高压直流输电

高压直流输电
一、高压直流输电系统（HVDC）概述
众所周知，电的发展首先是从直流开始的，但很快就被交流电所取代，并且在相当长的一段时间内，在发电、输电和用电各个领域，都是交流电一统天下的格局。

HVDC技术是从20世纪50年代开始得到应用的。

经过半个世纪的发展，HVDC技术的应用取得了长足的进步。

据不完全统计，目前包括在建工程在内，世界上己有近百个HVDC 工程，遍布5大洲20多个国家。

其中，瑞典在1954年建成投运的哥特兰（Gotland）岛HVDC 工程（20MW，100kV，90km海底电缆）是世界上第一个商业化的HVDC工程，由阿西亚公司(ASEA，今ABB集团)完成；拥有最高电压（±600kV）和最大输送容量（2 x 3150MW）的HVDC工程为巴西伊泰普（Itaipu）工程；输送距离最长（1700km）的HVDC 工程为南非英加——沙巴（1nga2Shaba）工程；电流最大的HVDC工程在我国：如三常、三广和贵广HVDC工程，额定直流电流均为3000A。

HVDC的发达地区在欧洲和北美，ABB和西门子等公司拥有最先进的HVDC技术，美国是HVDC工程最多的国家。

HVDC在我国是从20世纪80年代末开始应用的，起步虽然较晚，但发展很快。

目前包括在建工程在内，总输送容量已达18000MW以上，总输送距离超过7000km，该两项指标均已成为世界第一。

我国第一个HVDC工程是浙江舟山HVDC工程（为工业试验性工程），葛沪HVDC工程是我国第一个远距离大容量HVDC工程，三常HVDC工程是我国第一个输送容量最大（3000MW）的HVDC工程，灵宝（河南省灵宝县）背靠背HVDC工程是我国第一个背靠背HVDC工程。

我国已投运的HVDC工程见表1。

表1我国已投运的HVDC工程
另外，2010年前后建成投运的HVDC工程有四川德阳——陕西宝鸡（1800 MW、±500 kV，550km）、宁夏银南——天津东（3000MW、±500kV，1200km）等；至2020年前后，还计划建设云南昆明——广东增城、金沙江水电基地一华中和华东HVDC工程以及东北——华北、华北——华中、华中——南方背靠背HVDC工程等十几个HVDC工程。

我国关于直流输电技术的研究工作，50年代就开始起步。

目前，我国己经有多条直流线路投入运行，这些直流输电工程的投运标志着我国的直流输电技术有了显著的提高和发展。

随着三峡工程的兴建和贯彻中央“西电东送”的发展战我国将陆续兴建一批超高压、大容量、远距离直流输电工程和交直流并联输电工程。

此外，在这些新建工程中还将采用直流输电的新技术。

随着我国直流输电技术的日益完善，输电设备价格的下降和可靠性的提高，以及运行管理经验的不断积累，直流输电必将得到更快的发展和大量的应用标志着我国的直
流输电将进入一个新的发展时期。

二、高压直流输电原理
（一）、主要元件
偿设备滤波器
图1.1 HVDC 原理图
偿设备
滤波器 1、换流器（Converter ）
换流器（Converter ）是由单个或多个换流桥组成的进行交、直流转换的设备。

换流器（Converter ）可以分为两类：整流器（Recifer ）和逆变器（Inverter ）。

整流器（Rectifer ）是将交流电转换为直流电，而逆变器（Inverter ）是将直流电转换为交流电。

图1.2 三相全波桥式换流电路原理图M
N 正
极共阴极上下负极
共阳极
桥臂/阀臂/阀
2、换流变压器(Converter T ransformer)
换流变压器(Converter Transformer) 接在换流桥与交流系统之间的电力变压器。

