HVDC 直流输电(2014)

绪论
直流输电发展历程
早期的直流输电系统
传统的直流输电系统
现代的柔性直流输电系统
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绪论
早期的直流输电系统
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直流电是人类最先认识和利用的电能
早期的直流输电概念是由法国物理学家
Marcel Deprez于1881年提出来的，即 由直流发电机产生直流电能，通过输电线 路向远方的直流负荷供电。
1882年，他在57km的电报线路上进行
1889年，英国工程师Charles Parsons制造出汽轮发电机。 1891年，欧洲建设了第一个三相交流输电系统，工作电压和
输送距离分别为25kV和175km。
来自百度文库16
交流发电机的发明者
尼古拉·特斯拉诞生于1856年。
1882年，他继爱迪生推广直流电后 不久，即发明了并制造出世界上第 一台交流电发电机。 实验物理学派领导人，军事派科学 家（区别于爱因斯坦的理论物理学 派） 于1912年和爱迪生共同获得诺贝尔 奖，但他拒绝和爱迪生一起领奖而 放弃。
网；二是当两个相同工作频率的交流电网联网形成更大的交流电网后，受 到系统运行稳定性差和短路容量增大等限制。 流产生很大损耗，严重限制了电缆输电距离和效率。
3.在电缆输电方面，由于电缆电容远大于架空线路，电缆电容的充放电电
在一定条件下的技术经济比较结果表明，采用直流输电更为合理，且比
交流输电有更好的经济效益和优越的运行特性。因而，直流输电重新被人 们重视。 22
电流驱动型
整流二极管 D 反向截止晶闸管SCR
电压驱动型
GTO
GTR，MOSFET，IGCT IGBT
反向导通GTO
功率集成 器件 PID
反向导通晶闸管
三端双向晶闸管TRIAC
智能模块IPM，功率集成电路PIC
基本概念
6 kV ,6 kA GTO
半控控器件（）已应用于 1000MW VSC-HVDC
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早期的直流输电系统 直流电压的提升和降低是困难的。为了提高直流电压，提出了
串联直流输电系统（发电侧和配电侧均串联），但是经济性低， 可靠性差，缺少电气隔离。
Rene Thury对串联系统进行了重大改进：在直流电机上加装自
动调节器、并联短路器的方法，实现了串联系统中任何一台发电 机或电动机的故障退出与重新接入以及运行调整，极大地提高了 可靠性。
行维护不便。
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1971年150 kV 汞弧阀 瑞典直流工程 28
传统的直流输电系统 — 后期完全采用晶闸管换流器
1957年，发明了晶闸管阀（又称可控硅整流器）。 20世纪70年代，高压大功率晶闸管阀以及微机控制技术开始应用于直
流输电系统，使其运行性能与可靠性得到明显改善。
1970年，瑞典大陆与哥特兰岛的直流输电系统进行扩建增容，将晶闸
超高压直接光控晶闸管换流阀
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中国已经成为直流输电大国— 上海20MW，±30kV 电压最高、容量最大、数量最多
柔性直流输电换流阀
VSC-HVDC
HVDC_Plus Seimens HVDC_Light ABB
广东肇庆500kV 直流换流站换流阀
宁东～山东±660kV 超高压直流输电换流阀
2014年
高压直流输电技术
High Voltage Direct Current Transmission ——HVDC
新能源电网研究所
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关于本次课程的安排
参考书目： 1、浙江大学发电教研组直流输电科研组．直流输电．北京：水利电 力出版社，1985． 2、韩民晓，等编著．高压直流输电原理与运行 ．北京：机械工业出 版社，2009． 3、赵成勇著，柔性直流输电建模与仿真。北京：中国电力出版社， 2014.3． 4、赵畹君，等．高压直流输电工程技术．北京：中国电力出版社， 2004． 5、徐政．交直流电力系统动态行为分析．北京：机械工业出版社， 2004．
2010年，世界上第一个±800kV特高压直流输电系统在中 2014年1月，世界上输电容量最大的±800kV特高压直流
至此我国特高压工程共运行4条。容量均为世界之最。
输电系统-哈密至郑州在中国投运行，输电容量为8000MW。
