直流輸電技術(shù)1

直流輸電技術(shù)哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣學(xué)院劉瑞葉第1章直流輸電的發(fā)展及特點(diǎn)1.1直流輸電的發(fā)展1.1.1、國(guó)外的發(fā)展概況1882年法國(guó)物理學(xué)家惠普勒直流發(fā)電機(jī):1.5~2kV直流電壓,57km線路輸送成功將直流發(fā)電機(jī)串聯(lián)組成高壓直流送電端1912100kV,15MW,190km大容量直流發(fā)電機(jī)換向困難，串聯(lián)運(yùn)行復(fù)雜可靠性低——限制了發(fā)展19世紀(jì)末，交流發(fā)電機(jī)制造成功，交流發(fā)電、輸電替代了直流1928年具有柵控能力的汞弧整流閥研制成功交流——轉(zhuǎn)換成直流1954年瑞典大陸－－－哥特蘭島，９０km水下電纜，２０ＭＷ晶閘管（可控硅）20世紀(jì)60年代問(wèn)世１、１９５４年以前－－試驗(yàn)性階段１）參數(shù)較低幾十千伏、幾兆瓦－－幾十兆瓦、幾十千米－－一百多千米２）換流裝置采用汞弧閥３）發(fā)展較慢

這一階段的代表性工程有：１）德國(guó)的愛(ài)爾巴－－柏林工程（1945年）其主要參數(shù)為：電壓±220kV，輸送容量6OMW，輸送距離115km（電纜），采用汞弧閥。２）瑞典的脫羅里赫坦－－密里路特工程（1945年）其主要參數(shù)為：電壓±45kV，輸送容量６.５MW．架空線路長(zhǎng)度５０km，采用汞弧閥。３）原蘇聯(lián)的卡希拉－－莫斯科工程（1950年）其主要參數(shù)為：電壓±２００kV、輸送容量30MＷ、輸送距離１１２kｍ（電纜），采用汞弧閥（現(xiàn)已改為晶閘管閥）。

2、1954年至1972年－－發(fā)展階段1)換流裝置仍采用汞弧閥，不僅參數(shù)有很大的提高，而且質(zhì)量也有很大的改善,直流輸電進(jìn)入了工業(yè)實(shí)用階段2)采用直流輸電具有多方面的目的:水下輸電不同頻率連接遠(yuǎn)距離，大功率

典型工程：哥特蘭島——第一條商業(yè)經(jīng)營(yíng)的HVDC（20MW,110kV,96km)單極電纜（比建熱電廠，交流電纜經(jīng)濟(jì)）伏爾加格勒-頓巴斯（1962-1965）——首例架空直流輸電（470km，720MW，±400kV，900A）——加強(qiáng)交流弱聯(lián)系系統(tǒng)佐久間互聯(lián)（1965，1993改晶閘管）——首個(gè)背靠背交流互聯(lián)50Hz，60Hz）零距離，300MW，±125kV撒丁島（意大利1967，1987）——單極大地與海水作為回流方式200MW,撒丁島架空線-海纜-科西嘉島架空線-海纜-意大利本土架空線1987年擴(kuò)建至300MW，在corsica島建分支換流站——首個(gè)三端直流輸電

美國(guó)的太平洋聯(lián)絡(luò)線（1970）——與兩條交流500kV,60Hz線路并聯(lián)其架空線路1372km、±４００kV，1440MW抑制低頻振蕩,北部水電—南部負(fù)荷，86年改晶閘管，+1920MW，89年并接晶閘管閥+1100MW３、1972年到現(xiàn)在－－大力發(fā)展階段1972年，加拿大的伊爾河直流輸電工程首次采用晶閘管閥的大型工程（可控硅閥）。BTB2×80kV，320MW，4800個(gè)SCR，40個(gè)單元模塊１）新建設(shè)的直流工程幾乎全部采用晶閘管２）直流輸電工程幾乎全是超高壓工程３）單回線路的輸電能力比前階段有了很大增加４）發(fā)展速度很快，且規(guī)模越來(lái)越大卡拉哈-巴薩(1978)——首個(gè)極間電壓超百萬(wàn)伏級(jí)1920MW,1360km,±533kV（首個(gè)跨國(guó)過(guò)程）斯奎爾比特（1977）——首次采用12脈動(dòng)換流器750km，500MW,±250kV（驗(yàn)證了輸電比輸煤發(fā)電經(jīng)濟(jì)）北海道-本州——首次采用光觸發(fā)晶閘管167km(43km電纜），600MW，±125kV伊泰普（1986）

