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1、特高压直流输电工程一次系统设计,2012.11,1 直流输电技术,11 世界直流技术发展过程,(1)汞弧阀换流时期世界上共有12项采用汞弧阀换流的直流工程投入运行。其中最大输送容量和最长输送距离的为美国太平洋联络线(1440MW、1362km)，最高输电电压的为加拿大纳尔逊河I期工程(450kV)。这一时期可称为汞弧阀换流时期。,(2)晶闸管阀换流时期 1970年瑞典首先在哥特兰岛直流工程上扩建了直流电压为50kv，功率为10MW，采用晶闸管换流阀的试验工程。1972年世界上第一个采用晶闸管换流的伊尔河背靠背直流工程在加拿大投入运行。由于晶闸管换流阀比汞弧阀有明显的优点，此后新建的直流工程均采
2、用晶闸管换流阀。与此同时，原来采用汞弧阀的直流工程也逐步被晶闸管阀所替代。,(3)新型半导体换流设备的应用20世纪90年代以后，新型氧化物半导体器件一绝缘栅双极晶体管(IGBT)首先在工业驱动装置上得到广泛的应用。,19542000年，世界上已投入运行的直流输电工程有63项，其中架空线路17项，电缆线路8项，架空线和电缆混合线路12项，背靠背直流工程26项。,12 直流基本原理和主要部件构成,1）直流输电工程系统构成,直流输电工程的系统结构可分为两端（或端对端）直流输电系统和多端直流输电系统两大类。两端直流输电系统是只有一个整流站（送端）和一个逆变站（受端）的直流输电系统，即只有一个送端和一个
3、受端，它与交流系统只有两个连接端口，是结构最简单的直流输电系统。多端直流输电系统与交流系统有三个或三个以上的连接端口，它有三个或三个以上的换流站。,2）换流站基本换流单元,直流输电换流站由基本换流单元组成，基本换流单元是在换流站内允许独立运行，进行换流的换流系统，主要包括换流变压器、换流器、相应的交流滤波器和直流滤波器以及控制保护装置等。目前工程上所采用的基本换流单元有6脉动换流单元和12脉动换流单元两种。,13 直流应用和工程类型,1.3.1 直流输电应用,直流输电的应用场合可分为以下两大类型。1)采用交流输电在技术上有困难或不可能，而只能采用直流输电的场合，如不同频率(如50Hz、60Hz
4、)电网之间的联网或向不同频率的电网送电；因稳定问题采用交流输电难以实现；远距离电缆送电，采用交流电缆因电容电流太大而无法实现等。,2)在技术上采用两种输电方式均能实现，但采用直流输电比交流输电的技术经济性好。对于这种情况则需要对工程的输电方案进行比较和论证，最后根据比较的结果选择术经济性能优越的方案。,目前直流输电的应用主要在以下几个方面。(1)远距离大容量输电直流输电线路的造价和运行费用均交流输电低，而换流站的造价和运行用均比交流变电所的高。,(2)电力系统联网,(a)直流联网为非同步联网，这与采用交流的同步联网有本质的不 同。非同步联网的被联电网可用各自的频率非同步独立运行，可保持各个电网
5、自己的电能质量（如频率、电压）而不受联网的影响。采用交流的同步联网，必须在同一频率下同步运行。,(b)被联电网间交换的功率，可以用直流输电的控制系统进行快速、方便地控制，而受被联电网运行条件的影响，便于经营和管理。采用交流联网，则联络线上的功率受两电网运行情况的影响而很难进行控制。,(c)联网后不增加被联电网的短路容量，不需要考虑因短路容量的增加、断路器因遮断容量不够而需要更换、以及电缆需要采用限流措施等问题。,(d）可以方便地利用直流输电的快速控制来改善交流电网的运行性能，减少故障时两电网的相互影响，提高电网运行的稳定性，降低大电网大面积停电的概率，提高大电网运行的可靠性。,目前在工程中所采
