 ,因為無直流輸電線路,直流側(cè)損耗小,可充分利用大截面晶閘管的通流能力,同時直流側(cè)設(shè)備,如換流變壓器、換流閥、平波電抗器等,也因直流電壓低而造成其造價相應(yīng)降低。由于整流器和逆變器均裝設(shè)在一個閥廳內(nèi),直流側(cè)諧波不會造成對通信線路的干擾,因此可省去直流濾波器,減小平波電抗器的電感值。由于采用三根導(dǎo)線組成輸電系統(tǒng),其線路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,線路造價較高。通常是當(dāng)不允許地中渡過直流電流或接地極極址很難選擇時才采用。多端直流輸電系統(tǒng)多端直流輸電系統(tǒng)是由三個及以上換流站,以及連接換流站之間的高壓直流輸電線路所組成,它與交流系統(tǒng)有三個及以上的接口?？梢越鉀Q多電源或多落點受電的輸電問題,還可以聯(lián)系多個交流系統(tǒng)或?qū)⒔涣飨到y(tǒng)分成多個孤立運行的電網(wǎng)。在多端直流輸電系統(tǒng)的換流站,可以作為整流站運行,也可作為逆變站運行,但作為整流站運行的換流站總功率與作為逆變站運行的總功率必須相等,即整個多端系統(tǒng)的輸入和輸出功率必須平衡。根據(jù)換流站在多端系統(tǒng)之間的連接方式可以分為并聯(lián)方式或串聯(lián)方式,連接換流站之間的輸電線路可以是分支形或閉環(huán)形。直流輸電的控制保護(hù)直流輸電工程的核心就是控制保護(hù),控制保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)有:軟硬件平臺技術(shù)、直流控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計、閥觸發(fā)控制、直流保護(hù)等。直流輸電系統(tǒng)的控制功能包括正常運行控制、故障控制、繼電保護(hù)系統(tǒng)、各種開關(guān)操作的控制以及監(jiān)測系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等等。直流輸電通常采用分層方式來實現(xiàn)不同級別的控制,以提供高效而穩(wěn)定的運行、最大限度地提高功率控制的靈活性而不危及設(shè)備的安全為目標(biāo)。穩(wěn)態(tài)正常運行方式下的運行參數(shù)主要是兩端的直流電壓、直流電流和輸送功率。在運行中,各種因素的變化（如負(fù)荷的變化、電壓的波動以及各種擾動）都會使上述運行參數(shù)發(fā)生變化。這就需要各種有關(guān)的控制和調(diào)節(jié)元件來進(jìn)行調(diào)節(jié),以使各運行參數(shù)回到設(shè)計所要求的原來的或新的穩(wěn)態(tài)值。通過各種控制和調(diào)節(jié)元件組成的系統(tǒng),對直流系統(tǒng)實現(xiàn)快速和多種調(diào)節(jié)。改善直流輸電系統(tǒng)本身的運行特性,并可以擴(kuò)大到以交流系統(tǒng)為對象的調(diào)節(jié)。控制系統(tǒng)的基本控制功能是在正常運行時,直流電壓保持在額定值水平,使得當(dāng)輸送給定功率時線路的功率損耗適當(dāng)。減小由于交流系統(tǒng)電壓的變化而引起的直流電流波動;盡可能使功率因數(shù)保持較高的值;適當(dāng)?shù)販p小換流器所損耗的無功功率。故障發(fā)生時,保護(hù)換流站設(shè)備,限制最大直流電流,防止換流器受到過載損害;限制最小直流電流,避免電流間斷而引起過電壓;盡量減小逆變器發(fā)生換相失敗的概率;抑制換流器不正常運行及對所連交流系統(tǒng)的干擾。直流輸電系統(tǒng)的保護(hù)3.2.1換流器是直流輸電系統(tǒng)中極為重要的元件,其故障形式和機(jī)理與交流系統(tǒng)中的一般元件有很大差別,保護(hù)動作后果也是根據(jù)故障形式和機(jī)理的不同而有所差異。