高压直流输电技术的发展与应用

高压直流输电技术的发展与应用

1 绪论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

高压直流输电（高压直流输电），是利用稳定的直流电具有无感抗，容抗也不起作用，无同步问题等优点而采用的大功率远距离直流输电。输电过程为直流。常用于海底电缆输电，非同步运行的交流系统之间的连络等方面。

高压直流输电技术被用于通过架空线和海底电缆远距离输送电能；同时在一些不适于用传统交流联接的场合，它也被用于独立电力系统间的联接。世界上第一条商业化的高压直流输电线路1954年诞生于瑞典，用于连接瑞典本土和哥特兰岛，由阿西亚公司(ASEA, 今ABB集团)完成。

在一个高压直流输电系统中，电能从三相交流电网的一点导出，在换流站转换成直流，通过架空线或电缆传送到接受点；直流在另一侧换流站转化成交流后，再进入接收方的交流电网。直流输电的额定功率通常大于100兆瓦，许多在1000-3000兆瓦之间。

高压直流输电用于远距离或超远距离输电，因为它相对传统的交流输电更经济。

应用高压直流输电系统，电能等级和方向均能得到快速精确的控制，这种性能可提高它所连接的交流电网性能和效率，直流输电系统已经被普遍应用。

高压直流输电是将三相交流电通过换流站整流变成直流电，然后通过直流输电线路送往另一个换流站逆变成三相交流电的输电方式。它基本上由两个换流站和直流输电线组成，两个换流站与两端的交流系统相连接。

1.2主要研究内容、研究方法及思路

（1）经济性三大特性突出节能效果

从经济方面看，直流输电有以下三个主要优点：

首先，线路造价低，节省电缆费用。直流输电只需两根导线，采用大地或海水作回路只用一根导线，能够节省大量线路投资，因此电缆费用省得多。

其次，运行电能损耗小，传输节能效果显著。直流输电导线根数少，电阻发热损耗小，没有感抗和容抗的无功损耗，且传输功率的增加使单位损耗降低，大大提高了电力传输中的节能效果。

最后，线路走廊窄，征地费省。以同级500千伏电压为例，直流线路走廊宽仅40米，对于数百千米或数千千米的输电线路来说，其节约的土地量是很可观的。

除了经济性，直流输电的技术性也可圈可点。直流输电调节速度快，运行可靠。在正

常情况下能保证稳定输出，在事故情况下可实现紧急支援，因为直流输电可通过可控硅换流器快速调整功率、实现潮流翻转。此外，直流输电线路无电容充电电流，电压分布平稳，负载大小不发生电压异常不需并联电抗。

（2）提升空间大功率电力电子器件将改善直流输电性能

直流输电最核心的技术集中于换流站设备，换流站实现了直流输电工程中直流和交流相互能量转换，除在交流场具有交流变电站相同的设备外，还有以下特有设备：换流阀、控制保护系统、换流变压器、交流滤波器和无功补偿设备、直流滤波器、平波电抗器以及直流场设备，而换流阀是换流站中的核心设备，其主要功能是进行交直流转换，从最初的汞弧阀发展到现在的电控和光控晶闸管阀。

晶闸管用于高压直流输电已有很长的历史。近10多年来，可关断的晶闸管、绝缘门极双极性三极管等大功率电子器件的开断能力不断提高，新的大功率电力电子器件的研究开发和应用，将进一步改善新一代的直流输电性能、大幅度简化设备、减少换流站的占地、降低造价。

（3）观点——远距离输电优势明显

发电厂发出的交流电通过换流阀变成直流电，然后通过直流输电线路送至受电端再变成交流电，注入受端交流电网。业内专家一致认为。高压直流输电具有线路输电能力强、损耗小、两侧交流系统不需同步运行、发生故障时对电网造成的损失小等优点，特别适合用于长距离点对点大功率输电。

其中，轻型直流输电系统采用可关断的晶闸管、绝缘门极双极性三极管等可关断的器件组成换流器，使中型的直流输电工程在较短输送距离也具有竞争力。

此外，可关断器件组成的换流器，还可用于向海上石油平台、海岛等孤立小系统供电，未来还可用于城市配电系统，接入燃料电池、光伏发电等分布式电源。轻型直流输电系统更有助于解决清洁能源上网稳定性问题。