采用换
流变压器实现换流桥与交流母线的连接，并为换流桥提供一个中性点不接地的三相换相电压。

换流变压器与换流桥是构成换流单元的主体。

换流变压器在直流输电系统中的作用有：
a、传送电力；
b、把交流系统电压变换到换流器所需的换相电压；
c、利用变压器绕组的不同接法，为串接的两个换流器提供两组幅值相等、相位相差
30°(基波电角度)的三相对称的换相电压以实现十二脉动换流；
d、将直流部分与交流系统相互绝缘隔离，以免交流系统中性点接地和直流部分中性点
接地造成直接短接，使得换相无法进行；
e、换流变压器的漏抗可起到限制故障电流的作用；
f、对沿着交流线路侵入到换流站的雷电冲击过电压波起缓冲抑制的作用。

技术特点与要求：
由于换流变压器的运行与换流器换相造成的非线性密切相关，它在漏抗、绝缘、谐波、直流偏磁、有载调压和试验等方面与普通电力变压器有不同的特点和要求。

a、漏抗
以往由于晶闸管的额定电流和过负荷能力有限，为了限制阀臂短路和直流母线短路的故障电流，换流变压器的漏抗一般比普通电力变压器的大，一般为15－20%, 有些工程甚至超过20%。

随着晶闸管的额定电流及其承受浪涌电流能力的提高，换流变压器的漏抗可按对应的容量和绝缘水平合理选择，阻抗相应降低，通常为12－18%，因此，设备主参数、绝缘水平、换流器无功消耗及能耗等都可相应降低，同时，换流器的运行性能也有所改进。

为减少非特征谐波，换流变压器的三相漏抗平衡度要求比普通电力变压器高，通常漏抗公差不大于2%。

如果运输条件允许，现在的工程多采用如图1所示的单相三绕组换流变压器结构，进一步减少十二脉动换流单元中换流变压器六个阻抗值的差别。

b、绝缘
换流变压器阀侧绕组和套管是在交流和直流电压共同作用之下工作的，如图2 所示。

在这种电压作用下，由于油、纸两种绝缘材质的电导系数与介电系数之比差别很大，油纸复合绝缘中直流场强按电导系数分布，交流场强则按介电系数分布。

当直流电压极性迅速变化时，会使油隙绝缘受到很大的电应力。

在套管与底座的连接部分，由于绝缘结构复杂，这一问题最为严重。

越接近直流两极的阀侧绕组对地电压越高，在设计时必然增大绕组端部与铁芯轭部的距离，使绕组端部的辐向漏磁和局部损耗增加，因谐波漏磁而引起的损耗则增加更多。

作为阀侧绕组外绝缘的套管，其爬电距离要考虑到直流电压的分量，为了避免雨天时在直流电压作用下，由于不均匀湿闪而造成的闪络故障，一般阀侧套管均伸入阀厅。

目前，干式合成套管已得到实际应用。

为了抗震，套管法兰盘处一般装有振动阻尼装置。

c、谐波
换流变压器漏磁的谐波分量会使变压器的杂散损耗增大，有时可能使某些金属部件和油箱产生局部过热现象。

在有较强漏磁通过的部件要用非磁性材料或采用磁屏蔽措施。

谐波磁通所引起的磁致伸缩噪声处于听觉较为灵敏的频带，必要时要采取更有效的隔音措施。

d、直流偏磁
换流器触发时刻的间隔不等，交流母线正序二次谐波电压和与直流线路并行的交流线路的感应作用等将在换流变压器阀侧绕组电流中产生直流分量；接地极入地电流引起的地电位变化会在交流侧绕组电流中产生直流分量，二者共同使换流变压器产生直流偏
磁现象。

使在铁芯的B－H曲线上的运行工作点绕行轨迹偏离对称状态，部分进入一侧的饱和段，励磁电流分量出现一个半波的尖峰波形，使变压器的损耗、温升以及50Hz 的噪声(正常时基波噪声频率为100Hz)都有明显增加，应在换流变压器设计中充分考虑。

e、有载调压
换流变压器应具有较多的有载调压开关，利用调压开关可使直流输电系统经常运行在接近最佳状态，换流器触发角运行在适当的范围内，以兼顾到运行的安全性和经济性。