目前， 我国的±1100kV特高压直流输电系统也即将开展
建设。
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传统的直流输电系统-晶闸管换流器
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传统的直流输电系统 — 大功率晶闸管换流器占主导地位
1977年 ，我国上海曾经建成31kV工业性实验直流电缆线
路；1987年，中国第一条直流输电工程舟山直流输电工程 投运，其工作电压、输送距离和输电容量分别为±100kV、 100MW、54km。 国投入运行，输电容量和输送距离分别为5000MW和 1418km。
管阀换流器叠加在原有的汞弧阀换流器上，增容后工作电压由100kV提 高到150kV、输电容量由20MW提高到30MW。 直流联网工程在加拿大投入运行。
1972年，第一个全部采用晶闸管阀换流器的80kV、320MW的背靠背
1979年，莫桑比克到南非的直流输电系统投入运行，其工作电压、输
送距离和输电容量分别为±533kV、1920MW、1410km。此后，基于 晶闸管阀换流器的高压大容量直流输电系统得到快速发展。
直流输电的优点及特点：
1、输送相同容量下，线路造价低，适合于远距离输电； 直流架空线路的走 廊宽度约为交流线路的一半，可以充分利用线路走廊的资源；等价距离概 念。 2、适合于海下电缆输送 在同等绝缘材料条件下，直流电缆的允许工作电压 比在交流电压下约高3倍； 绝缘老化慢，使用寿命长；
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3、大电网之间通过直流输电互联(如背靠背方式，back to back DC transmission system)，两个交流电网之间可以非同步（解耦）运行，不会互 相干扰和影响，输送功率的大小和方向可以快速控制和调节，可迅速进行网间功 率支援等。 5、 直流输电系统的投入不会增加原有电力系统的短路电流容量，也不受系统稳 定极限的限制； 6、直流输电工程的一个极发生故障时另一个极能继续运行，且可充分发挥其过 负荷能力，即可以不减少或少减少输送功率损失； 7、直流本身带有调制功能，可以根据系统的要求作出反应，可以对机电振荡产 生阻尼，可以阻尼低频振荡，从而提高电力系统暂态稳定水平；
早期的直流输电很快不再存在
随着三相交流同步发电机、变压器、异步电动机等技术
的日益成熟，特别是交流输电系统的低成本投入和高额的 回报，使早期的直流输电系统很快就被三相交流输电系统 所替代。
到1937年，早期的直流输电系统不再存在，越来越多的
三相交流输电系统出现在世界各地。
由于正弦交流电有便于变压（升降压）、产生旋转磁场
输电线路16km 4台 3kV/300kW 发电机 避雷器 避雷器 2台 1kV/100kW 电动机 1台 3kV/300kW 电动机 2台 500V/50kW 电动机 2台 3kV/300kW 电动机
典型的 Thury串联 系统
总电压12kV、电流100A
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由于直流输电的诸多困难，交流输电应运而生
日本东、西部电力系统分别以50赫和60赫运行,由两个直流背靠背变 频站互联,北海道和本州之间采用直流海底电缆互联,最终采用双极 ±250千伏输电线路。
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传统直流输电尚待克服的缺点：
1、换流设备造价昂贵； 2、无论整流侧还是逆变侧均需要大量的无功功率。需要增设补 偿装置，约为输送功率40～60%容量的电容器装备。 3、换流设备是最大的谐波发生源，需要在其交流侧和直流侧装 设大容量，多调谐的滤波器。占地约为换流站的15%多； 4、直流变压器、直流断路器、直流传感器等电力元件及设备尚 待开发。
输电系统，其工作电压、输电容量和距离为100kV、20MW和90km。
1977年，最后一个采用汞弧阀的直流输电系统投入运行。 在1954年到1977年期间，全世界共有12个采用汞弧阀的直流输电系
统投入运行，最高工作电压为±450kV，最大输电容量为1440MW，最 长输送距离为1362km。
汞弧阀制造技术复杂、价格昂贵、逆弧故障率较高、可靠性较低、运
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课程内容安排 第一章 绪论 第二章 高压直流输电系统的主要设备 第三章 换流器工作原理 第四章 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿 第五章 直流控制与保护 第六章 直流输电新技术
