高压直流输电及其发展趋势

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第二章 HVDC发展现状及发展趋势
目前HVDC所存在的问题
（1）换流器较贵；换流器在运行中需要较多 的无功功率，并要装设滤波装置；换流器过载 的能力较小。
（2）目前尚无适用的直流高压断路器，对发 展多端电网有一定影响。
（3）以大地作为回流电路时，会引起沿途金 属构件和管线的腐蚀。
面积就愈小，这可大大节省输电导线所用的材
料。
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第一章 高压直流输电概论
从减少输电线路上的电功率损耗和 节省输电导线所用材料两个方面来说， 远距离输送电能要采用高电压或超高电 压。
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第一章 高压直流输电概论
1.3 HVDC系统主要构成 直流输电系统由换流(逆变) 站、接地
网换相换流器有本质的区别，被认为是未来直流输电中电 网换相换流器的理想替代者。ABB公司率先进行了基于 VSC的直流输电实验，并将这一技术称为轻型高压直流 （HVDC Light）输电。该项技术已经被美国和澳大利亚电 网公司应用于电网互联。
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第二章 HVDC的现状和新发展
3、高压交流（HVAC）到HVDC线路的转换
可写成
P耗 3

P 3U cos
2

L S

C
1 U 2S
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第一章 高压直流输电概论
式中
C

P 2
cos2
L

。在输送的电功率、输电距离、
输电导线材料及负载功率因数都一定的情况下，
C为一常数。
由上式可以看出，输电线截面积S一定时， 输电电压U愈高，损耗的电功率P耗就愈小；如 果允许损耗的电功率P耗一定时（一般不得超过 输送功率的10％），电压愈高，输电导线的截
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第二章 HVDC的现状和新发展
新发展
1、传统CCC的发展
近年来，随着连续可调交流滤波器（Continuously Tunable AC Filter)、有源交流滤波器（Active AC Filter)等技术的发展，晶阀管控 制串联电容器（Thyristor Controlled Series Capacitor,TCSC)技术的成 熟，传统的串联电容器换流器CCC（Capacitor Commutated Converter) 重新成为一个研究、开发热点，并发展了一种新的换流器－－CSCC （Controlled Series Capacitor Converter)。这种换流器的基本思想是在 换流变压器的二次侧串联连接的电容器来补偿换流器的无功功率消耗。
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第一章 高压直流输电概论
尽管如此，世界上有许多科学家和工程技术人员根
据直流输电和交流输电各自的特点，特别是交流远距离 输电会受到同步运行稳定性的限制，预见到继续发展直 流输电的必要性，并陆续地建设了一些试验性工程。其 间曾采用气吹电弧整流器，闸流器和引燃管作为交直流 变换的换流设备。直到高电压大容量的可控汞弧整流器 的研制成功，才为高压直流输电的发展创造了必要的条 件。20世纪50年代以后，电力的需求增长得更快，电力 系统的规模发展得更快，交流输电的局限性在生产实践 中也表现得更为明显，于是直流输电技术又重新为人们
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第 一章 高压直流输电概论
现在架空线路的交 直流输电等价距离 为：500－600KM； 海底电缆的交直流 输电等价距离为： 50KM。
图2 高压交、直流输电费用
与线路长度的关系图
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1.6 高压直流输电的应用
电力系统联网。直流联网有如下优点
（1）直流联网为非同步联网
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1.5 高压直流输电相对于交流输电的特 点
（4）高压直流输电线路经济。因单、双极直 流输电分别只需一、二根导线(相当于一、二回 交流线路) ,故直流输电线路所需线路走廊宽度 小,线材、金具、塔材都少,塔轻使塔基工程量 也小。输电距离较远时,直流线路节省的费用将 大于直流换流设备多花的费用,线路越长,节省 越多。因而高压直流输电特别适用于长距离大 容量输电。