1.3国内外技术现状及发展趋势

我国的高压直流输电工程总体上可以说是起步较晚, 但収展迅速。1980 年国家确定全部依靠自己力量建设中国第一项直流输电工程———舟山直流输电工程。它具有向自主建设大型直流输电工程过渡的工业性试验性质,于1984 年开始施工, 1987 年投入试运行, 1989 年正式投运。工程最终规模为±1 100 kV, 500 A, 100 MW, 线路全长54 km。嗓泅直流输电工程( 上海―嗓泅岛) 是我国自行设计、制造、建设的双极海底电缆直流工程, 于1996 年完成研究工作, 2002 年全部建成。工程为双极±500 kV,600 A, 60 MW, 可双向供电, 线路长度66.2 km, 其中海底电缆59.7 km。葛南( 葛洲坝―上海南桥) 高压直流输电系统, 是我国引迚的第一个高压直流输电工程, 1989 年单极投运, 1990 年双极投

运。迚入21 世纪, 我国的高压直流输电収展迅速, 相继建成投产了天广( 天生桥―广州) 、三常( 三峡―常州) 、三广( 三峡―广东) 和贵广( 贵州―广东) 等多项高压直流输电项目。作为引迚技术的验证, 自主研収设计制造的华中―西北联网灵宝背背直流工程, 2005 年7 月投入运行。 1.2 我国高压直流输电系统的现状至2004 年末, 我国高压直流输电工程累计输送容量达12 470 MW, 输电线路长度累计达4 840 km, 已经超过美国位列世界第一。截至2007 年年底, 我国已建成幵正式投入运行葛( 洲坝) 沪( 上海) 、三( 峡) 常( 州) 、三( 峡) 广( 东) 、三( 峡) 沪( 上海) 、天( 天生桥) 广( 东) 、贵( 州) 广( 东) Ⅰ回、Ⅱ回等7 个超高压直流输电工程和灵宝背靠背直流工程, 直流输电线路总长度达 7 085 km, 输送容量达18 560 MW, 线路总长度和输送容量均居世界第一。与此同时, 我国超高压直流输电工程的设计建设、运行管理和设备制造水平也处于国际领先地位。 2 高压直流输电系统中存在的问题 2.1 直流输电中的谐波问题工频的交变电流在换流站中的整流和逆变过程中, 实际上输出的波形幵不是稳定的直流, 而是有些许波动的脉动电流。再加上换相的非理想性, 使得输出电流迚一步畸变。这些原因促成了直流输电系统中谐波的存在。随着高压直流输电的収展, 相关的谐波问题也日益突出。输电系统中的换流器在交流侧为谐波电流源,在直流侧为谐波电压源。严重的情况下, 可能还会引起谐波放大甚至谐波不稳定, 即交直流侧电压、电流通过换流站非线性环节时互相调制, 构成了一个AC/DC 之间的正反馈调节环。受到扰动时, 就会造成谐波振荡的放大, 其结果就是换流站交流母线电压严重畸变。现在主要通过小信号分析法、谐波特征值分析法、频域分析和传递函数法、时域仿真―频率扫描法等来迚行研究。一般通过加装非特征滤波器、使用有源滤波器、附加谐波阻尼电路或者是采用轻型直流输电技术来抑制谐波。

2.2 高压直流断路器的制造目前我国的直流输电系统中, 高压直流断路器的制造技术还不成熟, 多数需要迚口。研制高压断路器的难点在于: ( 1) 直流电没有像交流电那样的过零点, 所以灭弧的技术很困难; ( 2) 直流回路的电感很大, 所以需要的平波电抗器很大, 约1H,这在工艺上做起来不容易; ( 3) 由于灭弧时的直流电流很大, 故要求断路器能够吸收很大的能量。在实际的生产当中, 利用大容量金属氧化物这种新型材料可以较好地解决后2 个问题。但灭弧仍然不是很理想, 一般采用叠加振荡电流和耗能限流2 种方式来实现。后者较为普及, 一般采用分段串入电阻、拉长电弧和采用金属氧化物耗能。

