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1、09:12,1,高压直流输电技术,09:12,2,目 录,一、发展特高压电网的必要性二、直流输电技术的发展三、直流输电与交流输电的性能比较四、高压直流输电系统的结构和元件,电压等级的划分：交流：330kV、500kV 和 750kV 超高压；1000kV-特高压。直流：500kV、600kV 超高压；660kV、800kV 和 1000kV-特高压。,一、发展特高压电网的必要性,1、发展特高压电网是满足电力持续快速增长的客观需要。随着国民经济的持续快速发展，我国电力工业呈现加速发展态势，近几年发展更加迅猛。按照在建规模和合理开工计划，全国装机容量2010年达到9.5亿千瓦，2020年达到14.
2、7亿千瓦；用电量2010年达到4.5万亿千瓦时，2020年达到7.4万亿千瓦时。电力需求和电源建设空间巨大，电网面临持续增加输送能力的艰巨任务。,一、发展特高压电网的必要性,1949年2020年我国发电装机容量、用电量图,一、发展特高压电网的必要性,2、发展特高压电网是电源结构调整和优化布局的必然要求。我国发电能源以煤、水为主。西部地区资源丰富，全国四分之三以上经济可开发水能资源分布在西南地区，煤炭资源三分之二以上分布在西北地区；东部地区经济发达，全国三分之二以上的电力负荷集中在京广铁路以东经济发达地区，未来的负荷增长也将保持这一趋势。,一、发展特高压电网的必要性,一、发展特高压电网的必要性,
3、西部能源基地与东部负荷中心距离在800-3000公里左右，远距离、大容量输电是我国未来电网发展的必然趋势。,2、发展特高压电网是电源结构调整和优化布局的必然要求。一次能源远离负荷中心，超出现有500千伏系统的输送能力。必须发展新的高效的大容量长距离输电系统。土地资源短缺，输电走廊的获取越来越困难。输送煤炭的运输压力。环境保护面临越来越大的困难和压力。,特高压输电是必然选择,一、发展特高压电网的必要性,特高压输电具有超远距离、超大容量、低损耗送电、节约线路走廊、降低工程造价等特点。建设特高压电网，可促进大媒电、大水电、大核电、大规模可再生能源的建设，能够推进资源的集约开发和高效利用，缓解煤炭运输
4、和环境的压力，节约土地资源，在全国乃至更大范围的优化配置，具有显著的经济效益和社会效益。,一、发展特高压电网的必要性,电力技术的发展是从直流电开始的；随着三相交流发电机、感应电动机、变压器的迅速发展，发电和用电领域很快被交流电所取代；但是直流还有交流所不能取代之处，如远距离大容量输电，不同频率电网之间的联网、海底电缆和大城市地下电缆等。,二、直流输电技术的发展,二、直流输电技术的发展,直流输电的发展与换流技术有密切的关系。(特别与高电压、大功率换流设备的发展)第一阶段：汞弧阀换流时期 1901年发明的汞弧整流管只能用于整流。1928年具有栅极控制能力的汞弧阀研制成功，它不但可用于整流，同时也解
5、决了逆变问题。因此大功率汞弧阀使直流输电成为现实。1954年世界上第一个采用汞弧阀性直流输电工程(哥特兰岛直流工程)在瑞典投入运行，1977年最后一个采用汞弧阀换流的直流输电工程(纳尔逊河I期工程)建成。,二、直流输电技术的发展,直流输电的发展与换流技术有密切的关系。(特别与高电压、大功率换流设备的发展)第一阶段：汞弧阀换流时期世界上共有12项汞弧阀换流的直流工程投入运行，其中最大的输送容量为1600MW(美国太平洋联络线I期工程)，最高输电电压为450kV(纳尔逊河l期工程)，最长输电距离为1362km(太平洋联络线)。但是汞弧阀制造技术复杂、价格昴贵、逆弧故障率高、可靠性较差、运行维护不便
6、等因素，使直流输电的应用和发展受到限制。,二、直流输电技术的发展,第二阶段：晶闸管阀换流时期20世纪70年代以后，电力电子技术和微电子技术的迅速发展，高压大功率晶闸管的问世，晶闸管换流阀和计算机控制技术在直流输电工程中的应用，这些进步有效地改善了直流输电的运行性能和可靠性，促进了直流输电技术的发展。,二、直流输电技术的发展,第二阶段：晶闸管阀换流时期第一个采用晶闸管阀的HVDC系统是加拿大1972年建立的依尔河系统，运行电压80kV、输送容量为320MW背靠背直流输电系统。目前，国外输送容量最大的是1984年巴西建设伊泰普水电站600kV超高压直流输电工程，两回共6300MW，线路全长1590
