直流輸電及其控制技術(shù)講義課件

1、 直流輸電技術(shù)一、 直流輸電概述 直流輸電的發(fā)展 直流輸電與交流輸電的優(yōu)缺點(diǎn) 我國直流輸電的現(xiàn)狀 常用英文的縮寫 二、 直流技術(shù) 直流輸電組成 直流輸電控制 保護(hù) 極控三、 與穩(wěn)控裝置的接口 最后斷路器保護(hù) 極轉(zhuǎn)帶 降壓 直流調(diào)制原理一、直流輸電概述高壓直流輸電的發(fā)展史高壓直流輸電技術(shù)起步在20世紀(jì)50年代(1954年世界上第一個商業(yè)性的直流輸電工程果特蘭島直流輸電工程投入運(yùn)行)，到80年代，全世界共建成了30項(xiàng)直流輸電工程。隨著可控硅技術(shù)、計(jì)算機(jī)和控制理論技術(shù)的迅速發(fā)展，高壓直流輸電得到了快速的發(fā)展。我國直流輸電的現(xiàn)狀在我國，19801989建成了舟山直流輸電試驗(yàn)工程(±100,1

2、00MW，55km)，完全國產(chǎn)自主研發(fā)。葛南直流(1990.8全部建成)，是我國引進(jìn)國外技術(shù)的第一個工程。2009年底，我國在運(yùn)的高壓直流輸電系統(tǒng)為12個，其中10個為點(diǎn)對點(diǎn)雙極直流輸電系統(tǒng)，3個為背靠背直流輸電系統(tǒng)，總輸送容量達(dá)到28060兆瓦，輸電線路總長度達(dá)到17658公里。到2010年底，國網(wǎng)公司直流輸電工程達(dá)到12個，換流站28個，到2015年，則將達(dá)到25個，換流站44個，總輸送容量80850MW.南網(wǎng)的天廣、高肇、興安及云廣直流總?cè)萘恳策_(dá)到14200MW.我國高壓直流輸電系統(tǒng)基本情況表系統(tǒng)名稱投運(yùn)日期額定電壓 (千伏)額定輸送容量(兆瓦)線路長度(千米)葛南直流(葛洲壩上海南橋)

3、1989.9 ±5002*600(300)*1046龍政直流輸(龍泉-政平)2003.6±5002*1500860江城直流(江陵至韶關(guān)鵝城)2004.6±5002*1500975宜華直流(三峽宜都上海華新）2006.12±5002*15001050天廣直流(天生橋廣州)2000.12±5002*900963高肇直流(安順高永坡廣東肇慶)2004.10±5002*1500891興安直流(興仁深圳寶安)2007.6±5002*15001194靈寶背靠背直流2005.71202*3600高嶺背靠背直流2008.115002*750

4、0寶德直流2009.12(單極)±5002*1500574云廣特高壓直流2009.12(單極)±8002*26001373向上特高壓直流2009.12(單極)±8002*26001916寧東直流(銀川東、青島)2010年底±6602*20001335錦屏-蘇南(西昌蘇南)±8002*32002090呼盟-遼寧、蒙古-天津、俄羅斯-遼寧、西藏-青海、晉東南-江蘇、中俄背靠背、福建廣東背靠背 等待建或在建直流輸電的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：    (1) 不存在系統(tǒng)穩(wěn)定問題，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的非同期互聯(lián)，而交流電力系統(tǒng)中所有的同步發(fā)電機(jī)都

5、保持同步運(yùn)行。直流輸電的輸送容量和距離不受同步運(yùn)行穩(wěn)定性的限制，還可連接兩個不同頻率的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)非同期聯(lián)網(wǎng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。    (2) 限制短路電流。如用交流輸電線連接兩個交流系統(tǒng)，短路容量增大，甚至需要更換斷路器或增設(shè)限流裝置。然而用直流輸電線路連接兩個交流系統(tǒng)，直流系統(tǒng)的“定電流控制”將快速把短路電流限制在額定功率附近，短路容量不因互聯(lián)而增大。    (3) 調(diào)節(jié)快速，運(yùn)行可靠。直流輸電通過可控硅換流器能快速調(diào)整有功功率，實(shí)現(xiàn)“潮流翻轉(zhuǎn)”(功率流動方向的改變)，在正常時能保證穩(wěn)定輸出，在事故情況下，可實(shí)現(xiàn)健全系統(tǒng)對故障系統(tǒng)的