6、用的直流联网有以下两种类型:,1)背靠背直流联网其特点是整流和逆变放在一个背靠背换流站内；无直流输电线路；可选择低的直流电压和较小的平波电抗值；可省去直流滤波器，从而降低了换流站的造价。另外，它还可以比远距离直流输电更为方便地调节换流站的无功功率，来改善被联电网的电压稳定性。对于电力系统之间的弱联系，采用背靠背联网更为有利。,2)远距离大容量直流输电同时又具有联网性质,当电力系统的大型电站需要向其他电网远离电站的负荷中心送电时，可以利用直流输电在远距离输电和联网方面的优点，选择这种类型的输电方式。中国三峡电站向华东和广东送电，均属于这种类型，它既解决了三峡向华东和广东的送电问题，又实现了华中与
7、华东和华中与华南电网的联网问题，在全国联网中起了重要的作用。,3)直流电缆送电,直流电缆没有电容电流，输送容量不受距离的限制，而交流电缆由于电容电流很大，其输送距离将受到限制。交流电缆每相的电容电流可用下式表示(11)其临界距离可用下式表示(km)(12)由上式可知，交流电缆的临界输送距离与其所允许的负荷电流成正比，而与其额定电压和单位长度的电容成反比，其额定电压越高，单位长度的电容越大，则临界距离越短。,4)现有交流输电线路的增容改造,一些地区高压架空线路走廊的选择越来越困难。直流输电的输电密度比交流输电高，改建现有交流输电线路为直流输电线路是利用已有的线路走廊，提高输电能力值得考虑的办法。
8、,5)轻型直流输电(HVDC Light),轻型直流输电是20世纪90年代开始发展的一种新型直流输电工程。它采用脉宽调制(PWM)技术，应用绝缘栅双极晶体管(1GBT)组成的电压源换流器进行换流。由于这种换流器的功能强、体积小，可减少换流站的设备、简化换流站的结构，从而称之为轻型直流输电。,2.直流输电的工作原理,主要由换流站（整流站和逆变站）、直流线路、交流侧和直流侧的电力滤波器、无功补偿装置、换流变压器、直流电抗器以及保护、控制装置等构成（见图直流输电系统的基本构成）。其中换流站是直流输电系统的核心，它完成交流和直流之间的变换。,2.直流输电的工作原理,整流器的工作原理 滞后角（触发角）整
9、流器电压 逆变器工作原理 换相过程（换相角）和熄弧角 逆变器电压,换流器工作原理,单6脉动桥等值电路,交流电压,6脉动桥导通及换相过程,触发延迟角：如果在阀上施加触发脉冲的时刻比自然换相点C1延迟一个相位角，那么这个相位角就是触发延迟角。通过改变触发延迟角，整流侧可以实现对直流电压的控制。换流器的实质是6个可控的电子开关，在触发脉冲的控制下轮流将直流侧接到三相交流电源的某两相上，从而将交流变成直流。,直流电压波形,换流器功率因数角,换流器总是存在滞后的功率因数，因此在工作过程中要消耗大量的无功。,单桥等值电路：为了保证正常触发，触发角不能太小，但触发角太大将增加换流器的无功损耗。通常触发角为1
10、2.517.5度。,逆变器的工作原理,换流器作为逆变器运行必须满足以下3个条件：整流器空载电压大于逆变器空载电压，且两者方向相反；逆变器也必须由交流系统提供换相电流，以实现逆变器的桥阀按照正确的顺序换相。在逆变器的桥阀顺序导通的时候，把直流电流送入逆变器所连接的交流系统三相中；要有足够大的超前关断角，以保证换流阀的可靠触发。,逆变器阀电压和直流电压,多桥换流器,多桥换流器通常由偶数个桥串联组成，每2个桥组成1个双桥。每个双桥中的2个桥分别由相位相差30度的2组交流电源供电。2 组交流电源可以由接线为Y/Y,Y/delta的2组换流变压器得到。由于两者交流相位相差30度，得到的直流电压是12脉动
11、的。在直流电流中，仅含有12k1次的特征谐波。,直流系统接线：整流侧+逆变侧,3 直流输电设备,直流场:直流开关刀闸/母线/平波电抗/直流滤波器/直流电压电流测量/直流出线/,交流场:开关刀闸/母线/交流进线/避雷器换流变压器/交流滤波器/阻波器/电压电流测量/,阀厅:换流阀/刀闸,继电器小室:交流保护/交流场滤波器场测控及保护/,控制室:直流极控阀控系统/SCADA系统/空调/消防/站用电/阀内水冷系统/,换流阀是换流站中的主要设备，它的作用是把交流电力变成直流电力，或者实现逆变换。早期直流工程多采用汞弧阀，随着电力电子工业的发展，晶闸管阀逐步取代了汞弧阀。根据触发方式不同，晶闸管阀又可分为
