直流输电和FACTS

Vd
中性点 接地极
Id
极Ⅰ
极Ⅱ
Id
交 流 系 统 Ⅰ 换流站Ⅰ 直流输电系统 换流站Ⅱ 交流 系统 Ⅱ
整流站： 整流站：把三相交流电变换成直流电 换流站
的换流站
逆变站： 逆变站： 把直流线路送来的直流电变
换成交流电的换流站
极： 换流站与直流线路的连接端点
特点
• 只输送有功功率，不输送无功功率 只输送有功功率， • 换流阀在运行时，它对交流、直流 换流阀在运行时，它对交流、 系统两侧都将产生谐波 ∴ 在换流站两侧均必须采用滤除谐波的 措施
K4 K6 K2 K4 K66 K K 22 4 i2i ii 6 6 2 6 2
K5K6导通— K1开通— K5断开— K6K1导通— K2开通— K6断开— K1K2导通
六组轮流导通 K5、K6 K3、K2 K1、K6 K3、K4 K1、K2 K5、K4
每一可控硅导通时间为1200电角度，每组可控硅导通时间 电角度， 每一可控硅导通时间为 600电角度。 电角度。
换流器的功能是把三相交流电变换成直流电或直流电变换 换流器的功能是把三相交流电变换成直流电或直流电变换 成三相交流电，前者称为整流，后者称为逆变。 成三相交流电，前者称为整流，后者称为逆变。相应的换 流设备称为整流器 逆变器。 整流器和 流设备称为整流器和逆变器。换流器中最基本的元件是阀 元件，现代高压直流输电系统所用的阀元件为普通晶闸管。 元件，现代高压直流输电系统所用的阀元件为普通晶闸管。 为了满足所需的电压和电流需要， 为了满足所需的电压和电流需要，用于直流输电的换流器 可由一个或多个换流桥串并联组成， 可由一个或多个换流桥串并联组成，换流桥为三相桥式换 流电路， 个桥臂 桥臂由阀元件组成。 个桥臂， 流电路，有6个桥臂，桥臂由阀元件组成。
所谓直流输电是将发电厂发出的交流电用整 所谓直流输电是将发电厂发出的交流电用整 直流输电 流器变换成直流，经直流线路送至受端， 流器变换成直流，经直流线路送至受端，再 经逆变器变换成三相交流后送往用户。 经逆变器变换成三相交流后送往用户。
换流器
直流输电系统的原理接线图（双极）
极 极
换流阀 阀 阀臂
一.直流输电的接线方式
• 单极直流输电 • 单极两线直流输电 • 双极直流输电
1.单极直流输电
特点: 特点
结构简单， 结构简单，经济 地电流对地下埋设设备的 金属物腐蚀严重
阳极(铁 阳极 铁) Fe++ + 2OH − → Fe(OH)2 阴极
2e + 2H → H2
− +
Fe(OH)3
不腐蚀阴极
• 六组轮流导通过程演示
eaa ea
ebb eb ecc ec e
L LSS LS
ii1 1 i1
K K11 K1
i ii3 3 3
K K 33 K3
iii5 5 5
L K L K 5 5 L ddd K5
Udd U Ud
iiaa LSS ia L LS
LSS LS L ii 4 4 4
III d d d
优点
5.可以实现不同频率或相同频率交流 可以实现不同频率或相同频率交流 系统之间的非同步联系 6.直流输电线路在稳态运行时没有电容电流 6.直流输电线路在稳态运行时没有电容电流
沿线电压分布平稳 线路电压降较小（仅电阻性压降） 线路部分不需要无功补偿装置
直流输电的主要用途
1. 远距离大功率输电 2. 海底电缆送电 3. 不同频率或相同额定频率非同步运行 的交流系统之间的联络 4. 用地下电缆向用电密度高的城市供电
2.单极两线直流输电
整流 送端
I
逆变 受端
I
• 无大地回流所造成的腐蚀问题
3.双极直流输电
整流
I
逆变
I
直流输电的基本原理
最简单的直流输电系统， 最简单的直流输电系统，它由直流输电线 两端的换流站组成。 路、两端的换流站组成。 换流站中主要设备有：换流器、 换流站中主要设备有：换流器、换流变压 平波电抗器、交流滤波器、 器、平波电抗器、交流滤波器、直流滤波 无功补偿设备和断路器。 器、无功补偿设备和断路器。 功率传输从交流系统1开始 开始， 功率传输从交流系统 开始，经整流变压器 送入整流器变成直流； 送入整流器变成直流；然后通过直流输电 线路送至逆换流器， 线路送至逆换流器，变成三相交流后再经 逆换流变压器送给交流系统2。显然， 逆换流变压器送给交流系统 。显然，直流 线路输送的完全是有功功率。 线路输送的完全是有功功率。
直流输出电压平均值 Vdr
Vdr =
= 3
∫α π
π α+
3
3
π α+
3
(e − eb )d(ωt)
a
α π∫
3Sin(ωt + ) ⋅ d(ωt) 3
π
=
3 3
π
⋅ Em ⋅ Cosα
= VdoCosα
直流输出电压随控制角的增加而减少
Vdr = Vd 0 cos α
