高压直流输电
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高压直流输电
HVDC
HVDC的主要元件和基本原理
一、主要元件
换流站I
平波电抗器
换流站II 换 流 变压器 Vd II
交流系 统II
交流母线 换 流 变压器 Vd I 交流 系统 I 断路器
直 流 滤波器
交流母线
直流线路 无功补 偿设备 交 流 滤波器 桥I
桥II
交 流 滤波器
无功补 偿设备
图1.1 HVDC原理图
无源滤波器: 单调谐滤波器 双调谐滤波器 高通滤波器
无功补偿设备（Reactive Power Campensitor）
作用:
提供换流器所需要的无功功率，减小换流器与系统 的无功交换。
换流器吸收无功功率： 30~50%Pd (整流器)
40~60%Pd (逆变器)
种类:
无源类： 电容器 有源类： （同步）调相机，SVC
(4)
二、HVDC的基本原理 描述整流器工作方式的几个角度：
=触发延迟角 =熄弧延迟角=
=叠弧角（换相角）
+
描述逆变器工作方式的几个角度：
=触发超前角= -
=熄弧超前角= -
=叠弧角=
-
=
-
二、HVDC的基本原理
换流方程
整流侧
Vd 3 2
Vl cos( )
谐波及滤波器
直流输电系统中，由于换流器的非线性特性，在 交流系统和直流系统中将出现谐波电压和电流。而 交直流系统间的谐波相互渗透、相互影响，使得谐 波问题的研究变得异常复杂 在一些理想化的假设条件下，换流站网侧的三相电 流和直流侧电压中的谐波，其次数和特性比较规律， 它们统称为特征谐波 对于一个换流桥来说，在交流侧产生pn±1(p为脉 波数，n为正整数)次特征谐波，而在直流侧产生 pn次特征谐波。
T valve 1~2
晶闸管（串）并联
T
均流
T
R 主电路
晶闸管（ Thyristor ）
特点： o 可控导通 o 单向导电 导通的充要条件： • 正向电压>0 • 控制电流脉冲
K
G
A
可靠关断的充要条件： • 正向电流<0 • 正向电压<0， 且持续一段时间
T thyristor 1~2
R 串联
谐波及滤波器
各种各样的不对称，如不等间隔的触发脉冲、母线 电压不对称和相间换相电抗的不对称，将产生额外 的谐波，即“非特征谐波”
目前抑制谐波最广泛采用的方法是装设滤波器。近年来，
随着电力电子技术的发展，出现了新型谐波补偿装置— —有源电力滤波器。这种滤波器即使在谐波频率迅速变 化时，也能产生相应的补偿电流，并可根据需要对无功 功率进行动态补偿。这是一种非常理想、很有前途的补
故障
换相失败：在换相电压反向（具有足够的去 游离裕度）之前未能完成换相的故障 换相失败不是由于阀的误操作引起的，而是 外部条件引起的。换相失败对于逆变器来说 更为普遍，往往在大直流电流低交流电压等 扰动时发生。仅当触发电路故障时，整流器 才会发生换相失败
3
X c Id
逆变侧
Vd 3 2
Vl cos( )
3
X c Id
HVDC系统的控制
一、直流系统的控制要求具有下列基本功能：
1、减小由于交流系统电压的变化而引起的直流电流波动。 2、限制最大直流电流，防止换流器受到过载损害；限制 最小直流电流，避免电流间断而引起过电压。 3、尽量减小逆变器发生换相失败的概率。 4、适当地减小换流器所损耗的无功功率。 1.5 、正常运行时，直流电压保持在额定值水平，使得当 输送给定功率时线路的功率损耗适当。 二、基本控制方式 整流器采用定电流控制和α 限制控制 逆变器采用恒定熄弧角（CEA）控制和电流控制
作用:
减小注入直流系统的谐波
减小换相失败的几率
防止轻载时直流电流间断 限制直流短路电流峰值 0.27~1.5H (架空线) 12~200mH (电缆线)
参数:
T Xd
R 主电路
滤波器（Filter）
减小注入交、直流系统源自文库波的设备
种类:
交流滤波器， 直流滤波器
R 主电路
有源、无源滤波器
正 极 M 共阴极 V3 V5 桥臂/ 阀臂/ 阀
上半桥/
共阴极半桥
V1 A
B C
下半桥/ 共阳极半桥 V4 V6 V2 桥交流端
N
负 极
共阳极
