电力电子技术课件第6章

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简化假设条件如下：
(1)交流电压是三相对称、平衡的正弦电压，除了基 波以外，没有任何谐波分量。
(2)换流变压器的三相结构对称，各相参数相同。 (3)换流器的直流侧接有无限大电感的平波电抗器，
直流电流是没有谐波分量的恒定电流。 (4)在同一换流站中，各换流阀以等时间间隔的触发
脉冲依次触发，且触发角保持恒定。
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6.1.1 高压直流输电的发展
•1882 年
•诞生
•20世纪 50年代
后
•1954年
•20世纪 70年代晶 闸管阀出
现
•1882年，法国物理学家德普勒用1500～2000V的直流发电 机经57km的线路，把电力由米斯巴赫煤矿传送到在慕尼黑 举办的国际展览会上，标志着直流输电问题。
•图6-6 双级HVDC系统
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以双级HVDC系统为例，HVDC系统的主要元件 ：
(1)换流器 (2)滤波器 (3)平波电抗器；电感值很大，在直流输电中有着非常重要的
作用： 1)降低直流线路中的谐波电压和电流。 2)限制直流线路短路期间的峰值电流。 3)防止逆变器换相失败。 4)防止负荷电流不连续。 (4)无功功率源 (5)直流输电线 (6)电级 (7)交流断路器
瑞典建成通过海底电缆向果特兰岛供电的±100kV、90km 、20MW、采用汞弧阀变流的直流输电工程。
标志着直流输电进入了一个新的时期。第一个采用晶闸管 阀的大规模高压直流输电系统是于1972年建立的依尔河系统 ，它是连接加拿大新不伦威克省和魁北克省的一个 ±80kV/320MW背靠背高压直流输电系统。
背靠背直流输电系统是输电线路长度为零(即无直流 联络线)的两端直流输电系统，主要用于两个非同步运行 的交流系统的联网，其整流站和逆变站的设备通常装设 在一个站内。由于背靠背直流输电系统无直流输电线路 ，直流侧损耗较小，所以直流侧电压等级不必很高。
•图6-5 背靠背直流输电系统结构
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6.1.4 高压直流输电系统的结构和元件
•直流电压和交流电流波形(忽略换流过程) •
6.2.3 高压直流输电的稳态计算
采用多桥换流器时，交流和直流量之间的关系讨论如下：
(1)直流侧电压
整流器直流电压Udr为 逆变器直流电压Udi为
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(2)直流侧电流
单极方式
双极方式
•式中：Rd为直流回路电阻，主要包括直流线路电 阻、平波电抗器电阻、单极方式包括接地极引线 电阻和接地极电阻等。
1.高压直流输电的优点 (1) 直流输电架空线路的造价低、损耗小。 (2) 高压直流输电不存在交流输电的稳定性问题，直流电缆
中不存在电容电流，因此有利于远距离大容量送电。 (3) 高压直流输电可以实现额定频率不同(如50Hz、60Hz)
的电网的互联，也可以实现额定频率相同但非同步运行 的电网的互联。 (4) 采用高压直流输电易于实现地下或海底电缆输电 (5) 高压直流输电容易进行潮流控制，并且响应速度快、调 节精确、操作方便。而交流线路的潮流控制比较困难。 (6) 高压直流输电工程便于分级分期建设和增容扩建，有利 于及早发挥投资效益。
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•双桥换流器：如果换流器 只有一对换流桥串联组成 ，则称这样的换流器为双 桥换流器。
•结构特点：共有12个 阀臂，正常运行时阀 臂开通的顺序为11— 12—21—22—31— 32—41—42—51— 52—61—62，各个臂 开通的时间间隔为交 流侧周期的十二分之 一(即在相位上间隔 30º°)。由于整流输 出电压在每个交流电 源周期中脉动12次， 故该换流桥也称为12 脉动换流桥。
2. 1987年，我国投产了第一项高压直流输电工程浙江大陆—— 舟山群岛的跨海输电(50MW，100kV)工程，填补了我国高 压直流输电工程的空白，为今后发展和建设高压直流输电工 程提供了宝贵的建设和运行经验。
3. 1989年葛洲坝—上海高压直流输电工程的投入运行，标志我 国高压直流输电工程已迈入世界先进行列。该直流系统采用 500kV双极联络线，额定容量为1200MW，输电距离为 1045km，它的建成把华东、华中这两个装机容量超过14GW 的大电网连接起来，形成了我国第一个大电网联合系统，使 长江葛洲坝水电站的电能源源不断送往上海。
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•高压直流输电自20世纪50年代兴起至今，全世界有 80多项高压直流输电系统投入运行 。
•巴西伊泰普直流 输电工程
•南非英加—沙巴 直流输电工程
•英法海峡 直流输电工
程 •瑞典—德国的波罗的 海高压直流输电工程
•架空线路最高电压(±600kV) 和最大输送容量(6300MW)
•最长架空直流线路传送距离(1700km) )
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6.3.1 高压直流输电系统的谐波特点
直流输电系统的平波电抗器电抗值通常比换相电 抗值要大的多，所以对于与换流器连接的交流系 统来说，换流器及其直流端所连接的直流系统可 以看作一个高内阻抗的谐波电流源。