12、电触发晶闸管换流阀和光触发晶闸管换流阀。晶闸管阀有空气绝缘和油绝缘两种，空气绝缘占主导地位。空气绝缘阀有风冷、循环油冷和水冷等冷却方式，其中以水冷的效果最好。,3.各设备的特点和作用,换流阀,直流输电设备:晶闸管换流阀,可控硅的特性,触发角=18度 触发角=108度 触发角=162度,直流输电设备:换流变,大型直流输电系统的换流变压器通常采用单相双绕组结构。,特点和作用：换流变压器,隔离交、直流系统，避免直流电压进入交流系统。提供换流阀所需的可控交流电压。限制故障时的短路电流和控制换向期间阀电流的上升。用于提供相差30度电气角的两个阀桥电源，减少低次谐波尤其是5次及7次谐波。,适当的短路电抗（
13、15%18%）。足够的直流偏磁电流耐受能力。足够的交、直流混合电压耐受能力。足够的谐波耐受能力。,特点和作用：换流变压器,由于换流变的作用和运行条件与一般电力变压器不同，因此它在绝缘结构、短路阻抗、直流偏磁、噪音和试验等方面有其与电力变压器不同的特点：,特点和作用：交流滤波器,滤除换流器产生的谐波，将流入交流系统的谐波电波限制在允许范围以内。为换流站提供无功补偿。,直流输电设备:交直流滤波器,滤波器总电流,滤波器母线电压,并联谐振支路电压,电阻支路电流,交流滤波器:滤波/无功补偿,特点和作用：交流滤波器,特点和作用：交流滤波器,特点和作用：直流滤波器及中性母线电容器,直流滤波器通过减小直流侧谐
14、波，降低直流线路对通信的干扰。直流滤波器可采用双调谐、三调谐滤波器，调谐频率一般为12/24/36。中性母线电容器与变压器的杂散电容构成回路，限制中性母线上3倍频的谐波分量。,限制直流电流的突变，减小换相失败的可能性。当直流线路故障时，在整流侧调节器作用的配合下，限制短路电流的峰值。同时还可限制线路和装在线路端的设备的并联电容通过逆变器放电的电流。减小直流线路中电压和电流的谐波分量。防止换流阀的雷电过电压。避免直流侧谐振。,特点和作用：平波电抗器,采用干式或油浸式平波电抗器（270mH）：,特点和作用：直流PLC及RI滤波器,换流阀在开通过程中会产生高频干扰，为了限制直流系统的无线电干扰（0.
15、5MHz20MHz）以及对电力载波和通信明线的干扰（30kHz500kHz），在换流站内装设了PLC和RI滤波器。,特点和作用：测量装置,中性线直流电流的测量采用零磁通电流测量装置。处于高电位的电流测量采用光电式电流互感器：直流极线电流测量，采用分流器或分流器罗可夫斯基线圈的结构。直流滤波器高压端电流测量，采用罗可夫斯基线圈或CT。直流滤波器不平衡电流测量，采用分流器。交流滤波器高压端电流测量，采用CT。交流滤波器不平衡电流测量，采用分流器。,直流输电设备:直流测量装置,特点和作用：直流高速开关,为了使直流开关也能有效开断直流电流，目前使用较多的方法就是利用一个LC串联电路对主触头间的弧道放电
16、产生振荡电流，迭加在将被断开的直流电流上，造成过零点，从而实现灭弧。特高压工程中使用的是无源的直流开关。,特点和作用：直流高速开关,中性母线高速开关在每站每极的中性母线上都安装了中性母线高速开关。其功能是开断极或线路的任何故障造成的直流故障电流。,金属回线转换开关一般安装在整流侧。其功能是将直流电流从低阻抗的大地回路转换到高阻抗的金属回路。金属返回开关一般安装在整流侧。其功能是将直流电流从高阻抗的金属回路转换到高阻抗的大地回路。高速接地开关整流站和逆变站都配置。其功能是在双极运行条件下，当失去接地极时，快速将中性母线接至站内接地网。该开关需具备将双极运行不平衡电流转换到临时接地极的能力。,特点
