第一章 高压直流输电技术

高压直流 输电技术
HVDC transmission
HVDC
High Voltage Direct Current Transmission
主要参考书

李兴源．高压直流输电系统的运行与控制．北京：科 学出版社，1998．
浙江大学发电教研组直流输电科研组．直流输电．北 京：水利电力出版社，1985． 徐政．交直流电力系统动态行为分析．北京：机械工 业出版社，2004．
晶闸管阀换流时期

1970年，瑞典首先在果特兰岛直流工程上扩建了直流电压 50kV，功率10MW，采用晶闸管换流阀的试验工程。

1972年，世界上第一个全部采用晶闸管换流的伊尔河背靠
背直流工程在加拿大投入运行。
由于晶闸管换流阀比汞弧阀有明显优点，此后新建的直流 工程均采用晶闸管换流阀。20世纪70年代以后汞弧阀被淘 汰，开始了晶闸管换流时期。
HVDC工程座数和输电容量
年份
1975 1996 2003
工程数/ 工程增 个 长率/%
11（汞弧阀） 56 76 1 5.1
输电容 输电容 量/GW 量增长率 /%
5 54.166 1
10.833≈11
已投产的HVDC工程数目：76个（截止于2003年） 其中，晶闸管阀工程65个，汞弧阀工程11个； 背靠背工程26个（截止2000年），约占全部工 程的1/3。
以 HVDC首次投入商业运行为标志。 主要特征： 1）HVDC完全进入实用化阶段； 2）HVDC的用途扩大； 3）换流设备仍是汞弧阀，但是参数和质 量大大提高。 工程投产速度：1个/2年
HVDC的发展阶段及其特点 第三阶段（1970年-）-大力发展阶段
以 HVDC首次全部采用晶闸管元件为标志。 主要特征： 1） 换流设备几乎都采用晶闸管； 2）几乎所有工程都是超高压工程； 3）单回线输电能力增强； 4）发展速度非常快，规模越来越大。 工程投产速度：2个/年
宜昌宋家坝
上海市奉贤县南桥
3、天生桥—广州直流输电工程
天生桥 马窝换流站 980km ±500kV,1800MW, 1.8kA 广州 北郊换流站
制造商： 单极投运时间： 双极投运时间：
Siemens公司 2000.12 2001.6
主要特点：世界第一个远距离架空线路上采用 有源滤波器
天广交直流并联输电系统
我国直流输电发展
1958，我国开始研究HVDC； 1963，电力科学研究院建成国内第一个晶闸
管阀模拟装置（5A）； 1977年，在上海，将一条报废的交流电缆线 路改造成为31kV的HVDC试验线路，供研究使 用。
1 ） 1958 ，我国开始研究 HVDC—— 跨越了汞弧 阀换流时期； 2 ） 1963 ，电力科学研究院建成国内第一个晶 闸管阀模拟装置；（5A）。 ——开始了对直流输电技术及控制保护系统的 研究； 3） 1974年在西安高压电器研究所建成 8.5kV、 200A、1.7MW的背靠背换流试验站。 ——对一次设备和二次设备，及控制保护特性、 故障类型进行考核试验；
2、葛洲坝—南桥直流输电工程
±500kV,1200MW, 1.2kA 葛洲坝 1045km 南桥
制造商：葛洲坝-BBC公司；南桥-Siemens公司 单极投运时间： 1989.9 双极投运时间： 1990.8 引进签约时间： 1984.12 主要特点：我国第一个跨大区、跨系统、超高压、 大容量、远距离工程
4）1977年在上海利用杨树浦发电厂到九龙变 电所之间的23kV交流报废电缆，建成了31kV、 150A、4.65MW的直流输电实验工程，全长 8.6km。 ——对换流站产生的谐波和无线电干扰进行 了实测和分析； 5）以上工作为舟山直流输电工程的设计、调 试和运行积累经验，进行技术准备。 6）1987，舟山－宁波直流输电线路建成，并 在89年运行。
1.1 直流输电发展
对电的认识和电科学的发展源于直流。
人类近代的技术革命
第一次技术革命（始于18世纪下半叶） 基 础：牛顿力学 主要标志：蒸汽机 应 用：机器制造、采矿、铁路、冶金、纺织 第二次技术革命（始于19世纪下半叶） 基 础：电磁学原理、电路原理、化工原理、力学等
主要标志：电力、钢铁、化工；汽车、飞机、通讯 应 用：电气工程、电子信息、通信、自动 控制 化工、钢铁等领域