分接开关的调压范围一般为20－30%，每档调节量为1%－2%，以达到分接开关调节和换流桥触发控制联合工作，做到既无明显的调节死区，又可避免频繁往返动作。

3、平波电抗器（Smoothing Reactor）
平波电抗器用于整流以后的直流回路中。

整流电路的脉波数总是有限的，在输出的整直电压中总是有纹波的。

这种纹波往往是有害的，需要由平波电抗器加以抑制。

直流输电的换流站都装有平波电抗器，使输出的直流接近于理想直流。

直流供电的晶闸管电气传动中，平波电抗器也是不可少的。

平波电抗器与直流滤波器一起构成高压直流换流站直流侧的直流谐波滤波回路。

平波电抗器一般串接在每个极换流器的直流输出端与直流线路之间,是高压直流换流站的重要设备之一。

平波电抗器和直流滤波器一起构成直流T型谐波滤波网，减小交流脉动分量并滤除部分谐波，减少直流线路沿线对通信的干扰和避免谐波使调节不稳定。

平波电抗器还能防止由直流线路产生的陡波冲击进入阀厅，使换流阀免遭过电压的损坏。

当逆变器发生某些故障时，可避免引起继发的换相失败。

可减小因交流电压下降引起逆变器换相失败的机率。

当直流线路短路时，在整流侧调节配合下，限制短路电流的峰值。

电感值并不是越大越好，因为电感的增大对直流输电系统的自动调节特性有影响。

在直流输电系统中，当直流电流发生间断时，会产生较高过电压，对绝缘不利，使控制不稳定。

平波电抗器通过限制由快速电压变化所引起的电流变化率来防止直流电流的间断，从而降低换流器的换相失败率。

分类：
1）按型式分类：
（1）油浸式平波电抗器（2）干式平波电抗器
油浸式平波电抗器的结构与变压器相似，主要由线圈、铁芯和油箱、套管、冷却系统等部件组成。

油浸式平波电抗器因构造上有铁芯，其负荷电流与磁性成非线性关系。

干式平波电抗器主要由线圈、支架、绝缘支柱、均压环、底座等组成。

线圈由多层同心压缩铝线包组成，每层线包均浇注环氧树脂绝缘，层间垫有隔条，用于保证层间绝缘和散热。

每层线圈通过垂直紧固件固定牢靠，以确保线圈震动时不变形。

由于干式平波电抗器无铁芯，负荷电流与磁性成线性关系。

油浸式平波电抗器优点：油浸式平波电抗器由于有铁芯，因此要增加单台电感量较容易；油浸式平波电抗器的油纸绝缘系统很成熟，运行也很可靠；油浸式平波电抗器安装在地面上，因此重心低，抗震性能好；油浸式平波电抗器采用干式套管穿入阀厅，取代了水平穿墙套管，解决了水平穿墙套管的不均匀湿闪问题；油浸式平波电抗器的垂直套管也采用干式套管，使其发生污闪的概率降低。

干式平波电抗器优点：对地绝缘简单。

干式平波电抗器的绝缘主要由支柱绝缘子提供，提高了主绝缘的可靠性。

无油，消除了火灾危害和环境影响。

干式平抗无油绝缘系统，因而没有火灾危险和环境影响，在阀厅和户外之间也不需要装设防护墙。

潮流翻转时无临界质场强。

高压直流翻转需要改变电压极性，会应捕获电荷的原因在油纸复合绝缘系统中产生临界场强；但对于干式平波电抗器来说，改变电压极性仅在支柱绝缘子上产生应力，没有临界场强的限制，这样干式平波电抗器的支柱绝缘子与其他母线支柱绝缘子的特性相似。

负荷电
流与磁链成线性关系。

由于干式平波电抗器没有铁芯，因而在故障情况下不会出现磁链饱和现象，在任何情况下都保持同样的电感值。

暂态过电压较低。

因干式平波电抗器对地电容较低，所以对平抗的冲击绝缘水平要求也较低。

可听噪声低。

质量轻，易于运输和处理。

运行、维护费用低。

干式平波电抗器基本上是免维护的。

油浸式平波电抗器缺点：内部绝缘复杂。

主要靠油纸绝缘，容易着火并引起火灾。

噪声较大。

重量较大，运输较为困难。

运行、维护费用较高。

干式平波电抗器缺点：重心较高，防震性能较差。

占地面积较多。

内部无铁芯，要增加单台电感量和提高过负荷能力较困难。

本身不带穿墙套管，与换流器之间需要安装穿墙套管，增大了穿墙套管湿闪、污闪的概率；对环境污秽较敏感。

对发热点和红外测温较为困难。

由于干式平波电抗器外部装有噪声罩，对其内部线圈发热点测量较为困难、误差较大。

2）按结构分类：
（1）空心带磁屏蔽平波电抗器（2）有气隙铁芯平波电抗器
4、滤波器（Filter）
滤波器（filter），是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。