7、km。,二、直流输电技术的发展,第二阶段：晶闸管阀换流时期2010年07月08日正式投运的向家坝至上海800kV特高压直流输电工程，是中国自主研发、设计和建设的，是世界上电压等级最高、额定容量最大6400MW(最大输送能力7000MW)、送电距离最远1907km、额定电流达到4000A、技术水平最先进的直流输电工程，代表了当今世界高压直流输电技术的最高水平。,晶闸管换流阀的特点:体积减小、成本降低；可靠性提高；晶闸管换流阀没有逆弧故障，而且制造、试验、运行维护和检修都比汞弧阀简单而方便。,二、直流输电技术的发展,晶闸管换流阀,二、直流输电技术的发展,第三阶段 新型半导体换流设备的应用20世纪9
8、0年代以后，IGBT得到广泛应用，1997年世界上 第一个采用IGBT组成电压源换流器的直流输电工程在 瑞典投入运行。目前，世界上最大的IGBT轻型HVDC是北欧地区的Estlink海底电缆工程，运行电压150kV，传输容量350MW，电缆全长105km。,二、直流输电技术的发展,第三阶段 新型半导体换流设备的应用L HVDC采用IGBT器件组成换流器，功能强、体积小，可以减少换流站的滤波装置，省去了换流变压器，整个 换流站可以搬迁。此外，采用可关断器件换流器，可以 避免换相失败。但是IGBT功率小、损耗大，不利于大型直流输电工程采用。最新研制的门极换相晶闸管（IGCT）和大功率碳化硅元件，该
9、元件电压高、通流能力强、损耗低、可靠性高。,二、直流输电技术的发展,我国直流输电的发展 1989年，我国自行研制的舟山直流输电工程(士l00kV，100MW，54km)投入运行；葛洲坝上海(葛上线)是我国的第一个高压直流输电工程（500kV，1200MW，1064km）1990年投运。90年代末，开始建设三广直流工程、三峡常州直流工程和贵广直流工程。三广直流工程于2004年投运；三常直流工程（500kV，3000MW，962km）于2004年5月投入运行。,舟山工程地理位置,三广直流工程 惠州换流阀,二、直流输电技术的发展,我国直流输电的发展 云南广东800kV直流输电工程，额定容量5000M
10、W,2010年实现双极投运。向家坝-上海800千伏特高压直流输电示范工程起于四川复龙换流站，止于上海奉贤换流站。额定输送功率640万千瓦，最大输送功率700万千瓦；直流输电线路途经八省市，全长约2000公里。,特高压直流示范工程,线路工程起于四川复龙换流站，途经四川、重庆、湖南、湖北、安徽、浙江、江苏、上海八省市，止于上海奉贤换流站。全长约2000公里，4次跨越长江。,复龙换流站鸟瞰图,高压阀厅,500kVGIS,交流滤波器组,低压阀厅,高端换流变,户外直流场,主控楼,低端换流变,高压阀厅,直流滤波器,本期建设规模：换流变压器28台，每台32.1万千伏安；交流滤波器及无功补偿装置4组，总容量3
11、08万千乏；500kV出线9回，采用GIS设备；,奉贤换流站鸟瞰图,高压阀厅,低压阀厅,交流滤波器组,500kVGIS,平波电抗器,直流滤波器,高端换流变,低端换流变,主控楼,备用换流变,站用变,本期建设规模：换流变压器28台，每台29.7万千伏安；交流滤波器及无功补偿装置4组，总容量390万千乏；500kV出线3回，采用GIS设备；,近期将开工的直流工程,(1)呼盟辽宁直流工程 此工程计划近期开工。这是我国第八个长距离、大容量高压直流输电工程。额定直流电压为500kV、额定直流电流3kA、额定输送直流功率3000MW。直流线路西起内蒙呼盟、东至辽宁沈阳，全长约908km。通过此工程，内蒙地区