在所有的直流工程中,都沒有將閥電流引入到控制保護(hù)系統(tǒng)中,而是通過換流器故障時,檢測除閥電流外的其它電氣量特性來判斷是否發(fā)生換流器故障。這樣做一方面是為了避免增加測量系統(tǒng)的復(fù)雜性,另一方面也是為了簡化保護(hù)邏輯。直流線路可能發(fā)生的故障有極線開路、極對地短路、極線間短路。若直流線路跨越交流線路,還可能發(fā)生交直流導(dǎo)線碰線的故障。直流線路保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)能檢測到線路的任何一點上可能產(chǎn)生的各種故障,并能有效地清除故障。同交流電網(wǎng)中的保護(hù)的目的和原則一樣,保護(hù)的作用是為了迅速準(zhǔn)確的檢測到各種可能發(fā)生的故障,并采取相應(yīng)的措施,消除和隔離故障,并保護(hù)電力一次設(shè)備不受損壞或減少設(shè)備損壞程度,盡量保持整個電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。直流線路故障恢復(fù)順序要由控制系統(tǒng)完成,有別于交流系統(tǒng)的自動重合閘,再起動次數(shù)能預(yù)先整定。如果所選全壓再起動次數(shù)已經(jīng)達(dá)到,但故障還存在,沒能成功地恢復(fù)直流傳輸功率,則保護(hù)應(yīng)能進(jìn)行直流降壓再起動嘗試。對于因交流系統(tǒng)擾動引起直流欠壓的情況,相關(guān)的直流保護(hù)不應(yīng)動作。直流輸電的應(yīng)用與發(fā)展4.1直流輸電的應(yīng)用直流輸電目前主要用于:遠(yuǎn)距離大功率輸電聯(lián)系不同頻率或相同頻率而非同步運行的交流系統(tǒng)作網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和區(qū)域系統(tǒng)之間的聯(lián)絡(luò)線（便于控制、又不增大短路容量）;以海底電纜作跨越海峽送電或用地下電纜向用電密度高的大城市供電;⑤在電力系統(tǒng)中采用交、直流輸電線的并列運行,利用直流輸電線的快速調(diào)節(jié),控制、改善電力系統(tǒng)的運行性能。直流輸電的發(fā)展直流輸電的發(fā)展也受到一些因素的限制。首先,直流輸電的換流站比交流系統(tǒng)的變電所復(fù)雜、造價高、運行管理要求高;其次,換流裝置（整流和逆變）運行中需要大量的無功補(bǔ)償,正常運行時可達(dá)直流輸送功率的40~60%;換流裝置在運行中在交流側(cè)和直流側(cè)均會產(chǎn)生諧波,要裝設(shè)濾波器;直流輸電接地比較復(fù)雜,以大地或海水作回路時,會引起沿途金屬構(gòu)件的腐蝕,需要防護(hù)措施。要發(fā)展多端直流輸電,需研制高壓直流斷路器。直流輸電滅弧問題難以解決。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,大功率可控硅制造技術(shù)的進(jìn)步、價格下降、可靠性提高,換流站可用率的提高,直流輸電技術(shù)的日益成熟,直流輸電在電力系統(tǒng)中必然得到更多的應(yīng)用。當(dāng)前,研制高壓直流斷路器、研究多端直流系統(tǒng)的運行特性和控制、發(fā)展多端直流系統(tǒng)、研究交直流并列系統(tǒng)的運行機(jī)理和控制,受到廣泛的關(guān)注。許多科學(xué)技術(shù)的新發(fā)展為直流輸電技術(shù)的應(yīng)用開拓著廣闊的前景,多種新的發(fā)電方式——磁流體發(fā)電、電氣體發(fā)電、燃料電池和太陽能電池等產(chǎn)生的都是直流電,所產(chǎn)生的電能要以直流方式輸送,