为了正确估计谐波所引起的不良影响、正确设计 和选择滤波装置，必须对直流输电系统中的谐波 进行分析。在分析谐波时，通常先采用一些理想 化的假设条件，这样不但可以使分析得到简化， 而且对谐波中的主要成分可以得出具有一定精度 的结果，根据这些假设条件，得出有关特征谐波 的结论。然后，对某些假定条件加以修正，使分 析计算接近于直流输电系统实际的运行和控制情 况。
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(2)双极联络线
• 双极联络线有两根导线，一正一负，每端有两个额定电 压的换流器串联在直流侧，两个换流器间的连接点接地。 正常时，两极电流相等，无接地电流。若因一条线路故障 而导致一极隔离，另一极可通过大地运行，承担一半的额 定负荷，或利用换流器及线路的过载能力，承担更多的负 荷。
•图6-3 双极联络线结构
•电缆线路的最大输送容量2000MW)
•电缆线路的最高电压(450kV)和最 长距离(250km)
•俄罗斯—芬兰之间的维 堡高压直流输电工程
•背靠背换流站的最大容量 (1065MW)
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•我国对高压直流输电的研究
起步较晚
1. 1977年在上海建设成并投运了我国第一条31kV、4650kW， 长8.6km的直流输电试验线路。
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2. 直流输电的缺点
(1)直流输电的换流站比交流变电站设备多、造价高、结构复 杂、运行费用高。
(2)换流器工作时需要消耗较多的无功，需要进行无功补偿。 (3)换流器工作时，在直流侧和交流侧均产生谐波，必须装设
滤波装置，使换流站的造价、占地面积和运行费用大幅度 提高。 (4)直流电流没有电流的过零点，灭弧较难。因此高压直流断 路器制造困难，不能形成直流电网。 (5)直流输电利用大地(或海水)为回路会产生一系列技术性问 题。
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•我国对高压直流输电的研究
起步较晚
1. 4. 我国第一个交直流并联运行系统天生桥—广州直流 输电工程于2001年6月全面建成投运，该工程线路长度 约980km，送电容量为1800MW，电压为±500kV。嵊 泗高压直流输电工程是我国自行设计和建造的海底电缆 高压直流工程于2002年全部建成。
2. 5. 三峡工程的兴建、全国联网和西电东送步伐的进一 步加快，为扩大高压直流输电技术的应用创造了良好的 条件。
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•图6-7 阀的电气连接示意图 (a)晶闸管级；(b)阀组件；(c)单阀(桥•臂)；(d)换流桥
6.2.2 12脉动换流器
在大功率、远距离直流输电工程中，为了减小谐 波影响，常把两个或两个以上换流桥的直流端串 联起来，组成多桥换流器。
多桥换流器结构 • 由偶数桥组成，其中每两个桥布置成为一个 双桥。每一个双桥中的两个桥由相位差为30º° 的两组三相交流电源供电，可以通过接线方式 分别为Y—Y和Y—D的两台换流变压器得到。
3.
2004年底，三峡—常州、三峡—广东、贵州—广东
±500kV、3000A、3000MW的高压直流输电工程投运
，标志着我国的高压直流输电技术已跨入世界先进行列
。随着电力电子技术的进步和高压直流输电设备价格的
下降，将使压直流输电的优势更加明显，在未来的电力
系统中将会更具竞争力。
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6.1.2 高压直流输电的特点
电力电子技术课件第6章
2020年7月21日星期二
6.1 高压直流输电概述
•高压直 流输电
(HVDC)
•将发电厂发出的交流电通过换 流器转变为直流电(即整流)，然 后通过输电线路把直流电送入受 电端，再把直流电转变为交流电 供用户使用(即逆变)。
•电力电子技术的一个重要应用领域，与其他应用 技术相比，其实用化较早、电压与功率等级最高。
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6.2 换流器的工作原理
6.2.1 换流阀
在直流输电系统中，为实现换流所需的三相桥式换流 器的桥臂，称为换流阀 。
•整流
换流阀功能 •逆变
•开关
半导体阀可分为晶闸管阀(或可控硅阀)、低频门极关 断晶闸管阀(GTO阀)、高频绝缘栅双级晶体管阀 (IGBT阀)三类。
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晶闸管阀是由晶闸管元件及其相应的电子电路、阻 尼回路、阳极电抗器、均压元件等通过某种形式的 电气连接后组装而成的换流桥的桥臂。
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(3)同极联络线
同级联络线导线数不少于两根，所有导线同极性。通 常导线为负极性，因为这样由电晕引起的无线电干扰较 小。系统采用大地作为回路，当一条线路发生故障时， 换流器可为余下的线路供电。这些导线有一定的过载能 力，能承受比正常情况更大的功率。
•图6-4 同极联络线结构
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(4)背靠背直流输电系统
✓实际上，用于计算特征谐波的理想条件是不存在的 ，总是存在比较小量的非特征谐波。
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特征谐波
单纯由于换流器接线方式而产生的谐波称为特征
谐波。例如：一个脉动数为p的换流器，在它的直 流侧将主要产生n=kp次的电压谐波，而在它的交 流侧将主要产生n=kp±1次的电流谐波，其中k为
任意的整数。