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第 一章 高压直流输电概论
1.6 高压直流输电的应用
根据直流输电系统的特点，HVDC系统应用 主要在以下几个方面：
远距离大容量输电。直流输电线路的造价和 运行费用均比交流输电低，而换流站的造价和 运行费用比交流变电所的高。因此，对同样的 输送容量，输送距离越远，直流比交流的经济 性能越好。详细比较见图2所示。
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第三章 高压直流输电在我国发展前景
3.1 高压直流输电在我国的发展 现况
极、接地极线路和直流送电线路构成。换 流站是用于联接交流侧和直流侧的装置,也 就是供交流电与直流电间进行变换的换流 装置。详见图1所示。
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第一章 高压直流输电概论
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第一章 高压直流输电概论
换流装置由换流变压器、换流器、控 制极触发装置、控制保护装置及其它辅助 装置等构成。
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第二章 HVDC发展现状及发展趋势
2.1 HVDC现状和新发展
现状
自1954 年瑞典哥特兰的世界上第一项高压 直流输电工程投运以来,高压直流输电技术已随 着电力电子技术的突飞猛进而飞速发展,它在长 距离输电、电网互联等方面有独特优点,已作为 高压交流输电技术的有力补充而在全世界广泛 应用,目前其工程约90 个。
针对欧洲同步电网（UCTE）面临潜在扩大的压力，以 及随着我国和印度的负荷需求的不断增大，这些地区装机， 输电的容量均需要进一步提高。众所周知，电网互联能够 带来巨大的技术和经济上的效益，但由于同步互联电网固 有的局限性，同步时直流输电技术也会对系统稳定和电压 崩溃的抑制效果等方面产生不良影响，如可能造成雪崩式 大面积停电，这些观点的论述则导致减少同步电网的规模。 然而，对于交直流的混合系统，并不存在对电网规模的限 制，专家推荐采用HVDC技术解决远距离、大功率输电问 题，同时采用FACTS技术控制交流系统的潮流和电压。
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第一章 高压直流输电概论
1.2 为何高压输电？
从发电站发出的电能，一般都要通过输电
线路送到各个用电地方。根据输送电能距离的
远近，采用不同的高电压输电。从我国现在的
电力情况来看，送电距离在200～300KM时采用
220KV的电压输电；在100KM左右时采用
110KV；50KM左右采用35KV；在15KM～
与此同时，随着生产的发展和电能需求的不断增长，
在十九世纪八十和九十年代，人们逐步掌握了多相交流 电路的原理，创造了交流发电机、变压器和感应电动机。 因为交流电的发电、变压、输送、分配和使用都很方便， 而且经济、安全和可靠。因此，交流电就几乎完全代替
了直流电，并发展成今日规模巨大的电力系统。
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直流线路与交流线路一样,由导线、地 线、绝缘子、金具、杆塔、基础和接地装 置等组成。地线、基础、接地装置的设计 与交流一样。
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第一章 高压直流输电概论
1.4 直流送电系统运行方式
<一> 两端直流输电系统
（1）单极系统，大地、金属线（或海水）作为回线，常 用作故障切换运行方式；
（2）双级系统，常用的接线方式；
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第一章 高压直流输电概论
此后，直流输电的电压、功率和距离分别达到125 千伏，20兆瓦和225公里。但由于当时是采用直流发电机 串联组成高压直流电源，受端电动机也是串联方式运行 的。不但高电压大容量直流电机的换向有困难，而且串 联的运行方式比较复杂，可靠性差，因此直流输电在当 时没有得到进一步的发展。
P耗 3I 2 R
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第一章 高压直流输电概论
式中的R为每一条输电线的电阻，I为输电线中的 电流。如果要输送的电功率为P，输电线路的线电压为 U，每相负载的功率因数为则输电电流还可表示为
I p
3U cos
假设送电距离为L，所用输电线的电阻率为ρ，其
截面积为S，则R＝ρ（L／S）。于是，损耗的电功率