6、緊急支援，也能實(shí)現(xiàn)振蕩阻尼和次同步振蕩的抑制。在交直流線路并列運(yùn)行時，如果交流線路發(fā)生短路，可短暫增大直流輸送功率以減少發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加速，提高系統(tǒng)的可靠性。    (4) 沒有電容充電電流。直流線路穩(wěn)態(tài)時無電容電流，沿線電壓分布平穩(wěn)，無空、輕載時交流長線受端及中部發(fā)生電壓異常升高的現(xiàn)象，也不需要并聯(lián)電抗補(bǔ)償。    (5) 節(jié)省線路走廊。按同電壓500 kV考慮，一條直流輸電線路的走廊40 m，一條交流線路走廊50 m，而前者輸送容量約為后者2倍，即直流傳輸效率約為交流2倍。缺點(diǎn)：  (1) 換流裝置較昂貴。這是限制直流輸電應(yīng)

7、用的最主要原因。在輸送相同容量時，直流線路單位長度的造價比交流低；而直流輸電兩端換流設(shè)備造價比交流變電站貴很多。這就引起了所謂的“等價距離”問題。我國的交、直流等價距離是600900公里。   (2) 消耗無功功率多。一般每端換流站消耗無功功率約為輸送功率的40%60%，需要無功補(bǔ)償。      (3) 產(chǎn)生諧波影響。換流器在交流和直流側(cè)都產(chǎn)生諧波電壓和諧波電流，使電容器和發(fā)電機(jī)過熱、換流器的控制不穩(wěn)定，對通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。   (4) 缺乏直流開關(guān)。直流無波形過零點(diǎn)，滅弧比較困難。目

8、前把換流器的控制脈沖信號閉鎖，能起到部分開關(guān)功能的作用，但在多端供電式，就不能單獨(dú)切斷事故線路，而要切斷整個線路。   (5) 不能用變壓器來改變電壓等級。直流輸電主要用于長距離大容量輸電、交流系統(tǒng)之間異步互聯(lián)和海底電纜送電等。與直流輸電比較，現(xiàn)有的交流500 kV輸電(經(jīng)濟(jì)輸送容量為1 000 kW、輸送距離為300500 km)已不能滿足需要，只有提高電壓等級，采用特高壓輸電方式，才能獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。直流輸電的用途1、 長距離、大容量電能的輸送2、 海底電纜輸電3、 連接兩個異步系統(tǒng)4、 系統(tǒng)互聯(lián)或配網(wǎng)增容時，作為限制短路電流的措施常用英文的縮寫 HVDC

9、高壓直流輸電 UHVDC特高壓直流輸電 BTB背靠背換流站 SCR 晶閘管 Pole-Deblocked 極閉鎖 Pole-Blocked 極解鎖 DC bipolar block 雙極閉鎖 DC-SC 直流站控系統(tǒng) DC-PC 直流極控系統(tǒng) DCP 直流保護(hù) ESOF（ Emergency Switch off） 直流緊急停運(yùn)程序 P-mode 直流定功率控制模式 I-mode 直流定電流控制模式 PPT 極間功率轉(zhuǎn)移 二、直流輸電原理1、結(jié)構(gòu)組成換流器 換流器是直流輸電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，作用是整流或逆變。按照觸發(fā)的原理不同分為LTT 和ETT換流器。LTT在靈寶和貴廣直流得到應(yīng)用，ETT是

10、目前大多數(shù)直流工程中主要使用的換流器。晶閘管的簡單工作原理 圖整流器的原理 接線圖 和電壓波形圖。換相重疊與換相失敗。 由于系統(tǒng)中電感的存在，換相不是瞬時完成的，電流不能突變，釋放電流和接收電流的相同時承載電流，叫作換相重疊。(重疊角) 最小觸發(fā)角 50 換相過程中,電流未能由導(dǎo)電臂轉(zhuǎn)移到相繼導(dǎo)電臂上的現(xiàn)象，叫作換相失敗。換相失敗的主要原因是逆變器閥短路、丟失觸發(fā)脈沖、交流系統(tǒng)故障、逆變角過小、交流電壓上升率過大等。 最小關(guān)斷角150 200 幾個標(biāo)識的名稱、含義及其相互關(guān)系觸發(fā)角，逆變器的超前觸發(fā)角，重疊角，關(guān)斷角幾者的關(guān)系 = +； =180-； 直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖等效電路圖 公式 由圖及