于整流，也解决了逆变问题，它的问世使直流输电成为现 1954年 世界第一个工业性直流工程——果特兰岛直流工

程在瑞典投入运行。

1977年
最后一个采用汞弧阀换流的直流工程投入运行。
这个时期被称为汞弧换流时期。
果特兰岛 直流工程

从 1954年世界上第一个工业性直流输电工程（哥特
兰岛直流工程）在瑞典投入运行以后，到1977年最

直流输电发展
对电的认识和电科学的发展源于直流。

1954年以前——试验性阶段
特点：
（1）直流输电工采用低参数的汞弧阀。
（3）发展速度较慢。
代表性工程

1945 年，德国爱 尔巴 - 柏 林：±220kV ， 60MW ，
115km（电缆），采用汞弧阀。 1945 年 ， 瑞 典 脱 罗 里 赫 坦 - 密 里 路 特 ： ±45kV ， 6.5MW，50km（架空线），采用汞弧阀。 1950年，原苏联卡希拉 -莫斯科：±220kV， 30MW， 112km （电缆），采用汞弧阀（现已改为晶闸管 阀）。
我国直流输电工程建设：
• 宁波－舟山群岛（100 kV，50 MW，1988年投运） • 葛洲坝－上海（ 500 kV，1200 MW，1989年投运） • 上海－嵊泗群岛（ ±50kV，60MW，2002年投运） • 天生桥－广州（ 500 kV，1800 MW，2001年双极投运）
• 三峡左岸－常州（ 500 kV，3000 MW，2003年投运）
HVDC标志性事件
1、舟山直流输电工程
宁波 大碶镇
-100kV，50MW，0.5kA
舟山群岛 鳌头浦
54km(架空线：42km，海底电缆：12km)
制造商： 中国西电公司 试运行时间： 1987.12.8 正式鉴定时间： 1989.9.1
主要特点： 1、我国第一个试点工程舟山直流输电试验工程； 2、完全由我国自行完成
4、嵊泗直流输电工程（shengsi）
±50kV,60MW, 0.6kA 芦潮港换流站 66.2km
嵊泗换流站
制造商：西电和许继电气 投运时间：2002年 主要特点：我国自行设计和建造的双极海底电缆 直流工程
5、三峡—常州直流输电工程
代表性工程

1954年，瑞典大陆 -果特兰岛工程： 100kV，20MW，
96km（水下电缆），采用汞弧阀。

1965年，日本的佐久间工程：把50Hz 和60Hz 的两
个不同频率的交流系统连接起来。 1970 年 ， 美 国 太 平 洋 联 络 线 工 程 ： ±400kV ， 1440MW，1362km（架空线）。
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，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 1440MW
（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）。
汞弧阀制造技术复杂、价格昂贵、 逆弧故障率高，可靠性较低、运行维护不便， 使直流输电的发展受到限制。

2000年，在瑞典、澳大利亚、爱沙尼亚和芬兰等地已有 5个
轻型直流输电工程投入运行。 IGBT 单个元件的功率小、损耗大，不利于大型直流输电工 程采用。近期研制成功的集成门极换相晶闸管（ IGCT）和
大功率碳化硅元件有很好的应用前景。
HVDC标志性事件
1. 1882年，德国，HVDC首次成功试验
送端 受端 技术指标
2kV,1.5kW， 57km电报线 米期巴赫煤矿 慕尼黑国际展览 (Miesbach ) 会(Munich )
特点:
① 第一个电力系统； ② 线路损耗：78%； ③ 从此进入试验性阶段
HVDC标志性事件
2. 1954年，瑞典，HVDC首次投入商业运行
送端
瑞典大陆
受端
果特兰岛
技术指标
• 三峡－广东（ 500 kV，3000 MW，2004年投运） • 贵州－广东（ 500 kV，3000 MW，2004年投运）
• 灵宝背靠背（西北－华中联网工程，2005年投运）
• 三峡－上海（ 500 kV，3000 MW，2007年投运） • 贵州－广东二回（ 500 kV，3000 MW，2007年投运）
第三次技术革命（始于20世纪中叶）
基 础：电子技术、信息理论、系统理论、控制理论
主要标志：新能源利用、电子管、半导体、集成 电路、新技术的广泛应用
应 用：电气工程、电子信息、通信、自动控制、 计算机技术、家用电器、医疗设备、化工 等领域。

1831年，法拉第发现电磁感应原理，奠定了发电 机的理论基础。科学的发现，引起了技术的发明。
晶闸管换流阀特点:


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。
新型半导体换流设备的应用

1997年3月，世界上第一个采用绝缘栅双极晶闸管（ IGBT ） 组成电压源换流器的直流输电工业性试验工程在瑞典中部投 入运行，其输送功率和电压为 3MW 、 10kV ，输送距离为 10km。



1954年~1972年——发展阶段
特点： （1）直流输电设备的制造技术、施工质量、运行水
平有了很大的提高，直流输电进入了工业实用阶段。