对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。

滤波器分为有源滤波和无源滤波。

主要作用是：让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能大的衰减。

减小注入交、直流系统谐波。

滤波器是由电感器和电容器构成的网路，可使混合的交直流电流分开。

电源整流器中，即借助此网路滤净脉动直流中的涟波，而获得比较纯净的直流输出。

最基本的滤波器，是由一个电容器和一个电感器构成，称为L型滤波。

所有各型的滤波器，都是集合L型单节滤波器而成。

基本单节式滤波器由一个串联臂及一个并联臂所组成，串联臂为电感器，并联臂为电容器。

在电源及声频电路中之滤波器，最通用者为L型及π型两种。

就L型单节滤波器而言，其电感抗XL与电容抗XC，对任一频率为一常数，其关系为
X L×XC=K2
故L型滤波器又称为K常数滤波器。

倘若一滤波器的构成部分，较K常数型具有较尖锐的截止频率（即对频率范围选择性强），而同时对此截止频率以外的其他频率只有较小的衰减率者，称为m常数滤波器。

所谓截止频率，亦即与滤波器有尖锐谐振的频率。

通带与带阻滤波器都是m常数滤波器，m为截止频率与被衰减的其他频率之衰减比的函数。

每一m常数滤波器的阻抗与K常数滤波器之间的关系，均由m常数决定，此常数介于0～1之间。

当m接近零值时，截止频率的尖锐度增高，但对于截止频的倍频之衰减率将随着而减小。

最合于实用的m值为0.6。

至于那一频率需被截止，可调节共振臂以决定之。

m常数滤波器对截止频率的衰减度，决定于共振臂的有效Q值之大小。

若达K常数及m常数滤波器组成级联电路，可获得尖锐的滤波作用及良好的频率衰减。

5、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。

种类：a、无源类：电容器
b、有源类：（同步）调相机，SVC
（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。

换流方程：
整流侧： d c l d I X V V π
απ3)cos(23-= 逆变侧：d c l d I X V V πγπ3)cos(23+-=-
三、HVDC 的优缺点：
（一） HVDC 的优点：
①线路造价低、损耗少。

双极HVDC 系统只需正极和负极两条输电线路，在输送相同功率的情况下，HVDC 的线路造价及损耗均约为交流输电的2/3，线路走廊(采用架空线路时)也较窄;而且在直流电压的作用下，线路电容不起作用，不存在充电功率，因而无需装设并联电抗器(高抗)。

采用电缆输电线时，HVDC 的优势更为明显。

由于电缆耐受直流电压的能力是交流的3倍以上，因此同样绝缘厚度和芯线截面的电缆，用于HVDC 的输送容量比交流输电大很多。

另外，电缆输电线路的对地电容比架空输电线路大得多，交流电缆输电线路由此产生的电容电流很大，当交流电缆超过一定长度时，将会出现电缆的全部负荷能力都被电容电流所占用的情况，此时己不能进行电力输送。

也就是说，交流电缆的输送距离受电容电流的严重制约，进行远距离交流电缆送电是非常困难的。

而直流电缆由于不存在电容电流，其输送距离不受限制，易于实现远距离电缆送电。

②不存在稳定问题。

由于直流线路没有电抗，因而HVDC 不存在交流输电的同步运行稳定性问题，即输送容量和距离不受稳定性限制，特别适于远距离大容量送电。

③可实现非同步联网。

由于整流和逆变的隔离作用，用HVDC 联结的系统之间无须同步运行，被联系统不仅可以是额定频率相同的系统，也可以是额定频率不同的系统(如50 Hz 和60 Hz)，彼此可以保持各自的频率和电压而独立运行，不受联网影响，同时亦不会发生由于故障传递而导致的大面积停电事故。