6000MW,2個(gè)雙極±600kV線路并聯(lián)運(yùn)行，每極4個(gè)12脈波水冷閥換流器坎頓斯德-康福德（1986）美——加，690MW，雙極450kV后擴(kuò)充三個(gè)端口——多端系統(tǒng)，1500km英吉利海峽1986擴(kuò)建增加兩個(gè)1000MW,雙極270kV，8條電纜多個(gè)廠家不同類型換流器，裝SVC波羅的海1994——接地極，電纜，有源濾波先進(jìn)巴斯海峽2005——電纜最長(zhǎng)298.3km1.2.2、我國(guó)高壓直流輸電的發(fā)展情況１、實(shí)驗(yàn)裝置建設(shè)及換流設(shè)備研制中國(guó)的直流輸電是在1958年考慮長(zhǎng)江三峽水利資源的開(kāi)發(fā)以及三峽電站的電力外送問(wèn)題時(shí)提出的。1963年在中國(guó)電力科學(xué)研究院建成１０００V、５A(chǔ)的直流輸電物理模擬裝置。20世紀(jì)70年代以后，對(duì)該套裝置進(jìn)行了技術(shù)更新和改造，用晶閘管替換了原來(lái)的閘流管并采用了數(shù)字式的控制保護(hù)系統(tǒng)。1977年在上海將報(bào)廢的交流電纜改成直流實(shí)驗(yàn)線路８０年代，葛－－南大型直流輸電工程的技術(shù)引進(jìn)．從瑞士ＢＢＣ公司引進(jìn)了一套先進(jìn)的大型直流輸電模擬裝置90年代，在該套裝置上又增加了全數(shù)字化的直流輸電仿真系統(tǒng)（ＲＴＤＳ），并且與暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析裝置（ＴＮＡ）相連，從而具備了進(jìn)行更大規(guī)模試驗(yàn)研究工作的能力。２、直流輸電工程建設(shè)20世紀(jì)80年代，中國(guó)開(kāi)始建設(shè)直流輸電工程，到2005年已有８項(xiàng)直流輸電工程投入運(yùn)行。1）舟山直流輸電工程１９８０年國(guó)家確定全部依靠自己的力量建設(shè)中國(guó)第一項(xiàng)直流輸電工程，它既解決了浙江大陸向舟山本島的輸電問(wèn)題，又具有向建設(shè)大型直流輸電工程過(guò)渡的工業(yè)性試驗(yàn)性質(zhì)。工程的第一期為單極金屬回線方式，-100kV,500A,50MW。第一期工程于1984年開(kāi)始施工，1987年進(jìn)行調(diào)試并投入試運(yùn)行，1989年正式投人商業(yè)運(yùn)行。工程的最終規(guī)模為雙極±100kV,500A,100MW，線路全長(zhǎng)54km。2、葛洲壩一南橋直流輸電工程（簡(jiǎn)稱葛一南直流工程）1982年開(kāi)始對(duì)葛洲壩水電站向華東送電進(jìn)行可行性研究，由于直流輸電在遠(yuǎn)距離輸電和聯(lián)網(wǎng)方面的優(yōu)點(diǎn)，最終選擇了直流輸電方案。