2.3 大地回流造成的接地体腐蚀及对交流系统的影响直流输电过程是以大地作为回流电路的。回流流经大地时, 会与附近的金属接地体収生化学反应, 腐蚀掉金属。例如对于铁而言, 就会収生如下的化学反应:阳极: Fe2++2OH-=Fe(OH) 2阴极: 2e-+2H+=H2经研究表明: ( 1) 接地体深埋幵不会明显地减小腐蚀, 幵且这种做法在经济上是不合适的; ( 2) 金属接地体与直流接地极之间的距离会显著影响腐蚀的程度,当两者相距10 km 以外

时, 腐蚀影响即可忽略不计; ( 3) 在相同的距离条件下, 金属接地体的走向会影响腐蚀的程度, 一般垂直走向的接地体受腐蚀影响比平行走向的接地体大。同时, 强大的直流电流将经接地极注入大地, 在极址土壤中形成一个恒定的直流电流场。此时如果极址附近有变压器中性点接地的变电站、地下金属管道或铠装电缆等金属设施, 若这些设施可能给地电流提供比大地土壤更为良好的导电通道, 则一部分电流将沿着幵通过这些设施流向进方, 从而给这些设施带来不良影响。其中, 中性点直接接地变压器是受影响最大的设备。我国110 kV 及以上系统的变压器中性点, 一般都采用直接接地方式。如变电站位于接地极电流场范围内, 那么在场内变压器间会产生电位差, 接地极入地电流将有部分直流电流会通过大地、交流输电线路, 由一个变电站变压器中性点流入, 在另一个变电站变压器中性点流出, 由此在变压器三相绕组中产生直流分量,产生直流偏磁电流。流过变压器绕组的直流电流大小不仅与接地极的距离相关, 同时与极址土壤导电性能、电网接线和参数等有关。

1.4 本章小结

本章介绍了课题的研究的来源和意思，分析当前国内外高压直流输电的实际状况和应用范畴，针对高压直流输电的特点内容和基本研究方法展开了讨论和研究，为本论文做出了开门见山的作用，展开论文的内容。

2 高压直流输电的基本构成和特点

2.1 高压直流输电的基本构成

就其基本结构而言，直流输电线路可分为架空线路、电缆线路以及架空──电缆混合线路三种类型。直流架空线路因其结构简单、线路造价低、走廊利用率高、运行损耗小、维护便利以及满足大容量、长距离输电要求的特点，在电网建设中得到越来越多运用。因此直流输电线路通常采用直流架空线路，只有在架空线线路受到限制的场合才考虑采用电缆线路。

2.2 高压直流电相对于交流电的特点

2.2.1 高压直流电的技术优势

与高压交流输电相比较，直流输电具有下列优点：一、输送相同功率时，线路造价低对于架空线路，交流输电通常采用3根导线，而直流只需1根(单极)或2根(双极)导线。输送相同功率时，直流输电所用线材仅为交流输电的2/3～l/2。另外，直流输电在线路走廊、铁塔高度、占地面积等方面，比交流输电优越。对于电缆线路，直流电缆与交流电缆相比，其投资费和运行费都更为经济，这就是越来越多的大城市供电采用地下直流电缆的原因。二、线路损耗小由于直流架空线路仅用1根或2根导线，所以导线上的有功损耗较小。同时，由于直流线路没有感抗和容抗，在线路上也就没有无功损耗。另外，由于直流架空线路具有“空间电荷”效应，其电晕损耗和无线电干扰均比交流架空线路要小，直流输电没有集肤效应，导线的截面利用充分。这样，直流架空线路在年运行费用也比交流架空线路经济。三、适宜于海下输电海下输电必须采用电缆。电缆线路的电容比架空线路大得多，较长的海底电缆交流输电很难实现，而采用直流电缆线路就比较容易。且电缆的绝缘在直流电压和交流电压作用下的电位分布、电场强度和击穿强度都不相同。