基本概念
电能形态变换的基本方式
输出 输入
直
流 电
交 流 电 逆变换 通常称为逆变器
直 流 电
直流变换 通常称为直流斩波器
大功率器件 制造水平及 应用
西北－华中背靠背联网工程扩建项目360M ＋750M＝1100MW，330kV,500kV.换流站控 制及自动化装置国产化实验在我校重点实 验室展开。
全控型器件及其换流技术与装置是发展方向
单个IGBT 最高参数6.5kV， 750A 4.5kV，1200A 3.3kV，1500A
交 流 电
顺变换 通常称为整流器
交直交变换器 交交变换器
基本概念 N
不可控阀器件
能利用控制信号从关断变为导通状态吗
Y 可控阀器件
能利用控制信号从导通变为关断状态吗
电力电子变换 器件状态分类
Y
N 导通可控阀器件 Y
导通状态闭锁阀器件
导通关断可控阀器件
控制信号解除后还保持导通状态吗
N
非导通状态闭锁阀器件
了直流输电系统试验，其工作电压和输电 容量分别为2.0kV和1.5kW。
然而，由于其线路损耗过高，这种系统
难以实际应用。
早期的直流输电系统 1882年，爱迪生电力照明公司在纽约主持建造了世界第一个直
流电力系统，包括6台12千瓦直流发电机，用110伏电压将电力线 连接成网络为6000盏电灯供电。
1882年在我国，外商集资创办成立了商业化运营的上海电光公
司，为城市照明提供直流电力。
早期的直流输电系统
托马斯·爱迪生（1847年－1931年）
，有1093项专利。1892年创立爱迪 生通用电气公司。 爱迪生力挺直流电，是为了让他发明 的电灯泡有用武之地，不然人们不会 使用电灯泡，他也赚不到钱。 因为爱迪生错误的打压了交流电的应 用，爱迪生通用电气公司的股东以此 为耻，一致通过将他赶出公司，更名 为通用电气公司。
1884年到1885年，匈牙利Károly Zipernowsky 、Ottó
Bláthy 和Miksa Déri提出了心式和壳式铁心变压器技术。
1888年5月16日，美国科学家Nikola Tesla（特斯拉）在美
国电气工程师学会（AIEE）上，发表了题为A New System of Alternating Current Motors and Transformers的著名演讲。
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传统的直流输电系统
传统直流输电系统是建立在发电和配电均为交流电基
础上的。
传统直流输电是先将送端的交流电整流为直流电，由
直流输电线路送到受端，再将直流电逆变为交流电，送 入受端的交流电网。
传统直流输电系统经历了汞弧阀换流器和晶闸管阀换
流器两个阶段。
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传统的直流输电系统 —早期采用汞弧阀换流器
1901年发明的汞弧阀只能用于整流，不能用于逆变。 1914年提出栅控汞弧阀概念，1928年研制成功，可实现整流和逆变。
1920年到1940年期间，先后研制出不同类型的大功率汞弧阀。 1932年，美国建成了一个连接40Hz交流电网与60Hz负荷的12kV直流
输电系统。
1954年，瑞典建成了一个连接瑞典大陆与哥特兰岛的海底电缆的直流
绪论
传统的直流输电系统
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直流输电再次兴起
20世纪50年代后，电力需求日益增长，三相交流输电线路和交流电网迅
速发展。
尽管如此，交流输电技术在实际应用中也遇到了难题。 1.在远距离大容量输电方面，由于交流架空输电线路存在电容效应、趋肤
效应和传输线效应，其输电容量和输送距离受到限制。
2.在交流电网联网方面，一是无法实现两个不同工作频率的交流电网的 联
等技术特点，逐渐形成了今天占统治地位的三相交流电网。
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交流电为什么要选用正弦函数波形？
1893年4月，美国电气工程
师A.E.Kennelly发表了一篇 论文，他说如果交流电采用 正弦波，就可以引入“阻抗 ”概念，和直流电路一样可 利用欧姆定律来计算交流电 路。
这篇文章发表后，正弦波立
即在电气工程领域得到应用 。 论文中提出，正弦交流电路如同直流电路一样，电压和电流有效值之比为一 常数，称之为阻抗；因此，在线性电路中是遵守欧姆定律的。他从电气参数 计算上说明了采用正弦函数波形交流电的理由。