特高压直流输电工程一次系统设计 ppt课件
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特点和作用:换流变压器
大型直流输电系统的换流变压器通常采用单相双绕组结 构。
隔离交、直流系统,避免直流电压进入交流系统。 提供换流阀所需的可控交流电压。 限制故障时的短路电流和控制换向期间阀电流的上升。 用于提供相差30度电气角的两个阀桥电源,减少低次谐 波尤其是5次及7次谐波。
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继电器小室: 交流保护/ 交流场滤波器场测控及保护/
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交流场:
开关刀闸/母线/交流进线/避雷器
换流变压器/
交流滤波器/阻波器/
电压电流测量/
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3. 各设备的特点和作用
换流阀
换流阀是换流站中的主要设备,它的作用是把 交流电力变成直流电力,或者实现逆变换。
早期直流工程多采用汞弧阀,随着电力电子工 业的发展,晶闸管阀逐步取代了汞弧阀。根据触 发方式不同,晶闸管阀又可分为电触发晶闸管换 流阀和光触发晶闸管换流阀。
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1.2 直流基本原理和主要部件构成 1)直流输电工程系统构成
直流输电工程的系统结构可分为两端(或端对端)直流输电系统和 多端直流输电系统两大类。
两端直流输电系统是只有一个整流站(送端)和一个逆变站(受端) 的直流输电系统,即只有一个送端和一个受端,它与交流系统只有 两个连接端口,是结构最简单的直流输电系统。
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1.3 直流应用和工程类型
1.3.1 直流输电应用
直流输电的应用场合可分为以下两大类型。
1)采用交流输电在技术上有困难或不可能,而只能采用直流输电的场合, 如不同频率(如50Hz、60Hz)电网之间的联网或向不同频率的电网送电;因 稳定问题采用交流输电难以实现;远距离电缆送电,采用交流电缆因电容 电流太大而无法实现等。 2)在技术上采用两种输电方式均能实现,但采用直流输电比交流输电的 技术经济性好。对于这种情况则需要对工程的输电方案进行比较和论证, 最后根据比较的结果选择术经济性能优越的方案。
(b)被联电网间交换的功率,可以用直流输电的控制系统进行快速、 方便地控制,而受被联电网运行条件的影响,便于经营和管理。采 用交流联网,则联络线上的功率受两电网运行情况的影响而很难进 行控制。
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(c)联网后不增加被联电网的短路容量,不需要考虑因 短路容量的增加、断路器因遮断容量不够而需要更换、 以及电缆需要采用限流措施等问题。
器的桥阀按照正确的顺序换相。在逆变器的桥阀顺序 导通的时候,把直流电流送入逆变器所连接的交流系 统三相中; 要有足够大的超前关断角,以保证换流阀的可靠触发。
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逆变器阀电压和直流电压
p通常由偶数个桥串联组成,每2个桥组成1 个双桥。每个双桥中的2个桥分别由相位相差30度的2 组交流电源供电。2 组交流电源可以由接线为 Y/Y,Y/delta的2组换流变压器得到。由于两者交流相 位相差30度,得到的直流电压是12脉动的。
多端直流输电系统与交流系统有三个或三个以上的连接端口,它有 三个或三个以上的换流站。
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2)换流站基本换流单元
直流输电换流站由基本换流单元组成,基本换流单元是在 换流站内允许独立运行,进行换流的换流系统,主要包括换 流变压器、换流器、相应的交流滤波器和直流滤波器以及控 制保护装置等。
目前工程上所采用的基本换流单元有6脉动换流单元和12脉 动换流单元两种。
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4)现有交流输电线路的增容改造
一些地区高压架空线路走廊的选择越来越困难。直流输电的输电密 度比交流输电高,改建现有交流输电线路为直流输电线路是利用已 有的线路走廊,提高输电能力值得考虑的办法。
5)轻型直流输电(HVDC Light)
轻型直流输电是20世纪90年代开始发展的一种新型直流输电工程。 它采用脉宽调制(PWM)技术,应用绝缘栅双极晶体管(1GBT)组成的 电压源换流器进行换流。由于这种换流器的功能强、体积小,可减 少换流站的设备、简化换流站的结构,从而称之为轻型直流输电。
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3)直流电缆送电
直流电缆没有电容电流,输送容量不受距离的限制,而交 流电缆由于电容电流很大,其输送距离将受到限制。交流 电缆每相的电容电流可用下式表示
ICUn2fC0l
(1—1)
其临界距离可用下式表示
lcr
IP Un 2πfC0
(km) (1—2)