四、没有系统稳定问题交流输电系统中，所有连接在电力系统中的同步发电机必须保持同步运行。系统稳定是指在系统受到扰动后所有互联的同步发电机具有保持同步运行的能力。由于交流系统具有电抗，输送的功率有一定的极限，当系统受到某种扰动时，有可能使线路上的输送功率超过它的极限。这时，送端的发电机和受端的发电机可能失去同步而造成系统的解列。如果采用直流线路连接两个交流系统，由于直流线路没有电抗，所以不存在上述的同步运行稳定问题，即直流输电不受输电距离的限制。另外，由于直流输电与系统频率、系统相位差无关，所以直流线路可以连接两个频率不相同的交流系统。五、能限制系统的短路电流用交流输电线路连接两个交流系统时，系统容量增加，将使短路电流增大，有可能超过原有断路器的通断容量，这就要求更换大量设备，增加大量的投资。

而用直流输电线路连接两个交流系统时，直流系统的“定电流控制”将快速把短路电流限制在额定功率附近，短路容量不因互联而增大，有利于实现交流系统的互联。六、调节速度快、运行可靠直流输电通过晶闸管换流器能够方便、快速地调节有功功率和实现潮流翻转。不仅在正常运行时保证稳定地输出功率，而且在事故情况下，可通过正常的交流系统一侧由直流线路对另一侧事故系统进行支援，从而提高系统运行的可靠性。采用双极线路时，假如一极出现故障，另一极仍能以大地或水为回路，继续输送一半的功率，提高了运行的可靠性。七、实现交流系统的异步连接频率不同或相同的交流系统可以通过直流输电或“交流—直流—交流”的“背靠背”换流站实现异步联网运行，既得到联网运行的经济效益，又避免交流联网在发生事故时的相互影响。八、直流输电可方便地进行分期建设和增容扩建，有利于发挥投资效益双极直流输电工程可按极来分期建设，先建一个极单极运行，然后再建另一个极。也可以每极选择两组基本换流单元（串联接线或并联接线），第一期先建一组（为输送容量的1/4）单极运行；第二期再建一组（为输送容量的1/2）双极运行；第三期再增加一组，可双极不对称运行（为输送容量的3/4），当两组换流单元为串联接线时，两极的电压不对称，为并联接线时候，则两极的电流不对称；第四期则整个双极工程完全建成。

2.2.2 高压直流输电的缺点

直流输电与交流输电相比，有如下缺点：一、换流站的设备较昂贵。二、换流装置要消耗大量的无功功率。直流输电换流器需要消耗一定的无功功率，一般情况下，约为直流输送功率的50%~60%，因此，换流站的交流侧需要安装一定数量的无功补偿设备，一般由具有电容性的交流滤波器提供无功功率。三、产生谐波影响。换流器运行时在交流侧和直流侧都将产生谐波电流和电压，使电容器和发电机过热，换流器控制不稳定，对通信系统产生干扰。一般在交流侧安装滤波器限制谐波影响。四、换流装置几乎没有过载能力，所以对直流系统的运行不利。

2.3 本章小结

随着科学技术学科的新发展为直流输电技术的应用开拓着广阔的前景，从直流输电运行特性与交流输电的比较到直流输电控制系统的分层结构可以知道，直流输电技术在日益成熟，今后直流输电在电力系统中必然会得到更多的应用。

3高压直流输电系统接线方式

3.1 单极系统

高压直流输电系统的接线方式可分为三种方式:单极连接，双极连接和背靠背接线方式。单极直流输电系统可以采用正极性和负极性。换流站出线端对地电位为正的称为正极，为负的称为负极，与正极或负极相连的输电导线称为正极导线或负极导线，也可以称为正极线路或负极线路。单极系统的接线方式有单极大地（海水）回线方式和单极金属回线方式两种。

（1）单机极大连线方式：单极连接是用一根架空导线或电缆线，以大地或海水作为返回线路组成直流输电系统。由于正常运行时电流需流经大地或海水，因此要注意接地电极的材料、埋设方法和对地下埋设物的腐蚀以及对地下通讯线路、航海罗盘的影响等问题，通常用正极接地方式较多。

（2）单极金属回线方式：单极金属回线方式是利用两根导线构成直流侧的单极回路，其中一根低绝缘的导线（也称金属返回线）用来代替单极大地回线中的地回线。这种方式避免了电流从大地或海水中流过，又把某一导线的电位钳位到零。其缺点是当负荷电流在流过导线时，要产生不小的电压降，所以仍要考虑适当的绝缘强度。这种方式大多用于无法采用大地或海水作为回路以及作为双极方式的过渡方案。