12、的富裕能源将源源不断地送往东北工业基地。,二、直流输电技术的发展,(2)宁东山东直流工程 这将是是我国第九个长距离、大容量高压直流输电工程。也是第九个西电东送的高压直流输电工程。此工程额定直流电压为500kV、额定直流电流3kA、额定输送直流功率3000MW。直流线路西起宁夏银川、东至山东潍坊，全长约1043km。目前正处于规范书编制阶段。通过此工程，西北地区的富裕能源将源源不断地送往东部工业基地。,二、直流输电技术的发展,近期将开工的直流工程,(3)葛沪直流工程 这是我国第十个长距离、大容量高压直流输电工程。也是第十个西电东送的高压直流输电工程。计划2010年投运。额定直流电压为 500kV
13、、额定直流电流3kA、额定输送直流功率3000MW。直流线路西起湖北宜昌荆门换流站、东至上海沪西换流站，全长约976km。与现在的葛南直流同杆并架（914km），共用线路走廊。节约线路走廊5000公顷土地。,二、直流输电技术的发展,近期将开工的直流工程,(4)宝鸡德阳直流工程 这是我国第十一个长距离、大容量高压直流输电工程。额定直流电压为500kV、额定直流电流3kA、额定输送直流功率3000MW。直流线路北起陕西宝鸡、南至四川德阳，全长约550km。水火互济作用明显。,二、直流输电技术的发展,近期将开工的直流工程,(5)灵宝直流背靠背2期工程 这是我国第四个高压直流背靠背联网工程。扩大西北电
14、网和华中电网功率交换的能力。本期额定直流功率750MW，额定直流电流3kA。建设一个12脉动125kV、750MW背靠背换流单元。,二、直流输电技术的发展,近期将开工的直流工程,(6)锦屏苏南工程 这是我国第三个长距离、大容量特高压直流输电工程。也是第十一个西电东送的高压直流输电工程。额定直流电压 800kV，额定直流电流4kA，额定直流功率6400MW。直流线路西起四川西昌换流站，东至江苏苏南换流站，线路全长约2093kM。计划2012年8月投产。工程可研报告已于2007年8月通过审查。,二、直流输电技术的发展,近期将开工的直流工程,东北,西藏,西北,华北,南方,华中,华东,台湾,近期开工的
15、直流输电工程,锦屏苏南,灵宝2,宝鸡德阳,呼辽,宁东山东,葛沪,三、直流输电与交流输电的性能比较,技术性可靠性经济性,（1）功率传输特性 交流为了满足稳定问题，常需采用串补、静补、调相机、开关站等措施，有时甚至不得不提高输电电压。但是，这将增加很多电气设备，代价昂贵。直流输电没有相位和功角，不存在稳定问题，只要电压降，网损等技术指标符合要求，就可达到传输的目的，无需考虑稳定问题，这是直流输电的重要特点，也是它的一大优势。,三、直流输电与交流输电的性能比较,3.1 技术性能,三、直流输电与交流输电的性能比较,3.1 技术性能,（2）线路故障时的自防护能力 交流线路单相接地后，其消除过程一般约0.
16、40.8秒，加上重合闸时间，约0.61秒恢复。直流线路单极接地，整流、逆变两侧晶闸管阀立即闭锁，电压降为零，迫使直流电流降到零，故障电弧熄灭不存在电流无法过零的困难，直流线路单极故障的恢复时间一般在0.20.35秒内。,三、直流输电与交流输电的性能比较,3.1 技术性能,（3）过负荷能力交流输电线路具有较高的持续运行能力，受发热条件限制的允许最大连续电流比正常输电功率大的多，其最大输送容量往往受稳定极限控制。直流线路也有一定的过负荷能力，受制约的往往是换流站。通常分2小时过负荷能力、10秒钟过负荷能力和固有过负荷能力等。前两者葛上直流工程分别为10%和25%，后者视环境温度而异。,三、直流输电
17、与交流输电的性能比较,3.1 技术性能,（3）过负荷能力总的来说，就过负荷能力而言，交流有更大的灵活性，直流如果需要更大的过负荷能力，则在设备选型时要预先考虑，此时需要增加投资。,三、直流输电与交流输电的性能比较,3.1 技术性能,（3）过负荷能力总的来说，就过负荷能力而言，交流有更大的灵活性，直流如果需要更大的过负荷能力，则在设备选型时要预先考虑，此时需要增加投资。,（4）功率控制 交流输电取决于网络参数、发电机与负荷的运行方式，值班人员需要进行调度，但又难于控制，直流输电则可全自动控制。直流输电控制系统响应快速、调节精确、操作方便、能实现多目标控制；,三、直流输电与交流输电的性能比较,3.
