第一章 高压直流输电技术

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高压直流 输电技术
HVDC transmission
HVDC
High Voltage Direct Current Transmission
主要参考书

李兴源.高压直流输电系统的运行与控制.北京:科 学出版社,1998.
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. 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.
送端 受端 技术指标
2kV,1.5kW, 57km电报线 米期巴赫煤矿 慕尼黑国际展览 (Miesbach ) 会(Munich )
特点:
① 第一个电力系统; ② 线路损耗:78%; ③ 从此进入试验性阶段
HVDC标志性事件
2. 1954年,瑞典,HVDC首次投入商业运行
送端
瑞典大陆
受端
果特兰岛
技术指标


主要内容
第一章 基本概念
第二章 换流器理论及特性方程
第三章 谐波及其抑制 第四章 HVDC的控制和特性 第五章 交流和直流间的相互作用
第一章 导 论
学习目的:
1.了解直流输电的历史以及直流输电技术在我国的 应用; 2.掌握直流输电与交流输电的性能比较; 3.掌握高压直流输电联络线的分类及直流输电的基 本原理。
HVDC标志性事件
1、舟山直流输电工程
宁波 大碶镇
-100kV,50MW,0.5kA
舟山群岛 鳌头浦
54km(架空线:42km,海底电缆:12km)
制造商: 中国西电公司 试运行时间: 1987.12.8 正式鉴定时间: 1989.9.1
主要特点: 1、我国第一个试点工程舟山直流输电试验工程; 2、完全由我国自行完成
第三次技术革命(始于20世纪中叶)
基 础:电子技术、信息理论、系统理论、控制理论
主要标志:新能源利用、电子管、半导体、集成 电路、新技术的广泛应用
应 用:电气工程、电子信息、通信、自动控制、 计算机技术、家用电器、医疗设备、化工 等领域。

1831年,法拉第发现电磁感应原理,奠定了发电 机的理论基础。科学的发现,引起了技术的发明。
晶闸管阀换流时期

1970年,瑞典首先在果特兰岛直流工程上扩建了直流电压 50kV,功率10MW,采用晶闸管换流阀的试验工程。

1972年,世界上第一个全部采用晶闸管换流的伊尔河背靠
背直流工程在加拿大投入运行。
由于晶闸管换流阀比汞弧阀有明显优点,此后新建的直流 工程均采用晶闸管换流阀。20世纪70年代以后汞弧阀被淘 汰,开始了晶闸管换流时期。

于整流,也解决了逆变问题,它的问世使直流输电成为现 1954年 世界第一个工业性直流工程——果特兰岛直流工

程在瑞典投入运行。

1977年
最后一个采用汞弧阀换流的直流工程投入运行。
这个时期被称为汞弧换流时期。
果特兰岛 直流工程

从 1954年世界上第一个工业性直流输电工程(哥特
兰岛直流工程)在瑞典投入运行以后,到1977年最



1954年~1972年——发展阶段
特点: (1)直流输电设备的制造技术、施工质量、运行水
平有了很大的提高,直流输电进入了工业实用阶段。
(2)采用直流输电具有多方面的目的:水下输电;
两个额定频率不同的交流系统互联;远距离、大功率输 电。 (3)换流装置仍采用汞弧阀,参数和质量有很大的 提高与改善。
晶闸管换流阀特点:


体积减小、成本降低;
可靠性提高;

晶闸管换流阀没有逆弧故障,而且制造、试 验、运行、维护和检修都比汞弧阀简单而方 便。
新型半导体换流设备的应用

1997年3月,世界上第一个采用绝缘栅双极晶闸管( IGBT ) 组成电压源换流器的直流输电工业性试验工程在瑞典中部投 入运行,其输送功率和电压为 3MW 、 10kV ,输送距离为 10km。
100/150kV , 20MW/30MW , 96km海底电缆
果特兰岛直流工程
特点:
① 电力电子元件: 汞弧阀(一期)、晶闸管(二期); ② 从此进入稳步发展阶段
HVDC标志性事件
3. 1972年, 加拿大, HVDC首次全部采用晶 闸管元件
技术指标 魁北克省水电 新不伦威克省 2×80kV, 2× 160MW, 站 背靠背 伊尔河背靠背直流工程 送端 受端 特点: 从此进入大力发展阶段