在世界的许多国家，要获得批准建设一条 新的架空输电线路变得越来越困难，电网的运 营商必须不断提高现有输电线路的输送能力。 将现有的交流输电线路转变成直流输电线路将 为电网提供一条新的发展途径。同样的输电线 路可以提高31%－175%的输电能力。
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第二章 HVDC的现状和新发展
4 电网互联技术
主要内容
第一章 高压直流输电概论 第二章 高压直流输电现状及发展趋势 第三章 高压直流输电在我国的发展及前 景 第四章 结束语
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第一章 高压直流输电概论
1.1 直流与交流输电交替历史
人们对电力的应用和认识以及电力科学的发展都 是首先从直流电开始的。19世纪初期发展起来的信号传 输--------电报，虽然传输的电流是很微弱的，但是人们 从此得到启发，并引用于电力传输。法国物理学家德普 勒提出：如果输电电压选择的足够高，即使沿着电报线 路也可能输送较大的功率到较远的距离。他并于1882年， 用装设在米斯巴赫煤矿中的直流发电机，以1500~2000 伏电压，沿着57公里的电报线路，把电力送到在慕里黑 举办的国际展览会，完成了第一次输电试验，也是有史 以来的第一次直流输电试验。
20KM时采用10KV，有的则用6600V。输电电
压在110KV以上的线路，称为超高压输电线路。
在远距离送电时，我国还有500KV和750KV的
超高压输电线路。
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第一章 高压直流输电概论
为什么要采用高压输电呢？这要从输电线 路上损耗的电功率谈起，当电流通过导线时， 就会有一部分电能变为热能而损耗掉了。我国 目前普遍采用的三相三线制交流输电线路上损 耗的电功率为：
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1.5 高压直流输电相对于交流输电的特 点
（2）高压直流输电只传送有功功率。 故不会增大所联交流电网的短路容量,即 不增大断路器遮断容量,且直流电缆无充 电电流,可长距离送电。
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1.5 高压直流输电相对于交流输电的特点
（3）高压直流输电的传送功率(包括大小 和方向)快速可控。故可方便而精确地严格按 计划实时控制所联交流电网间的交换功率,且 不受两端交流电网运行工况的影响,特别适合 于所联两电网间按协议送电。还可通过快速准 确地控制直流功率来有效提高所联交流电网或 所并联交流线路的稳定性。
所重视。
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第一章 高压直流输电概论
1954年，瑞典在本土和果特兰岛之间建立 一条海底电缆直流输电线，是世界上第一条 工业性的高压直流输电线，此后，许多国家 也积极地开展了高压直流输电的研发和建设 工作。六十年代可控硅整流元件的出现，为 换流设备的制造开辟了新的途径，高压直流 输电也出现了新的前景。
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第二章 HVDC的现状和新发展
2、基于电压源换流器的新型高压直流（VSCHVDC）输电系统
传统直流输电以半控型功率器件为基础，电流不能自 关断，CCC/CSCC采用附加接线实现强迫关断，是对传统 直流输电的改进。但是CCC/CSCC和传统的直流输电一样， 仍然采用触发相位控制，只能工作于有源逆变方式，与电
（2）被联网间交换的功率，可以用直流输电的控制系统Fra Baidu bibliotek进行快捷、方便地控制，而不受被联电网运行条件的影响。
（3）联网后不增加被联电网的短路容量，不需要考虑短 路容量的增加，相应增加断路器的遮短容量以及电缆采用限 流等问题。
（4）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，减少互联电网的相互影响，提高电网运行的 稳定性，降低大电网大面积停电的概率。
（3）背靠背系统，无中间的输电线路，常用作不同电网 的互联。
<二> 多端直流输电系统，由三个或三个以上换流站连接
换流站之间的高压直流输电系统，因技术原因，暂
时还没有被广泛应用。
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第 一章 高压直流输电概论
1.5 高压直流输电相对于交流输电的特点
（1）高压直流输电与其相联的两个交流系统的频 率和相位无关。据此可通过直流输电环节连接两 独立交流系统,既能获取减小热备用容量等联网效 益,又可各自保持有功及无功功率平衡等电网管理 的独立性。另外,一电网短路可因直流环节的隔离 作用而不直接株连另一电网,从而避免全系统大面 积停电。故高压直流输电很适于电网间的互联。