17、和作用：低压直流高速开关,换流器高速旁路开关12P旁路开关属于800kV直流输电系统特有的断路器。旁路开关通常情况下处于分闸状态，当某极1个12脉动桥阀及附属系统发生故障，或计划检修时，将此12脉动阀组短路并操作与其配套的隔离开关，使此12脉动阀组退出运行，保证该极无故障的另1个12p阀组继续运行，同时将故障阀组隔离以便维修。当故障阀组修复工作完成后，断开旁路开关并操作与其配套的隔离开关使已修复的阀组重新投入运行。,非故障情况下正常退出1个12P阀组,a、最初的运行状态如图所示。12P阀组正常运行，S2、S3处于合闸状态，S1处于打开状态，旁路开关B处于打开状态。,12P阀组正常运行,b、开始
18、退出1个12P阀组的时序，逐渐降低/升高换流器触发角度至90左右，使12脉动换流阀组两端电压降为零，闭合旁路开关B，此时电流同时流过换流器和断路器B。其状态如图所示。,电流同时流过12P阀组和旁路开关,c、将此12P阀组电流参考值逐渐降为零，不投旁通对闭锁换流器。其状态如图所示。,电流仅流过旁路开关,d、闭合隔离开关S1，断开断路器B，断开隔离开关S2、S3，12脉动换流器正常退出运行。其状态如图所示。,电流仅流过S1支路,在换流变压器或者换流阀等故障的情况，通过12脉动换流器的旁路开关的操作，可以迅速退出12脉动换流器，而不影响另一个12脉动换流器的运行，系统进入不对称运行状态。具体的控制顺
19、序如下：,故障情况下紧急退出1个12P阀组,a、12脉动阀组或与其连接的换流变压器发生故障后，投入12脉动换流阀组旁通对，闭锁换流器。其状态如图8所示。,b、旁路开关B闭合，然后闭锁投入的12脉动换流阀组旁通对。c、闭合S1，断开旁路开关B和隔离开关S2、S3，使12脉动换流阀组退出运行。,12P阀组投入旁通对,a、初始状态为12脉动阀组处于闭锁状态，没有直流电流流过；b、闭合旁路开关B，打开S1，闭合S2和S3，电流仅流过旁路开关支路；c、160度触发角解锁12脉动阀，使它处于逆变运行状态；d、降低触发角到90度左右，流过旁路开关的电流，由于电流纹波产生电流过零，发给旁路开关开断指令，电弧熄
20、灭，开断成功，电流完全转到12P阀组；e、调节触发角，使12脉动阀进入正常运行。,将1个12P阀组正常投入运行,直流控制保护系统,换流阀触发脉冲,直流输电设备:直流控制系统,变压器分接头控制和电流控制器的配合：CFCTCC整流器 ID ALPHA逆变器 GAMMA UD,直流技术热点研究柔性直流,正在开展的柔性直流工程1.大连320kV柔性直流工程 额定容量1000MW2.舟山200kV五端柔性直流工程 额定容量400MW（见右图）,直流技术热点研究柔性直流,直流技术热点研究特高压直流接入特高压交直流,直流技术热点研究特高压直流接入特高压交直流,直流技术热点研究级联多端,直流技术前沿研究三极直
21、流,直流技术前沿研究三极直流,二、800kV向上直流工程系统设计,一次系统方案及主设备选型,每极采用换流器串联或并联方案：换流器并联方案单换流器电压为800kV，设备绝缘水平要求高，换流变造价高、控制复杂；换流器串联方案单换流器绝缘要求降低、电流提升相对容易，工程造价低。串联电压分配兼顾运行灵活性和经济性，综合比较了设备制造、关键点绝缘水平提出。主设备选型充分考虑设备制造难度、大件运输条件确定。,主设备选型,换流变压器采用单相双绕组、单台容量约300MW，总的有载调压抽头数量不超过当前制造能力。平波电抗器经综合比较采用干式，单台75mH，每极每站4台，分别布置在极母线和中性线上。阀采用6英寸元
22、件，通流能力为4kA。交流滤波器两端均为4大组，按大组接入。确定分组容量时综合考虑了占地、滤波性能、元件定值、综合造价等。直流滤波器采用简化设计。,800kV主接线,向家坝-上海直流输电工程包括2个完整单极，每个完整单极每端由电压相等的2个12脉动换流器串联组成，采用单相双绕组换流变压器。每个完整单极的任一一个12脉动换流器退出运行，都不影响剩余的换流器组成不完整单极继续运行。,复龙换流站主接线图,奉贤换流站主接线图,直流系统运行接线方式,常规直流：完整双极运行；单极大地回路运行；单极金属回路运行。特高压直流新增加：双极运行接线；双极运行接线；单极大地回路运行接线；单极金属回路运行接线。,直流