图1.2 三相全波桥式换流电路原理图
单桥
Graetz桥
M
M 晶闸管
T thyristor
电压：5.5~9kV 电流：1.2~3.5kA
A
A
• 桥臂组成方式： 晶闸管串联 • 桥臂特点： 均压
R 主电路
直流线路（DC Line）
种类:
架空线路 电缆线路
T Line
交流断路器（Breaker）
使HVDC完全退出运行
R 主电路
二、HVDC的基本原理
从交流系统Ⅰ向交流系统Ⅱ输电时，换流 站Ⅰ把交流系统Ⅰ送来的三相交流功率变换成直 流功率。通过直流输电线路把直流功率输送到换 流站Ⅱ，再由换流站Ⅱ将直流功率转换成交流功 率，送入交流系统Ⅱ 。这个过程称作HVDC。 此时换流站Ⅰ为整流站，换流站Ⅱ为逆变站。
R 主电路
Id计算公式：
Id U d U d Rd (1)
整流站输送功率：
Pd U d I d
逆变站接受的功率：
(2)
(3)
R 主电路
P d U d I d
直流线损：
P Pd Pd (Ud Ud ) Id I2d R d
换流变压器(Converter Transformer)
向换流器提供适当等级的不接地三相电压源设备
作用:
使HVDC系统建立自己的对地参考点 减小注入系统的谐波 Y0/Y, Y0/△， Y0/Y/△
R 主电路
特点:
接线方式： 噪声大
短路电抗大： 15~20%
T T
平波电抗器（Smoothing Reactor）
偿装置。
交直流系统的相互作用
短路比与有效短路比
交流系统短路容量（ MVA） SCR 直流换流器额定功率（ MW） 交流系统短路容量（ MVA） 容性无功补偿（ MVAr) ESCR 直流换流器额定功率（ MW）
无功问题
Id 3 cos cos Xc Vd 0
与低有效短路比系统有关的问题
T 基本原理
T T
T Xd
T F
T Qc
T L
T DL
HVDC的主要元件
换流器（converter）
将交流电转换成直流电,或者将直流电转换成交流 电的设备。 其中， 整流器（Rectifier）------将交流电转换成直流电 的换流器。
逆变器（Inverter）------将直流电转换成交流电的 换流器。
HVDC
HVDC的主要元件和基本原理
一、主要元件
换流站I
平波电抗器
换流站II 换 流 变压器 Vd II
交流系 统II
交流母线 换 流 变压器 Vd I 交流 系统 I 断路器
直 流 滤波器
交流母线
直流线路 无功补 偿设备 交 流 滤波器 桥I
桥II
交 流 滤波器
无功补 偿设备
图1.1 HVDC原理图
无源滤波器: 单调谐滤波器 双调谐滤波器 高通滤波器
无功补偿设备（Reactive Power Campensitor）
作用:
提供换流器所需要的无功功率，减小换流器与系统 的无功交换。
换流器吸收无功功率： 30~50%Pd (整流器)
40~60%Pd (逆变器)
种类:
无源类： 电容器 有源类： （同步）调相机，SVC
(4)
二、HVDC的基本原理 描述整流器工作方式的几个角度：
=触发延迟角 =熄弧延迟角=
=叠弧角（换相角）
+
描述逆变器工作方式的几个角度：
=触发超前角= -
=熄弧超前角= -
=叠弧角=
-
=
-
二、HVDC的基本原理
换流方程
整流侧
Vd 3 2
Vl cos( )
谐波及滤波器
直流输电系统中，由于换流器的非线性特性，在 交流系统和直流系统中将出现谐波电压和电流。而 交直流系统间的谐波相互渗透、相互影响，使得谐 波问题的研究变得异常复杂 在一些理想化的假设条件下，换流站网侧的三相电 流和直流侧电压中的谐波，其次数和特性比较规律， 它们统称为特征谐波 对于一个换流桥来说，在交流侧产生pn±1(p为脉 波数，n为正整数)次特征谐波，而在直流侧产生 pn次特征谐波。
T valve 1~2
晶闸管（串）并联
T
均流
T
R 主电路
晶闸管（ Thyristor ）
特点： o 可控导通 o 单向导电 导通的充要条件： • 正向电压>0 • 控制电流脉冲
K
G
A
可靠关断的充要条件： • 正向电流<0 • 正向电压<0， 且持续一段时间
T thyristor 1~2
R 串联
谐波及滤波器