18、1 技术性能,（5）短路容量 两个系统以交流互联时，将增加两侧系统的短路容量，有时会造成部分原有断路器不能满足遮断容量要求而需要更换设备。直流互联时，不论在哪里发生故障，在直流线路上增加的电流都是不大的，因此不增加交流系统的断路容量。,三、直流输电与交流输电的性能比较,3.1 技术性能,（6）电缆 电缆绝缘用于直流的允许工作电压比用于交流时高两倍，例如35kV的交流电缆容许在100kV左右直流电压下工作，所以在直流工作电压与交流工作电压相同的情况下，直流电缆的造价远低于交流电缆。,三、直流输电与交流输电的性能比较,3.1 技术性能,（7）输电线路的功率损耗比较 在直流输电中，直流输电线路沿线电
19、压分布平稳，没有电容电流，在导线截面积相同，输送有用功率相等的条 件下，直流线路功率损耗约为交流线路的2/3。并且不需并联电抗补偿。,三、直流输电与交流输电的性能比较,3.1 技术性能,（8）调度管理 由于通过直流线路互联的两端交流系统可以又各自的频率，输电功率也可保持恒定（恒功率、恒电流等）。对送端而言，整流站相当于交流系统的一个负荷。对受端而言，逆变站则相当于交流系统的一个电源。互相之间的干扰和影响小，运行管理简单方便，对我国当前发展的跨大区互联、合同售电、合资办电等形成的联合电力系统，尤为适宜。,三、直流输电与交流输电的性能比较,3.1 技术性能,（9）线路走廊 按同电压500kV考虑，
20、一条500kV直流输电电线路的走廊约40m，一条500kV交流线路走廊约为50m，但是1条同电压的直流线路输送容量约为交流的2倍，直流输电的线路走廊其传输效率约为交流线路的2倍甚至更多一点。,三、直流输电与交流输电的性能比较,3.1 技术性能,优点：1）线路造价低，走廊窄。2）直流输电电缆输送容量大，造价低，损耗小，不易老化，寿命长，输送距离不受限制。3）无同步稳定性问题，有利于长距离大容量送电。4）可异步运行。,三、直流输电与交流输电的性能比较,优点：5）可以改善所连交流系统运行特性。6）可分期投资建设。7）电网管理方便。8）可隔离故障，有利于避免大面积停电。,三、直流输电与交流输电的性能比
21、较,下列因素限制了直流输电的应用范围：（1）直流断路器的费用高；（2）不能用变压器来改变电压等级；（3）换流设备的费用高；（4）由于产生谐波，需要交流和直流滤波器，从而增加了换流站的费用；（5）控制复杂。,三、直流输电与交流输电的性能比较,克服以上缺点，依赖技术是：（1）直流换流器的进展；（2）晶闸管的模块化结构和额定值增加；（3）换流器采用12或24脉波运行；（4）采用氧化金属变阻器；（5）换流器控制采用数字和光纤技术。,三、直流输电与交流输电的性能比较,三、直流输电与交流输电的性能比较,3.2 可靠性,整个系统的可靠性从强迫停运率和电能不可用率两个方面进行衡量。（1）强迫停运率,三、直流输
22、电与交流输电的性能比较,3.2 可靠性,（2）电能不可用率,从可靠性和可用率两个指标来看，交、直流两种输电方式是相当的，都是可行的。,三、直流输电与交流输电的性能比较,3.3 经济性,交、直流两种输电方式，就其造价而言，各具特色：（1）输送容量确定后，直流换流站的规模随之确定，其投资也即确定下来，距离的增加，只与线路的造价有关。交流输电则不同，随着输电距离的增加，由于稳定、过电压等要求，需要设备中间开关站。因此，对于交流输电方式，输电距离不单影响线路投资，同时也影响变电部分投资。,三、直流输电与交流输电的性能比较,3.3 经济性,（2）就变电和线路两部分看，直流输电换流站投资占比重很大，而交流
23、输电的输电线路投资占主要成分。（3）直流输电功率损失比交流输电小得多。（4）当输送功率增大时，直流输电可以采用提高电压、加大导线截面的办法，交流输电则往往只好增加回路数。,直流输电与交流输电的建设费用比较,高压直流联络线大致分以下几类：（1）单极联络线；（2）双极联络线；（3）同极联络线。,四、高压直流输电系统的结构和元件,4.1 高压直流联络线的分类,单极联络线的基本结构如图所示，通常采用一根负的导线，而由大地或水提供回路。考虑造价，常采用这类系统，对电缆传输来说尤其如此。这类结构也是建立双极系统的第一步。当大地电阻率过高，或不允许对地下（水下）金属结构产生干扰时，可用金属回路代替大地作回路
