高压直流输电系统概述院系：电气工程学院班级：1113班学号：xxxxxxxxxxx姓名：xxxxxxxxxx专业：电工理论新技术一、高压直流输电系统发展概况高压直流输电作为一种新兴的输电方法，有很多优于交流输电地方，比如它可以实现不同额定频率或相同额定频率交流系统之间的非同期联络，特别适合高电压、远距离、大容量输电，尤其适合大区电网间的互联，线路功耗小、对环境的危害小，线路故障时的自防护能力强等等。
1954年,世界上第一个基于汞弧阀的高压直输电系统在瑞典投入商业运行.随着电力系统的需求和电力电子技术的发展,高压直流输电技术取得了快速发展. 1972年,基于可控硅阀的新一代高压直流输电系统在加拿大伊尔河流域的背靠背直流工程中使用; 1979年,第一个基于微处理器控制技术的高压直流输电系统投入运行; 1984年,巴西伊泰普水电站建造了电压等级最高(±600 kV)的高压直流输电工程.我国高压直流输电起步相对较晚,但近年来发展很快. 1987年底我国投运了自行建成的舟山100 kV海底电缆直流输电工程,随后葛洲坝-上海500 kV、1 200MW的大功率直流输电投运,大大促进了我国高压直流输电水平的提高. 2000年以后,我国又相继建成了天生桥-广州、三峡-常州、三峡-广州、贵州-广州等500 kV容量达3 000MW的直流输电工程.此外,海南与台湾等海岛与大陆的联网、各大区电网的互联等等,都给我国直流输电的发展开辟了动人的前景.近年来,直流输电技术又获得了一次历史性的突破,即基于电压源换流器(Voltage Source Converter,VSC)技术和全控型电力电子功率器件,门极可关断晶闸管(GTO)及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为基础的新一代高压直流输电技术已发展起来,也就是轻型直流输电(HVDC light)技术.现有的直流输电主要是两端系统.随着直流断路器研制的进展和成功以及直流输电技术的进一步成熟完善,直流输电必将向着多端系统发展.同时许多其他科学技术领域的新成就将使输电技术的用途得到广泛的扩展.光纤与计算机技术的发展也使得直流输电系统的控制、调节与保护更趋完善,运行可靠性进一步提高;高温超导材料及其在强电方面的应用研究正方兴未艾,在直流下运行时,超导电缆无附加损耗,可节省制冷费用,因此在超导输电方面直流输电也很适宜.一、高压直流输电系统构成高压直流输电系统的结构按联络线大致可分为单极联络线、双极联络线、同极联络线三大类。
单极联络线的基本结构如图1所示,通常采用一根负极性的导线,由大地或海水提供回路,采用负极性的导线,是因为负极的电晕引起的无线电干扰和受雷击的几率比正极性导线小得多,但当功率反送时,导线的极性反转,则变为负极接地。
由于它只需要一根联络线,故出于降低造价的目的,常采用这类系统,对电缆传输来说尤其如此。
而且单极结构也是建立双极系统的第一步,许多直流输电工程如葛上、三常、三广、贵广等直流输电工程都是首先建成单极500kV系统,随着容量的增加才建成双极±500kV系统。
在单极接地回线结构运行时,由于地下(海水中)长期有大的电流流过,将引起接地极附近地下金属构件的电化学腐蚀以及中性点接地变压器二次侧存在大量直流分量而导致变压器的磁饱和,因此在单极联络线结构中,当大地电阻率过高或者不允许对地下(水下)金属结构产生干扰时,也可用金属回路代替大地作回路(图1虚线所示),需要注意的是形成金属性回路的导体要处于低电压。
这种结构的优点是在运行中,地中无电流流过,可以避免接地所产生的电化学腐蚀及变压器的磁饱和。
但这种方式的线路投资和运行费用均较大地(海水)回线高得多。
通常是在不允许利用大地(海水)为回线的直流输电工程中采用。
图1 单极hvdc连络线双极联络线结构如图2所示,有两根导线,一正一负,每端有两个换流器串联在直流侧,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,两极分别独立运行。
若其中一条线路出现故障,另一极可通过大地构成回路,承担一半的额定负荷,甚至可以利用换流器及线路的过载能力,承担更多的负荷。
从雷电性能方面看.一条双极HVDC线路能有效地等同于两回交流传输线路。
正常情况下,它对邻近设备的谐波干扰远小于单极联络线。
而且可以通过控制改变两极的极性来实现电能的反送。
图2 双极hvdc连络线大多数包括线路在内的点对点(两端)HVDC联络线是双极的,仅在偶然事故时才采用单极运行。
它们通常被设计成能提供极间最大独立性的系统,以避免双极闭锁,在正常工作时两极互相独立运行。
当接地电流不可接受或因接地电阻高而导致接地电极不可行时,用第三根导线(图2虚线所示)作为金属性中性点,此即为同极性联络线结构(也称双极金属中线),如果它完全绝缘,还可作为一条备用线路。