11、公式可知，無論是直流電壓還是直流電流，都取決于、和Udor、Udoi。而、的相應(yīng)速度極快14ms，而Udor、Udoi則需要調(diào)節(jié)變壓器的抽頭，要510S。因此，在系統(tǒng)發(fā)生故障的暫態(tài)過程中，直流輸電系統(tǒng)能發(fā)揮作用的控制量只有兩側(cè)觸發(fā)角。2、主要接線及運(yùn)行方式直流聯(lián)絡(luò)線的主要接線方式單極聯(lián)絡(luò)線方式(圖)雙極聯(lián)絡(luò)線方式(圖)同極聯(lián)絡(luò)線方式(圖) 直流系統(tǒng)的運(yùn)行方式雙極對稱運(yùn)行/不對稱運(yùn)行 全壓運(yùn)行/降壓運(yùn)行 潮流反轉(zhuǎn)降壓運(yùn)行的原因 1、由于絕緣問題需要降壓 2、由于無功功率控制需要降壓(增加換流器的無功功率消耗) 通常降壓運(yùn)行為正常直流電壓的70%80%.由于直流回路中的電流方向是不能改變的，所以實(shí)

12、際改變功率方向是改變電壓的極性，將整流站為逆變運(yùn)行，將逆變站為整流運(yùn)行。3、高壓直流輸電保護(hù)與控制直流保護(hù)的配置見圖直流保護(hù)的原理及分類共有換相失敗保護(hù)、極母差保護(hù)、換流器差動保護(hù)、橋差動保護(hù)等31中保護(hù)功能。按照針對情況分為四類：A、針對故障的保護(hù) B、正對應(yīng)力的保護(hù) C、正對器件損壞的保護(hù) D、其他高壓直流保護(hù)采用“三取二”配置或“四取二”， “三取二”三套功能完全相同，“四取二”是柜子，每個柜子用兩套功能不同的保護(hù)，只要兩套同時動作時，才動作，實(shí)際是“二取二”。直流保護(hù)的動作策略A、 閉鎖觸發(fā)脈沖 B、ESOF(緊急停運(yùn)) C、直流線路故障再啟動D、極隔離 E、降電流 F、投旁通對 G

13、切換極控系統(tǒng) H、緊急移相。直流控制系統(tǒng) 直流輸電控制系統(tǒng)采用分層控制結(jié)構(gòu)，從高到低分為系統(tǒng)控制極、雙極控制極、極控制極、換流器控制極、單獨(dú)控制極和換流閥控制極六個級別。只能高級別控制低級別。直流電流。功率控制、極啟、停運(yùn)、故障處理等屬于極控制極直流調(diào)制、潮流反轉(zhuǎn)等屬于系統(tǒng)控制級極控系統(tǒng)主要完成雙極控制極、極控制極、換流器控制極整流站的基本控制配置最小觸發(fā)角控制 直流電流控制 直流功率控制逆變站的基本控制配置定關(guān)斷角控制 直流電流控制 直流電壓控制極的解鎖 具備解鎖條件 運(yùn)行人員啟動解鎖 逆變側(cè)解鎖 整流側(cè)解鎖極閉鎖 操作員啟動閉鎖 兩側(cè)按照設(shè)定的斜率降低直流功率 整流側(cè)閉鎖 降低直流電流至1

14、0%，移相到120，等直流電流降到3%超過100ms，閉鎖 逆變側(cè)閉鎖 檢測到整流側(cè)已經(jīng)閉鎖，電流小于3%超過5S，則閉鎖。 緊急停運(yùn)ESOF 整流測收到ESOF后立即移相至120，電流接近于零保持10ms后閉鎖。 逆變側(cè)收到ESOF后500ms，立即投旁通對，電流接近于零保持100ms后閉鎖。 本站的ESOF信號只能啟動本站的動作順序，對側(cè)通過零電流或低電壓保護(hù)啟動閉鎖。基本控制策略正常工況下，整流側(cè)通過快速調(diào)節(jié)觸發(fā)角來保持直流電流的恒定；逆變側(cè)采用調(diào)節(jié)觸發(fā)角來維持直流電壓的恒定。雙極功率控制 按照兩極電壓比例分配電流，保證地電流的平衡。極功率/電流獨(dú)立控制 按照各極設(shè)定的電流功率獨(dú)立控制。