3.2 双极系统

双极线路方式有两根不同极性的导线，即一正一负。可具有大地回路或中性回路，分述如下：

（1）双极两端中性点接地方式：是将整流站和逆变站的中性点均接地，双极对地电压分别为+V和-V。正常运行时，接地点之间没有电流通过。实际上，由于两侧变压器的阻抗和换流器控制角的不平衡，总有不平衡电流以大地作为回路流过。当一线路故障切除后，可以利用健全极和大地作为回路，维持单极运行方式。

（3）双极一端中性点接地方式：它是在整流侧或逆变侧中性点单端接地，正常运行时和上述方式相同。但是一线故障时，就不可以继续运行了。

（4）双极金属中性线方式：将双极两端的中性点用导线连接起来，就构成双极中性线方式。这种方式是在整流侧或逆变侧任一端接地，当一极发生故障时，能用健全极继续输送功率，同时避免了利用大地或海水作为回路的缺点。这种方式由于增加了一根导线，在经济上将增加一定的投资。

3.3 背靠背换流方式

没有直流输电线路，而将整流站和逆变站建在一起的直流系统称为“背靠背”换流站。这种方式用于不同额定频率或者相同额定频率非同步运行的交流系统的互联。背靠背直流输电系统的主要特点是直流侧可以选择低电压大电流，可充分利用大截面晶闸管的通流能力，同时直流侧设备也因直流电压低而使其造价也相应降低。背靠背直流输电由于整流器和逆变器均装设在一个阀厅内，直流侧谐波不会造成对通信线路的干扰，因此可降低对直流侧滤波的要求，省去直流滤波器，减小平波电抗器的电感值。这样，整个直流系统的绝缘费用可以降低，有色金属的消耗量和电能耗损较少。目前世界各国己修建和准备投建的“背靠背”直流工程较多，其主要优点是有利于系统增容时限制短路容量，从而不致更换大量的电气设备。背靠背高压直流输电系统可根据互联的目的和要求的可靠性而设计成单极或双极运行。大多数点对点(两端)带线路ss的高压直流输电输电系统是双极的，只在偶发事故时作单极运行。

3.4高压直流输电系统的元件

高压直流输电系统主要由换流站(有整流站和逆变站)和高压直流输电线路组成，主要包括换流器、直流平波电抗器、交直流滤波器、无功补偿装置、直流输电线路以及电极。下图是一个双极联络线系的基本组成元件示意图，其他类型的接线，其主要元件与此图所示基本相同。

(1)换流变压器。换流变向阀桥提供适当等级的不接地三相电压源。由于变压器阀侧不接地，直流系统能建立自己的对地参考点，通常将阀换流器的正端或负端接地。

(2)换流器(阀桥)。它们完成交-直流和直一交流转换。换流器包括6脉动或12脉动安排的高压阀。

(3)直流平波电抗器。这些大电抗具有很大的电感值，可以降低直流线路中的谐波电压和电流，防止逆变器换相失败，防止轻负荷电流不连续，限制直流电流短路期间整流器中的峰值电流。

(4)谐波滤波器。换流器在运行时在交流和直流两侧均产生谐波电压和谐波电流，这些谐波会导致电容器和附近的电机过热，并干扰远动通信系统。因此，在交流侧和直流侧都装有滤波装置。交流滤波器一般安装在换流变压器的交流侧母线上。对单桥用交流滤波器吸收1n26次谐波，对双桥吸收1n2次谐波。直流滤波器一般安装在直流线路两端，用来降低流入直流线路和接地极引线中的谐波分量。单桥时吸收6n次谐波，双桥时吸收12n次谐波。

(5)无功补偿装置。直流换流器运行时需要消耗大量的无功功率。稳态条件下，换流器所消耗的无功功率占传输功率的40％～60％左右，而暂态情况下无功功率消耗更大。因此，必须在换流器附近提供无功电源。对于强交流系统，通常采用并联电容补偿的形式。