在一极退出运行或双极运行失去平衡时,可以利用此导线充当回路。
同极联络线结构中,所有导线同极性,通常最好为负极性,因为它由电晕引起的无线电干扰较小。
这样的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,能承受比正常情况更大的功率。
而对双极系统来说,重新将整个换流器连接到线路的一极上要复杂得多,通常是不可行的。
所以同极联络线具有更好的优点,在考虑连续的地电流是可接受的情况下,同极联络线具有更加突出的优点。
但这种方式线路结构非常复杂,线路造价也比较高,只有当不允许地中流过直流电流或接地极地址没有办法选择的情况下才采用。
如英国伦敦的金斯诺斯地下电缆直流工程就是采用这种联络线结构方式。
以上各种高压直流系统结构通常均有串联的换流器组,每个换流器有一组变压器和一组阀,换流器在交流侧(变压器侧)是并联的,在直流侧(阀侧)是串联的,在极对地之间给出期望的电压等级。
背靠背的高压直流系统是无直流线路的直流系统。
它可以设计成单极或双极运行,每极带有不同数目的阀组,其数目取决于互联的目的和要达到的可靠性。
一般不用于电力传输而用于电网之间的非同步联接,如灵宝背靠背直流工程成功地实现了西北-华中联网,也实现了全国主要电网之间的互联,对在大范围内进行调峰、错峰,水、火电调剂,资源优化配置等都有重要的促进作用。
将直流系统连接到交流电网上的节点多于两个时,就构成了多端高压直流系统。
如果两个直流系统接到一个共同的交流系统上,并且两个直流系统之间的交流阻抗较小,就构成了多馈入直流系统。
贵广直流和三广直流建成投产后,南方电网就是一个典型的多馈入直流输电系统。
二、换流技术1、换流器主要结构图3表示标准的直流输电系统的结构及其使用的设备和功能。
变换器交互变换交流功率和直流功率,是直流输电设备的核心装置,目前主要由晶闸管他励式顺变器或他励式逆变器构成。
通过晶闸管的触发相位,改变送电端和受电端的直流电压Ud1、Ud2快速控制功率潮流。
直流电流的大小由两端直流电压之差及直流输电线的电阻值决定。
因此,利用两端之间的直流电压差可以控制直流电流,即便是远距离输电,从原理上说不存在像交流输电那样因稳定性而造成的输电极限问题。
图3 直流输电系统图4表示晶闸管变换器的电路结构,图4表示桥臂的结构。
三相桥电路2级串联联接构成12脉冲电路。
两个桥经过变换器与交流电网连接。
桥上的12个整流要素(桥臂)称为阀(电阀)。
特别是使用光晶闸管作为功率半导体器件的称为光晶闸管阀。
为了使每个阀片能承受必须的电压,将晶闸管串联联接使用。
晶闸管的串联数目直接关系到阀片的额定值和经济性,所以必须考虑管子所能承受的耐压。
为此,在各桥臂上并联有阀型避雷器,以抑制施加在阀片上的过电压。
图4中用虚线表示的4个桥臂级连成一体,称为四重阀。
图4 晶闸管阀电路示例如图5所示,设置晶闸管正向电压检测器(FV)和反向电压检测器(RV),其输出信号经光导(光纤)送到与大地共电位的门极脉冲发生器。
正向电压信号FV由串联联接的所有晶闸管检测出,除了用于确定产生门极脉冲时序外,各晶闸管的故障监视器上也要用。
晶闸管的故障模式最终都是短路模式,所以,当检测出正向电压信号FV没有连续发生时就可以断定有故障。
该故障监视器检测出超过数百至1 000个晶闸管的万一的故障后能迅速显示其位置,因此对于维护检查很有好处。
而且,在要求高可靠性的系统中,还设有冗余晶闸管,以确保一旦某个晶闸管发生故障,不至于整个系统都停止。
反向电压信号RV仅从有代表性的晶闸管检测出,在变换器进行反变换运行时用于监视器以监视换相裕度角。
如果裕度角不够,有的串联晶闸管可能出现不能关断的情况,此时强制的给一个门极保护脉冲,使该阀的晶闸管全部触发,从而防止少数晶闸管因承受过压而损坏的事故发生。
图5 桥臂结构示例2、直流变换器的控制方法图6所示为晶闸管变换器的典型控制框图。
控制方法由恒流控制(ACR, automatic current regulator)、恒压控制(AVR, automatic voltage regulator)、恒裕度角控制(AγR, automatic margin angle regulator,符号γ表示裕度角)等3种基本控制以及优先选择控制角的最小值选择电路组成。
变换器的控制是通过控制晶闸管触发脉冲信号的相位来进行的,该脉冲信号与变换器连接的交流电网的电压同相位。
因此,控制装置具有电压相位检测电路和相位控制电路,后者根据控制指令值在相应的触发相位上产生脉冲。
控制装置上分别设有顺变器和逆变器,通常顺变器的控制装置控制直流电流,逆变器的控制装置控制直流电压。
当逆变侧的交流电压下降,晶闸管换相所需要的裕度角减少时,利用最小值选择电路, AγR为优先,通过控制该裕度角为规定值,从而防止换流失败。
图6 直流输电用晶闸管的控制电路。