24、，形成金属性回路的导体处于低电压。,四、高压直流输电系统的结构和元件,4.1 高压直流联络线的分类,四、高压直流输电系统的结构和元件,4.1 高压直流联络线的分类,双极联络线结构如图，有两根导线，一正一负，每端有两个为额定电压的换流站串联在直流侧，两个换流器间的连接点接地。正常时，两极电流相等，无接地电流。两极可独立运行。若因一条线路故障而导致一极隔离，另一极可通过大地运行，能承担一半的额定负荷，或利用换流器及 线路的过载能力，承担更多的负荷。,双极联络线特点:1、从雷电性能方面看，一条双极HVDC线路能有效地等同于两交流传输线路。正常情况下,它对邻近设备的谐波干扰远小于单极联络线。通过控制（
25、不需要机械开关）改变两极的极性来实现潮流反向。2、当接地电流不可接受时，或接地电阻高而接地电极不可行时，用第三根导线作为金属性中性点，在一极退出运行或双极运行失去平衡时，此导线充当回路。第三条导线的绝缘要求低，还可作为架空线的屏蔽线。如果它完全绝缘，可作为一条备用线路。,四、高压直流输电系统的结构和元件,同极联络线：导线数不少于两根，所有导线同极性。通常最好为负极性，因为它由电磁引起的无线电干扰小。系统采用大地作为回路。当一条线路发生故障时，换流器可为余下的线路供电，这些导线有一定的过载能力，能承担比正常情况更大的功率。,四、高压直流输电系统的结构和元件,4.1 高压直流联络线的分类,4.2
26、高压直流输电系统的元件,四、高压直流输电系统的结构和元件,4.2 高压直流输电系统的元件,四、高压直流输电系统的结构和元件,（1）换流器 它们完成交-直流和直-交流转换，由阀桥和有抽头切换器的变压器构成。阀桥包括6脉波或12脉波的高压阀。换流变压器向阀桥提供适当等级的不接地三相电压源。由于变压器阀换流器的正端或负端接地。,（2）平波电抗器 这些大电抗器有高达1.0H的电感，在每个换流站与每极串联，它们有以下作用：1.降低直流线路中的谐波电压和电流；2.防止逆变器换相失败；3.防止轻负荷电流不连续；4.限制直流线路短路期间整流器中的峰值电流。,四、高压直流输电系统的结构和元件,4.2 高压直流输
27、电系统的元件,四、高压直流输电系统的结构和元件,4.2 高压直流输电系统的元件,（3）谐波滤波器 换流器在交流和直流两侧均产生谐波电压和谐波电流。这些谐波可能导致电容器和附近的电机过热，并且干扰远动通信系统。因此，在交流侧和直流侧都装有滤波装置。,（4）无功功率支持 直流换流器内部要吸收无功功率。稳定条件下，所消除的无功功率是传输功率的50%左右。在暂态情况下，无功功率的消耗更大。因此，必须在换流器附近提供无功电源。,四、高压直流输电系统的结构和元件,4.2 高压直流输电系统的元件,（5）电极 大多数的直流联络线设计采用大地作为中性导线，至少在较短的一段时间内是这样。与大 地相连接的导线需要有
28、较大的表面积，以便使电流密度和表面电压梯度最小。这个导线被称为电极。如前所述，如果必须限制流经大地的电流，可以用金属性回路的导体作为直流线路的一部分。,四、高压直流输电系统的结构和元件,4.2 高压直流输电系统的元件,（6）直流输电线 它们可以是架空线，也可以是电缆。除了导体数和间距的要求有差异外，直流线路与交流线路十分相似。,四、高压直流输电系统的结构和元件,4.2 高压直流输电系统的元件,（7）交流断路器 为了排除变压器故障和使直流联络线停运，在交流侧装有断路器。它们不是用来排除直流故障的，因为直流故障可以通过换流器的控制更快地清除。,四、高压直流输电系统的结构和元件,4.2 高压直流输电系统的元件,五、SPWM控制技术,一.SPWM逆变器的工作原理SPWM逆变器:其期望输出电压波形为正弦波的逆变器.就目前的技术而言,还不能制造出功率大、体积小、输出波形如同正弦波发生器那样标准的可变频变压的逆变器.,目前所采用的一种基于等效原理的易实现的方法:就是使逆变器的输出波形为一系列与正弦波等效的等幅不等宽的矩形脉冲波形.等效的原则:每一等分区间内正弦波的面积与矩形波的面积相等,具体等效方法如右图示.,五、SPWM控制技术,记作式中,SPWM波形数学分析,二.单、双极性SPWM技术,1.单极性SPWM技术,09:12,73,谢 谢!,谢谢大家！,