該工程既解決了葛洲壩電站向華東上海地區(qū)的送電問(wèn)題，又實(shí)現(xiàn)了華中與華東兩大電網(wǎng)的非同期聯(lián)網(wǎng)，它具有輸電和聯(lián)網(wǎng)的雙重性質(zhì)。葛－－南直流工程為雙極±５００kV、１200A、1200MW，輸送距離約１０４５ｋm。1985年10月開(kāi)工，1989年9月極１投入運(yùn)行，1990年8月全部工程建成，并投人商業(yè)運(yùn)行。原瑞士BBC公司和德國(guó)西門子公司提供。(ABB=瑞典ASEA+瑞士BBC）３、天生橋－－廣州直流輸電工程（簡(jiǎn)稱天一廣直流工程）1991年開(kāi)始進(jìn)行可行性研究，1997年與德國(guó)西門子公司簽訂了供貨合同，2000年12月極１投人運(yùn)行，2001年工程全部建成。該工程為西電東送工程的一部分。直流工程為雙極±500ｋＶ、1800A、1800ＭＷ，西起天生橋水電站附近的馬窩換流站，東至廣州的北郊換流站。全長(zhǎng)約960kｍ。４、嵊泗直流輸電工程嵊泗直流輸電工程是中國(guó)自行設(shè)計(jì)和建造的雙極海底電纜直流工程。主要解決從上海向嵊泗島及寶鋼馬跡山碼頭的送電問(wèn)題，同時(shí)也專慮到嵊泗島上的風(fēng)力發(fā)電發(fā)展到一定規(guī)模時(shí)也具有向上海反送的功能，工程的主要特點(diǎn)是受端為弱交流系統(tǒng)。工程為雙極±50ｋＶ、６００A、６０ＭＷ，共66.2km，其中59.7km為海底電纜。1996年完成各種研究工作，1997年進(jìn)行設(shè)備訂貨，2002年工程全部建成。除控制保護(hù)裝裝置由許繼電氣股份有限公司供貨外，其余全部設(shè)備均由西安電力機(jī)械股份有限公司承包。５、三峽－－常州直流輸電工程（簡(jiǎn)稱三－－常直流工程）主要為解決三峽水電站向華東電網(wǎng)的送電問(wèn)題，同時(shí)也加強(qiáng)了華中與華東兩大電網(wǎng)的非同期聯(lián)網(wǎng)。工程為雙極±500ｋＶ、3000A、3000ＭＷ，全長(zhǎng)約860Ｋｍ。工程于2002年12月極1投入運(yùn)行，2003年5月全部建成。2004以后投入的直流工程三峽－－廣東直流輸電工程(2004.2-6)工程為雙極±500ｋＶ、3000A、3000ＭＷ，全長(zhǎng)約960km。ABB貴州－－廣東直流輸電工程(2004.6)工程為雙極±500ｋＶ、3000A、3000ＭＷ，全長(zhǎng)約960km。siemens靈寶背靠背直流工程（2005）360MW、120kV、3000A三峽－－上海（2006）3000MW，1040km貴州－－廣東第２回直流輸電(2007)3000MW。125km1.2直流輸電系統(tǒng)的構(gòu)成1.2.1高壓直流輸電的分類1)長(zhǎng)距離直流輸電（海島，遠(yuǎn)距離送電）2)背靠背方式直流輸電3)交、直流并列輸電方式4）交、直流疊加輸電（研究階段、無(wú)工程實(shí)例）