由上式可知,交流电缆的临界输送距离与其所允许的负荷 电流成正比,而与其额定电压和单位长度的电容成反比, 其额定电压越高,单位长度的电容越大,则临界距离越短。
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2)远距离大容量直流输电同时又具有联网性质
当电力系统的大型电站需要向其他电网远离电站的负荷中心 送电时,可以利用直流输电在远距离输电和联网方面的优点, 选择这种类型的输电方式。中国三峡电站向华东和广东送电, 均属于这种类型,它既解决了三峡向华东和广东的送电问题, 又实现了华中与华东和华中与华南电网的联网问题,在全国 联网中起了重要的作用。
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目前直流输电的应用主要在以下几个方面。
(1)远距离大容量输电直流输电线路的造价和运行费用均交 流输电低,而换流站的造价和运行用均比交流变电所的高。
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(2)电力系统联网
(a)直流联网为非同步联网,这与采用交流的同步联网有本质的不 同。非同步联网的被联电网可用各自的频率非同步独立运行,可保 持各个电网自己的电能质量(如频率、电压)而不受联网的影响。 采用交流的同步联网,必须在同一频率下同步运行。
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特点和作用:直流PLC及RI滤波器
换流阀在开通过程中会产生高频干扰,为了 限制直流系统的无线电干扰(0.5MHz-20MHz) 以 及 对 电 力 载 波 和 通 信 明 线 的 干 扰 ( 30kHz - 500kHz),在换流站内装设了PLC和RI滤波器。
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特点和作用:测量装置
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特点和作用:换流变压器
由于换流变的作用和运行条件与一般电力变压器不同, 因此它在绝缘结构、短路阻抗、直流偏磁、噪音和试 验等方面有其与电力变压器不同的特点:
适当的短路电抗(15%-18%)。 足够的直流偏磁电流耐受能力。 足够的交、直流混合电压耐受能力。 足够的谐波耐受能力。
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特点和作用:交流滤波器
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(2)晶闸管阀换流时期
1970年瑞典首先在哥特兰岛直流工程上扩建了直流电 压为50kv,功率为10MW,采用晶闸管换流阀的试验工程。
1972年世界上第一个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 弧阀有明显的优点,此后新建的直流工程均采用晶闸管 换流阀。与此同时,原来采用汞弧阀的直流工程也逐步 被晶闸管阀所替代。
特高压直流输电工程 一次系统设计
2012.11
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1. 直流输电技术
1.1 世界直流技术发展过程
(1)汞弧阀换流时期
世界上共有12项采用汞弧阀换流的直流工程投入运行。 其中最大输送容量和最长输送距离的为美国太平洋联络 线(1440MW、1362km),最高输电电压的为加拿大纳尔 逊河I期工程(±450kV)。这一时期可称为汞弧阀换流时 期。
晶闸管阀有空气绝缘和油绝缘两种,空气绝缘 占主导地位。空气绝缘阀有风冷、循环油冷和水 冷等冷却方式,其中以水冷的效果最好。
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直流输电设备:晶闸管换流阀
TCU TCU
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TCU TCU
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触发角=18度
可控硅的特性
触发角=108度
触发角=162度
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直流输电设备:换流变
在直流电流中,仅含有12k±1次的特征谐波。
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直流系统接线:整流侧+逆变 侧
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3 直流输电设备
直流场: 直流开关刀闸/母线/ 平波电抗/直流滤波器/ 直流电压电流测量/ 直流出线/
阀厅: 换流阀/刀闸
控制室: 直流极控阀控系统/ SCADA系统/ 空调/消防/站用电/ 阀内水冷系统/
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2. 直流输电的工作原理
主要由换流站(整流站和逆变站)、直流线路、交流 侧和直流侧的电力滤波器、无功补偿装置、换流变压 器、直流电抗器以及保护、控制装置等构成(见图直 流输电系统的基本构成)。 其中换流站是直流输电系统的核心,它完成交流和直 流之间的变换。