23、系统运行控制模式,双极功率控制；极功率独立控制；同步极电流控制；应急极电流控制；降压运行在70%100%的正常运行电压范围；极功率倒送；紧急功率回降；极线路空载加压试验。,主设备参数计算,通过主回路参数计算确定主设备的初步参数确定无功功率补偿及控制研究的基本条件；确定交流滤波器研究的基本条件；确定过电压和绝缘配合研究的基本条件；系统暂态过程研究的基本条件；制定控制策略，提供基本的稳态控制参数。确定换流阀、换流变、平抗等的初步参数。,主回路参数设计内容,主回路参数研究内容换流变压器的短路阻抗；换流变压器的额定容量、电压和电流；换流变压器调压抽头的范围和级差；抽头控制中的过电压限制值；直流电压、理
24、想空载直流电压、触发角；换流器的运行特性参数表。,限制换流阀短路电流，使短路电流峰值不超过换流阀最大峰值耐受能力。较小的换流变压器阻抗可以减小换流站无功补偿容量和直流侧谐波，但交流系统谐波增加。换流变阻抗较大，换流变总损耗将有所增加。选择换流变阻抗接近其“固有阻抗”，降低换流变造价，满足换流变运输要求。,换流变压器短路阻抗选择,换流变短路阻抗,经阀短路电流计算，确定复龙侧换流变短路阻抗取18%，奉贤侧由于运输条件较好，短路阻抗取16.7%。短路阻抗一经确定，可以开始主设备参数的计算。,主回路参数设计输入条件,输入条件两端换流站交流系统条件；直流系统的输送能力、电压水平；换流器基本接线方案；所采
25、用控制策略；各种设备的制造误差、测量误差和控制偏差；主设备制造能力和运行性能。,通常整流站控制直流电流，逆变站控制直流电压。背靠背由于没有直流线路，阻性损耗小，允许直流电压有较大的波动；同时考虑到紧急功率支援，其控制策略与长距离工程略有不同。不同厂家的控制策略也有所不同，逆变侧可采用定熄弧角控制、定空载直流电压控制等策略。,基本运行控制策略,换流变阀侧空载直流电压,根据控制策略，考虑设备控制偏差和测量误差（短路阻抗误差、角度控制偏差和CT、PT测量误差），计算换流变阀侧空载直流电压的运行范围。,测量误差和控制误差的选取,测量误差和控制误差的选取,控制误差：,换流变阀侧空载直流电压,换流器无功消
26、耗计算,逆变器用gamma代替触发角alpha。,阀侧电压和电流,空载阀侧线电压和理想空载直流电压之间的关系为：阀侧交流电流有效值：,换流变额定容量计算,连接6脉动换流阀组的3相换流变额定容量：连接12脉动换流阀组单相3绕组换流变压器额定容量：连接12脉动阀组的单相2绕组换流变的额定容量是上述额定容量的一半。,换流变阀侧空载直流电压,换流变阀侧空载直流电压限制Udio限制的目的是限制稳态运行时的设备过电压。Udio限制器优先于正常的分接头控制，通过调节换流变分接头控制阀侧电压，确保Udio不会超过其上下限。当Udio达到以下值时，Udio限制器将动作：UdioGUdioL:调节分接头降低空载电
27、压UdioG是正常调节分接头以增大Udio的上限UdioL应留有足够的裕度，以避免分接头的频繁调节。,Udio设计值,换流变分接开关作用,根据直流系统运行工况，适时调节换流变阀侧电压；补偿交流系统稳态电压波动，维持换流变阀侧电压；在降压运行时，降低换流变阀侧电压，减小换流阀运行角度。,换流变分接开关作用,档距的选择与直流系统稳态运行密切相关，档距过大导致换流器角度波动范围增加，无功变化大。当档距为1.25%，对应的角度变化范围为2.53度，依此确定整流站稳态触发角波动为152.5度。档位数越多，分接开关可靠性越差，设备制造能力也难以达到要求。因此，应合理选择档位数，根据目前的制造能力，分接开关通常不超过31档。,换流变分接档位,换流变分接头档位计算：由于降压运行的要求，需要有更多的换流变正向分接头档位。最终复龙换流站有载分接开关最大范围为+23/-5,奉贤换流站有载分接开关最大范围为+22/-6。,复龙换流站变压器参数,奉贤换流站变压器参数,直流系统运行参数,谢谢大家!,END,