直流不受功角穩(wěn)定限制，交流有中間落點(diǎn)5）三極直流輸電（換流器組合拓?fù)洌靡延薪涣魍ǖ溃┰囼?yàn)階段1.2.2直流系統(tǒng)的構(gòu)成1）直流單極輸電70年代建設(shè)的太平洋聯(lián)絡(luò)線——1為回流導(dǎo)體2）直流雙極輸電

3）直流多回線輸電4）多端直流輸電并聯(lián)樹枝型并聯(lián)環(huán)網(wǎng)型1.3高壓直流輸電特點(diǎn)及適用的場(chǎng)合一、輸送相同功率時(shí)，線路造價(jià)低對(duì)于架空線路，交流輸電通常采用3根導(dǎo)線，而直流只需1根（單極）或2根（雙極）導(dǎo)線。直流輸電對(duì)其線路走廊、鐵塔高度、占地面積等方面，也比交流輸電優(yōu)越。對(duì)于電纜線路，直流電纜與交流電纜相比，其投資費(fèi)和運(yùn)行費(fèi)都更為經(jīng)濟(jì)。二、線路有功損耗小由于直流架空線路僅使用１根或2根導(dǎo)線，所以在導(dǎo)線上的有功損耗較小。同時(shí)，由于直流線路沒(méi)有感抗和容杭，在線路上也就沒(méi)有無(wú)功損耗。三、適宜于海下輸電海下輸電必須采用電纜。電纜的絕緣在直流電壓和交流電壓作用下的電位分布、電場(chǎng)強(qiáng)度和擊穿強(qiáng)度都不相同，以同樣截面積的油浸紙絕緣電纜為例，用于直流時(shí)的允許工作電壓比在交流下約高3倍。因此，在有色金屬和絕緣材料相同的條件下，2根芯線的直流電纜線路輸送的功率比3根芯線的交流電纜線路輸送的功率P大得多。所以海下輸電采用直流電統(tǒng)在投資上比采用交流電纜經(jīng)濟(jì)得多。

國(guó)際上對(duì)架空線路其等價(jià)距離約為500-700km，電纜線路約為20-40km四、沒(méi)有系統(tǒng)的穩(wěn)定問(wèn)題——互聯(lián)性在交流輸電系統(tǒng)中，所有連接在電力系統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)必須保持同步運(yùn)行。所謂“系統(tǒng)穩(wěn)定”，就是指在系統(tǒng)受到擾動(dòng)后所有互聯(lián)的同步發(fā)電機(jī)具有保持同步運(yùn)行的能力。由于交流系統(tǒng)具有電抗，輸送的功率有一定的極限，當(dāng)系統(tǒng)受到某種擾動(dòng)時(shí)，有可能使線路上的輸送功率超過(guò)它的極限。五、能限制系統(tǒng)的短路電流用交流輸電線路連接兩個(gè)交流系統(tǒng)時(shí)，由于系統(tǒng)容量增加，將使短路電流增大，有可能超過(guò)原有斷路器的遮斷容量，這就要求更換大量設(shè)備，增加大量的投資。而用直流輸電線路連接兩個(gè)交流系統(tǒng)時(shí)，就不存在上述問(wèn)題，這對(duì)于交流系統(tǒng)的互聯(lián)具有極大的實(shí)用價(jià)值。六、調(diào)節(jié)速度快，運(yùn)行可靠直流輸電通過(guò)晶閘管換流器能夠方便、快速地調(diào)節(jié)有功功率和實(shí)現(xiàn)潮流翻轉(zhuǎn)?！＿\(yùn)行時(shí)保證穩(wěn)定地輸出功率，——事故情況下，可通過(guò)正常的交流系統(tǒng)一側(cè)由直流線路對(duì)另一側(cè)事故系統(tǒng)進(jìn)行緊急支援。在交、直流線路并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生短路，可暫時(shí)增大直流輸送的功率以減小發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加速，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。單極運(yùn)行直流輸電的缺點(diǎn)一、換流站的設(shè)備多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜價(jià)格昂貴二、換流裝置要消耗大量的無(wú)功功率三、換流裝置是一個(gè)諧波源，在運(yùn)行中要產(chǎn)生諧波，影響系統(tǒng)的運(yùn)行四、換流裝置幾乎沒(méi)有過(guò)載能力，所以對(duì)直流系統(tǒng)的運(yùn)行不利五、由于目前高壓直流斷路器還處于研制階段，所以阻礙了多端直流系統(tǒng)的發(fā)展六、以大地作為回路的直流系統(tǒng)，運(yùn)行時(shí)會(huì)對(duì)沿途的金屬構(gòu)件和管道有腐蝕作用，以海水作為回路時(shí)，會(huì)對(duì)航海導(dǎo)航儀表產(chǎn)生影響。