各种各样的不对称，如不等间隔的触发脉冲、母线 电压不对称和相间换相电抗的不对称，将产生额外 的谐波，即“非特征谐波”
目前抑制谐波最广泛采用的方法是装设滤波器。近年来，
随着电力电子技术的发展，出现了新型谐波补偿装置— —有源电力滤波器。这种滤波器即使在谐波频率迅速变 化时，也能产生相应的补偿电流，并可根据需要对无功 功率进行动态补偿。这是一种非常理想、很有前途的补
故障
换相失败：在换相电压反向（具有足够的去 游离裕度）之前未能完成换相的故障 换相失败不是由于阀的误操作引起的，而是 外部条件引起的。换相失败对于逆变器来说 更为普遍，往往在大直流电流低交流电压等 扰动时发生。仅当触发电路故障时，整流器 才会发生换相失败
3
X c Id
逆变侧
Vd 3 2
Vl cos( )
3
X c Id
HVDC系统的控制
一、直流系统的控制要求具有下列基本功能：
1、减小由于交流系统电压的变化而引起的直流电流波动。 2、限制最大直流电流，防止换流器受到过载损害；限制 最小直流电流，避免电流间断而引起过电压。 3、尽量减小逆变器发生换相失败的概率。 4、适当地减小换流器所损耗的无功功率。 1.5 、正常运行时，直流电压保持在额定值水平，使得当 输送给定功率时线路的功率损耗适当。 二、基本控制方式 整流器采用定电流控制和α 限制控制 逆变器采用恒定熄弧角（CEA）控制和电流控制
作用:
减小注入直流系统的谐波
减小换相失败的几率
防止轻载时直流电流间断 限制直流短路电流峰值 0.27~1.5H (架空线) 12~200mH (电缆线)
参数:
T Xd
R 主电路
滤波器（Filter）
减小注入交、直流系统源自文库波的设备
种类:
交流滤波器， 直流滤波器
R 主电路
有源、无源滤波器
正 极 M 共阴极 V3 V5 桥臂/ 阀臂/ 阀
上半桥/
共阴极半桥
V1 A
B C
下半桥/ 共阳极半桥 V4 V6 V2 桥交流端
N
负 极
共阳极
图1.2 三相全波桥式换流电路原理图
单桥
Graetz桥
M
M 晶闸管
T thyristor
电压：5.5~9kV 电流：1.2~3.5kA
A
A
• 桥臂组成方式： 晶闸管串联 • 桥臂特点： 均压
R 主电路
直流线路（DC Line）
种类:
架空线路 电缆线路
T Line
交流断路器（Breaker）
使HVDC完全退出运行
R 主电路
二、HVDC的基本原理
从交流系统Ⅰ向交流系统Ⅱ输电时，换流 站Ⅰ把交流系统Ⅰ送来的三相交流功率变换成直 流功率。通过直流输电线路把直流功率输送到换 流站Ⅱ，再由换流站Ⅱ将直流功率转换成交流功 率，送入交流系统Ⅱ 。这个过程称作HVDC。 此时换流站Ⅰ为整流站，换流站Ⅱ为逆变站。
R 主电路
Id计算公式：
Id U d U d Rd (1)
整流站输送功率：
Pd U d I d
逆变站接受的功率：
(2)
(3)
R 主电路
P d U d I d
直流线损：
P Pd Pd (Ud Ud ) Id I2d R d
换流变压器(Converter Transformer)
向换流器提供适当等级的不接地三相电压源设备
作用:
使HVDC系统建立自己的对地参考点 减小注入系统的谐波 Y0/Y, Y0/△， Y0/Y/△
R 主电路
特点:
接线方式： 噪声大
短路电抗大： 15~20%
T T
平波电抗器（Smoothing Reactor）
偿装置。
交直流系统的相互作用
短路比与有效短路比
交流系统短路容量（ MVA） SCR 直流换流器额定功率（ MW） 交流系统短路容量（ MVA） 容性无功补偿（ MVAr) ESCR 直流换流器额定功率（ MW）
无功问题
Id 3 cos cos Xc Vd 0
与低有效短路比系统有关的问题
T 基本原理
T T
T Xd
T F
T Qc
T L
T DL
HVDC的主要元件
换流器（converter）
将交流电转换成直流电,或者将直流电转换成交流 电的设备。 其中， 整流器（Rectifier）------将交流电转换成直流电 的换流器。
逆变器（Inverter）------将直流电转换成交流电的 换流器。