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2. 直流输电的工作原理
中性线直流电流的测量采用零磁通电流测量装置。 处于高电位的电流测量采用光电式电流互感器:
▪直流极线电流测量,采用分流器或分流器+罗可夫
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1954—2000年,世界上已投入运行的直流输电工程有63项, 其中架空线路17项,电缆线路8项,架空线和电缆混合线 路12项,背靠背直流工程26项。
(3)新型半导体换流设备的应用
20世纪90年代以后,新型氧化物半导体器件一绝缘栅双极 晶体管(IGBT)首先在工业驱动装置上得到广泛的应用。
(d)可以方便地利用直流输电的快速控制来改善交流 电网的运行性能,减少故障时两电网的相互影响,提 高电网运行的稳定性,降低大电网大面积停电的概率, 提高大电网运行的可靠性。
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目前在工程中所采用的直流联网有以下两种类型:
1)背靠背直流联网 其特点是整流和逆变放在一个背靠背换流站内;无直流输 电线路;可选择低的直流电压和较小的平波电抗值;可省 去直流滤波器,从而降低了换流站的造价。另外,它还可 以比远距离直流输电更为方便地调节换流站的无功功率, 来改善被联电网的电压稳定性。对于电力系统之间的弱联 系,采用背靠背联网更为有利。
滤除换流器产生的谐波,将流入交流系统的 谐波电波限制在允许范围以内。 为换流站提供无功补偿。
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直流输电设备:交直流滤波器
交流滤波器: 滤波/无功补偿
滤波器总电流
并联谐振支路电压
电阻支路电流
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滤波器母线电压 39
特点和作用:交流滤波器
C1
L1
R1
C2
L2
F1
F2
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通过改变触发延迟角,整流侧可以实现对直流电压的 控制。
换流器的实质是6个可控的电子开关,在触发脉冲的控 制下轮流将直流侧接到三相交流电源的某两相上,从 而将交流变成直流。
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直流电压波形
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换流器功率因数角
换流器总是存在滞后的功率因数,因此在工作过程中 要消耗大量的无功。
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单桥等值电路:
为了保证正常触发,触发角不能太小,但触发角太大 将增加换流器的无功损耗。通常触发角为12.5~17.5度。
VdVd0cos32Ecos
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逆变器的工作原理
换流器作为逆变器运行必须满足以下3个条件: 整流器空载电压大于逆变器空载电压,且两者方向相
反; 逆变器也必须由交流系统提供换相电流,以实现逆变
特点和作用:交流滤波器
C1
C2
R1
F1
L1
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特点和作用:直流滤波器及中性母线电容器
直流滤波器通过减小直流侧谐波,降低直流 线路对通信的干扰。 直流滤波器可采用双调谐、三调谐滤波器, 调谐频率一般为12/24/36。 中性母线电容器与变压器的杂散电容构成回 路,限制中性母线上3倍频的谐波分量。
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特点和作用:平波电抗器
采用干式或油浸式平波电抗器(270mH):
限 制 直 流 电 流 的 突 变 , 减 小 换 相 失 败 的 可 能 性 。 当直流线路故障时,在整流侧调节器作用的配 合下,限制短路电流的峰值。同时还可限制线路 和装在线路端的设备的并联电容通过逆变器放电 的电流。 减小直流线路中电压和电流的谐波分量。 防止换流阀的雷电过电压。 避免直流侧谐振。
整流器的工作原理
▪ 滞后角(触发角) ▪ 整流器电压
逆变器工作原理
▪ 换相过程(换相角)和熄弧角 ▪ 逆变器电压
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换流器工作原理
单6脉动桥等值电路
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交流电压
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6脉动桥导通及换相过程
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触发延迟角:如果在阀上施加触发脉冲的时刻比自然 换相点C1延迟一个相位角,那么这个相位角就是触发 延迟角。