④快速可控。

HVDC 输送的有功功率的大小和方向以及换流器消耗的无功功率均可由控制系统实现快速控制，从而改善交流系统的运行性能，也易于精确实施互联电网间的送电协议(交流联络线上的潮流难以控制)。

另外，交流联网会增加系统的短路容量，有时会出现因遮断容量不满足要求而须更换断路器或采取限流措施的情况，HVDC 的快速可控性使得交流系统的短路容量不会因互联而增加。

（二）、 HVDC 的缺点
①换流站造价高。

HVDC 换流站由于设备种类繁多，其造价比交流变电所要高很多，而且运行维护也比较复杂、对运行人员的要求较高。

这是限制HVDC 应用的最主要原因。

②换流器消耗的无功多。

目前在HVDC 中广泛使用的晶闸管换流器在换流过程中要消耗大量的无功功率，用占所输送有功功率的百分数来表示，整流器为40%~50%，，逆变器为50%~60%。

通常，交流滤波器提供一部分换流所需的无功，不足部分需另装无功补偿装置来满足。

③产生大量谐波。

换流器在交流侧和直流侧都产生一系列的高次谐波电流，会出现电容器和发电机过热、换流器控制不稳定和对通信系统产生干扰等问题。

因此，在换流站内必须装设交/直流滤波器和平波电抗器进行滤波，从而增加了换流站的造价。

四、HVDC 的应用场合
目前，HVDC 作为交流输电的补充，其应用场合主要有以下几种：
①远距离大容量输电。

HVDC的线路造价低而换流站造价高，因而就有一个“等价距离”的概念：输电距离大于“等价距离”时，采用HVDC较为经济：输电距离小于“等价距离”时，采用交流输电较为经济;架空线的“等价距离”为600~800km，电缆的“等价距离”为20~40km。

②非同步联网。

采用HVDC联网，既可以获得联网效益，又可以避免交流联网带来的大电网问题，如稳定问题、故障连锁反应而引起的大面积停电问题和短路容量增加问题等。

对于额定频率不同的电网，采用交流联网在技术上无法实行，只能采用HVDC联网。

③海底电缆送电。

交流电缆线路的输送距离受电容电流的限制，难以实现远距离送电，因而远距离大容量的海底电缆送电一般采用HVDC。

五、HVDC输电系统的分类
（一）、两端HVDC输电系统：
由两个换流站组成的直流输电系统。

类型：单极类、双极类、同极类、背靠背
1、单极类：
a、一线一地制
b、两线制
2、双极类：
a、两线制
I
I
d
b 、两线一地制
I I d
c 、三线制
3、背靠背(Back-to-Back)： 适用于两个不同额定频率交流系统的互联
（二）、多端HVDC 输电系统（MTDC----Multi-T erminal DC)
多端HVDC 输电系统（MTDC----Multi-Terminal DC)即由两个以上换流站组成的HVDC 输电系统。

分类：
1、（恒电压）并联------多个换流器并联接于同一个公共电压端上的MTDC 。

(1) 辐射状直流网络型------HVDC 网络呈辐射形状的并联式MTDC
（交流系统
交流系统
143
2a ）系统
原理图
（b ）换流
站原理图
I I d
(2) 网状直流网络型------HVDC网络呈环网形状的并联式MTDC
a）系统
原理图
（b）换流
站原理图
2、（恒电流）串联------多个换流站串联于直流网络中，公共电流流经所有换流站。

3
2
a）系统
理图
（b）换流
站原理图
六、结语
HVDC在远距离大容量输电、电力系统非同步联网和海底电缆送电等方面具有独特的优势，作为交流输电的有力补充而在世界范围内得到了广泛的应用，在我国21世纪“西电东送、南北互供、全国联网”的能源和电力工业建设基本战略的实施中更是具有广阔的发展应用前景。

目前，我国己经基本具备了HVDC工程建设的全面国产化能力，预计到2020年前后，我国HVDC工程将达20多个，输送容量超过60000MW，有的工程还将采用±600 kV 甚至±800 kV的特高压，届时我国将全面成为世界HVDC的第一大国。