当α由0→900时，Vdr由Vd0 →0；有功功率从交流系 由 ； 统流向直流系统， 统流向直流系统，换流器为整流状态 当α由900 →1800时，Vdr由0 → －Vd0 ；有功功率从 由 直流系统流向交流系统， 直流系统流向交流系统，换流器为逆变状态
换流变压器的作用是通过调节其变比可方便地控 换流变压器的作用是通过调节其变比可方便地控 制系统的运行状态。 制系统的运行状态。 滤波器的作用是抑制换流器运行时产生的谐波电 滤波器的作用是抑制换流器运行时产生的谐波电 压和谐波电流，以保证电能质量。 压和谐波电流，以保证电能质量。 平波电抗器（电感值很大） 平波电抗器（电感值很大）的作用是减小直流线 路中的谐波电压和谐波电流； 路中的谐波电压和谐波电流；保证直流电流在轻 负荷时的连续， 负荷时的连续，在直流线路发生短路时限制整流 器中的短路电流峰值。 器中的短路电流峰值。 无功补偿装置的作用是为换流器提供无功电源 的作用是为换流器提供无功电源， 无功补偿装置的作用是为换流器提供无功电源， 因为换流器运行时需要从交流系统吸收大量的无 功功率， 功功率，其稳态时吸收的无功约为直流线路输送 的有功的50％，暂态过程更多。 ％，暂态过程更多 的有功的 ％，暂态过程更多。
导通时压降为零， 导通时压降为零，关断后阻抗为无穷大
4）换流变压器的等值电感 Lc= 0，则换相可以 ） ， 瞬时完成
触发延迟角α=0时（阀阳极电压一旦高于阴极电压，便立 时 阀阳极电压一旦高于阴极电压， 触发延迟角 即在阀控制极上加触发脉冲，使阀立即导通。 即在阀控制极上加触发脉冲，使阀立即导通。 α ＝ω τ ）：
优点
1.当输送功率相同时 其线路造价低 当输送功率相同时,其线路造价低 当输送功率相同时 线路： 根 线路：2根 架空线路杆塔结构较简单 线路走廊较窄 2. 当输送功率相同时 其功率损耗小 当输送功率相同时,其功率损耗小
输送功率: 输送功率 •三相交流 三相交流
Ud 交流对地电压有效值Ua = 2
可控硅导通条件
1. 阀承受正向电压 2.控制极得到触发脉冲信号 2.控制极得到触发脉冲信号 控制极得到
可控硅导通后关断条件
1.阀承受反向电压 阀承受反向电压 2.电流过零 电流过零
假设
1）三相电源对称 ） 2）平波电抗很大 ,负载电流 d无纹波 负载电流I ） 负载电流 3）可控硅阀 ）可控硅阀K1~K6为理想状态 为理想状态
高压直流输电与柔性输电
特殊输电方式： 特殊输电方式：
1. 多相输电（6、9、12相） 在1972年由美国学者 多相输电（ 、 、 相 年由美国学者 提出，可降低相间电压，从而减小线间距离， 提出，可降低相间电压，从而减小线间距离， 大幅度提高输送功率的极限 2. 分频输电 在1995年由中国学者提出，目前仍在 年由中国学者提出， 年由中国学者提出 实验阶段， 实验阶段，在输送过程中降低频率以缩短线间 距离 3. 无线输电 不用传输导线的输电方式，包括微波 不用传输导线的输电方式， 输电、激光输电等， 输电、激光输电等，目前还存在很大技术难题 4. 超导输电 采用超导发电机、超导变压器和超导 采用超导发电机、 电缆， 电缆，目前距离工业应用还有一段距离
触发延迟角α≠0时（阀电压为正后延迟一段时间τ再加触发脉 时 阀电压为正后延迟一段时间 再加触发脉 触发延迟角 即阀延时导通。 冲，即阀延时导通。 α ＝ω τ ）：
ea = Em cos(ωt + π / 3) eb = Em cos(ωt − π / 3) e = E cos(ωt − π ) m c eac = ea − ec = 3Em cos(ωt + π / 6) eba = eb − ea = 3Em cos(ωt − π / 2) e = e − e = 3E cos(ωt + 5π / 6) c b m cb
自然功率
对于无损耗线路，在传输自然功率时 对于无损耗线路，在传输自然功率时，线路单位 自然功率 长度电感内吸收的无功功率恰好等于单位长度的 电容容纳所放出的无功功率， 电容容纳所放出的无功功率，即线路各处无功功 率保持平衡，使得线路首端到末端的功率、 率保持平衡，使得线路首端到末端的功率、电压 都相等 如果输送功率大于自然功率时， 大于自然功率时 如果输送功率大于自然功率时，单位长度电感吸 收的无功将大于电容所放出的无功， 收的无功将大于电容所放出的无功，导致线路无 功不足，末端电压将会降低 反之， 降低； 功不足，末端电压将会降低；反之，当输送功率 小于自然功率时 自然功率时， 小于自然功率时，单位长度电感吸收的无功将小 于电容所放出的无功，导致线路无功剩余， 于电容所放出的无功，导致线路无功剩余，末端 电压将会升高 升高。 电压将会升高。 对于远距离交流输电线路，由于稳定条件限制， 对于远距离交流输电线路，由于稳定条件限制， 使得线路传输功率往往达不到自然功率。 使得线路传输功率往往达不到自然功率。