15、無功功率控制 通過投切濾波器組來實(shí)現(xiàn)與交流系統(tǒng)的無功交換到一個具體的設(shè)定值。 為了消耗過多的無功功率，換流閥無功功率控制可以通過增加熄弧角來實(shí)現(xiàn)。附加控制 功率提升/回降 快速功率反轉(zhuǎn) 頻率控制 四、 直流系統(tǒng)與安穩(wěn)裝置直流系統(tǒng)的穩(wěn)定控制功能是指利用直流輸電系統(tǒng)的快速可靠性，通過調(diào)節(jié)直流功率，達(dá)到改變所連接的交流系統(tǒng)的一種功能。主要控制措施有功率提升/回降 快速功率反轉(zhuǎn) 頻率控制等。功率提升(Run-Up)：穩(wěn)控裝置通過硬接點(diǎn)信號送給極控系統(tǒng)，每對接點(diǎn)對應(yīng)一級功率提升信號，并且有一定優(yōu)先級(功率提升5>功率提升4>功率提升3>功率提升2>功率提升1)，如果同時有幾個級別

16、的功率提升信號則選擇優(yōu)先級最高的執(zhí)行。當(dāng)某一級別的功率提升功能有效時，系統(tǒng)將按照預(yù)先設(shè)定好的功率增加量和升降速率進(jìn)行功率提升。功率提升(Run-Back)頻率限制功能：設(shè)定兩個定值50.5Hz和49.5Hz，超出此范圍，則自動調(diào)節(jié)功率，維持交流系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。極閉鎖判據(jù)國網(wǎng)判據(jù)(穩(wěn)定)：采用換流變的無故障跳閘判據(jù)結(jié)合直流系統(tǒng)非正常停運(yùn)信號(ESOF等)進(jìn)行判斷，原理簡單。南網(wǎng)判據(jù)（南瑞繼保）：圖中，Pdc_和Pdck 分別為裝置突變量起動前200ms 的功率和當(dāng)前功率，相應(yīng)的過量和欠量定值為Pdcrun、Pdcstop，Pdc_即為閉鎖極事故前的功率。應(yīng)用說明如下：（1）由于突變量啟動元件比較

17、靈敏，起動時間不大于10ms，典型值為5ms。而功率計(jì)算響應(yīng)時間約為10ms20ms，相對于突變量起動元件而言則較慢。因此，“Protection Block/ESOF”開入需展寬100ms，用于躲過裝置突變量元件與功率計(jì)算的不同步。（2）上述判據(jù)僅用于判斷某一直流極是否發(fā)生閉鎖，在此基礎(chǔ)上根據(jù)雙極閉鎖時間定值Tset1 和相繼閉鎖時間定值Tset2，按以下原則判斷單極、雙極閉鎖或相繼閉鎖（包括再啟動）：􀂗 單次單極閉鎖：在 Tset1 時間內(nèi)僅發(fā)生一個極的閉鎖事故；􀂗 雙極閉鎖：在 Tset1 時間內(nèi)先后或同時發(fā)生兩個極閉鎖事故；􀂗 雙極

18、閉鎖再啟動：判雙極閉鎖，同時后閉鎖極有再啟動信號；􀂗 相繼閉鎖：在 Tset1 外，Tset2 內(nèi)先后發(fā)生兩個極閉鎖事故；􀂗 相繼閉鎖再啟動：判相繼閉鎖，同時后閉鎖極有再啟動信號。由于直流線路故障后再啟動開入信號（DLFR）是瞬時信號，其開入后一段時間極閉鎖/ESOF 信號或極閉鎖狀態(tài)信號才能產(chǎn)生（實(shí)測最長150ms），因此需要對再啟動開入信號進(jìn)行展寬后再參與邏輯判斷。最后斷路器 在直流輸電中，無論是在整流側(cè)還是在逆變側(cè)，換流器都要消耗大量的無功功率。正常情況整流側(cè)消耗的無功功率為輸送有功功率的30%50%,逆變側(cè)消耗的無功功率為輸送有功功率的40%60%。當(dāng)整流側(cè)觸發(fā)角和逆變側(cè)熄弧角相等時，