直流輸電的應(yīng)用根據(jù)ＨＶＤＣ的優(yōu)缺點(diǎn)，直流輸電適用于以下場(chǎng)合：1）遠(yuǎn)距離大功率輸電2）海底電纜送電3）不同頻率或同頻率非周期運(yùn)行的交流系統(tǒng)之間的聯(lián)絡(luò)4）用地下電纜向大城市供電5）交流系統(tǒng)互聯(lián)或配電網(wǎng)增容時(shí)，作為限制短路電流的措施之一6）配合新能源的輸電1.4直流輸電的最新研究方向世界各國(guó)在現(xiàn)有直流輸電工程設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，正廣泛深入地開(kāi)展如下的研究工作：l）研究電壓更高、容量更大的晶閘管元件，改進(jìn)換流閥的機(jī)、電、熱各方面的結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步降低換流器的造價(jià)和提高可靠性。

2）研究采用大規(guī)模集成電路元件和微機(jī)處理技術(shù)，充分發(fā)揮直流輸電優(yōu)越的調(diào)節(jié)性能，以適應(yīng)各種運(yùn)行工況的需要。

3）研究交、直流的并列運(yùn)行和調(diào)節(jié)，以提高輸送功率極限。采用靜止無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，以進(jìn)一步提高直流聯(lián)絡(luò)線的性能。4）研究更大斷流容量的高壓直流斷路器和發(fā)展多端直流系統(tǒng)。5）研究高壓直流電場(chǎng)以及電暈、無(wú)線電干擾對(duì)環(huán)境的影響。6）研究高次諧波的測(cè)量方法和消除諧波的新措施及裝置。7）進(jìn)一步開(kāi)展直流輸電系統(tǒng)的數(shù)字仿真及其計(jì)算方法的研究。8）進(jìn)一步開(kāi)展高壓直流系統(tǒng)可靠性計(jì)算方法的研究。9）開(kāi)展高壓直流過(guò)電壓、直流污穢及絕緣配合的研究。換流器件最新發(fā)展GTO，IGBT,IGCT實(shí)現(xiàn)的換流器不依賴所聯(lián)交流電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)自身?yè)Q向送入交流網(wǎng)的有功無(wú)功可控諧波少，減少濾波器的造價(jià)可以向弱交流系統(tǒng)輸電1.5直流輸電新技術(shù)1.5.1器件換向直流輸電(全控器件）電壓源、電流源型換流器，輕型直流輸電無(wú)需換流變壓器、直流濾波器、平波電抗器、無(wú)功補(bǔ)償器，簡(jiǎn)化了交流濾波器設(shè)備少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單低于±150kV，小于200MW有優(yōu)勢(shì)傳統(tǒng)的——不能向小容量交流系統(tǒng)供電，產(chǎn)生的諧波次數(shù)低容量大，換流器吸收無(wú)功，換流站投資大——在220kV以上用多端直流互聯(lián)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)海上鉆井平臺(tái)/孤島供電電網(wǎng)互聯(lián)/電力交易太陽(yáng)能發(fā)電并網(wǎng)特大城市供電柔性直流輸電典型應(yīng)用領(lǐng)域閥基控制器機(jī)柜換流閥機(jī)柜柔性直流輸電關(guān)鍵技術(shù)研究柔性直流輸電系統(tǒng)低壓樣機(jī)原理及實(shí)物圖我國(guó)首條自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的上海南匯風(fēng)電場(chǎng)柔性直流示范工程建設(shè)正在開(kāi)展，預(yù)計(jì)將于2010年底投運(yùn)。工程的投運(yùn)將打破ABB在柔性直流輸電工程上的獨(dú)家壟斷地位。柔性直流輸電示范工程建設(shè)示范工程換流站效果圖示范工程原理圖柔性直流輸電示范工程建設(shè)柔性直流輸電換流閥閥子模塊柔性直流輸電換流閥模塊通過(guò)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)開(kāi)發(fā)，中國(guó)電力科學(xué)研究院已掌握了柔性直流輸電的基礎(chǔ)理論、設(shè)備研發(fā)、工程應(yīng)用等多方面的關(guān)鍵技術(shù)；目前已完成柔性直流輸電換流閥等系列關(guān)鍵設(shè)備的工程樣機(jī)研制和部分試驗(yàn)，正在開(kāi)展相應(yīng)的工程設(shè)備制造和試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)。上海南匯風(fēng)電場(chǎng)±30kV柔性直流輸電接入示范工程預(yù)計(jì)將于2010年底投運(yùn)