1866年,德国物理学家西门子发明了励磁电机,并 预见:电力技术很有发展前途,它将会开创一个新纪元。 西门子生于汉诺威。 18岁入普鲁士炮兵服役,后 进柏林陆军大学学习,毕业后到 兵厂工作,28岁提升为柏林炮厂 厂长。31岁时和机械师哈尔克在
柏林郊区创设了西门子—哈尔斯
克电报机制造厂。
1879年10月,美国发明家爱迪生(Thomas Alva Edison,1847~1931)发明了电灯。 1882年,爱迪生建成世界上第一座较正规的发电 厂,装有6台直流发电机,共900马力(1马力 =0.735kW,),通过110V电缆供电,最大送电距 离1.6km,供6200盏白炽灯照明用,完成了初步的 电力工业技术体系。 1892年,爱迪生创立通用电气公司。
我国直流输电工程建设:
• 宁波-舟山群岛(100 kV,50 MW,1988年投运) • 葛洲坝-上海( 500 kV,1200 MW,1989年投运) • 上海-嵊泗群岛( ±50kV,60MW,2002年投运) • 天生桥-广州( 500 kV,1800 MW,2001年双极投运)
• 三峡左岸-常州( 500 kV,3000 MW,2003年投运)

2000年,在瑞典、澳大利亚、爱沙尼亚和芬兰等地已有 5个
轻型直流输电工程投入运行。 IGBT 单个元件的功率小、损耗大,不利于大型直流输电工 程采用。近期研制成功的集成门极换相晶闸管( IGCT)和
大功率碳化硅元件有很好的应用前景。
HVDC标志性事件
1. 1882年,德国,HVDC首次成功试验

1972年至现在——大力发展阶段
特点:
(1)新建设的直流工程几乎全部采用晶闸管阀。
( 2 )这一阶段建设的直流输电工程几乎全是超高压
工程。 (3)单回线路的输电能力有了很大增加。 (4)发展速度很快,而且规模越来越大。
汞弧阀换流时期

1901年 逆变。 1928年 实。
发明汞弧整流管,但只能用于整流,而不能进行 具有栅极控制能力的汞弧阀研制成功,不但可用
宜昌宋家坝
上海市奉贤县南桥
3、天生桥—广州直流输电工程
天生桥 马窝换流站 980km ±500kV,1800MW, 1.8kA 广州 北郊换流站
制造商: 单极投运时间: 双极投运时间:
Siemens公司 2000.12 2001.6
主要特点:世界第一个远距离架空线路上采用 有源滤波器
天广交直流并联输电系统

直流输电发展
对电的认识和电科学的发展源于直流。

1954年以前——试验性阶段
特点:
(1)直流输电工程的参数比较低。
(2)换流装置几乎都是采用低参数的汞弧阀。
(3)发展速度较慢。
代表性工程

1945 年,德国爱 尔巴 - 柏 林:±220kV , 60MW ,
115km(电缆),采用汞弧阀。 1945 年 , 瑞 典 脱 罗 里 赫 坦 - 密 里 路 特 : ±45kV , 6.5MW,50km(架空线),采用汞弧阀。 1950年,原苏联卡希拉 -莫斯科:±220kV, 30MW, 112km (电缆),采用汞弧阀(现已改为晶闸管 阀)。
4、嵊泗直流输电工程(shengsi)
±50kV,60MW, 0.6kA 芦潮港换流站 66.2km
嵊泗换流站
制造商:西电和许继电气 投运时间:2002年 主要特点:我国自行设计和建造的双极海底电缆 直流工程
5、三峡—常州直流输电工程
后一个采用汞弧阀换流的直流输电工程(纳尔逊河
I 期工程)建成,世界上共有 12 项汞弧阀换流的直
流工程投入运行,其中最大的输送容量为 1440MW
(美国太平洋联络线 I 期工程),最高输电电压为
±450kV (纳尔逊河 l 期工程),最长输电距离为
1362km(太平洋联络线)。
汞弧阀制造技术复杂、价格昂贵、 逆弧故障率高,可靠性较低、运行维护不便, 使直流输电的发展受到限制。
4)1977年在上海利用杨树浦发电厂到九龙变 电所之间的23kV交流报废电缆,建成了31kV、 150A、4.65MW的直流输电实验工程,全长 8.6km。 ——对换流站产生的谐波和无线电干扰进行 了实测和分析; 5)以上工作为舟山直流输电工程的设计、调 试和运行积累经验,进行技术准备。 6)1987,舟山-宁波直流输电线路建成,并 在89年运行。
我国直流输电发展
1958,我国开始研究HVDC; 1963,电力科学研究院建成国内第一个晶闸
管阀模拟装置(5A); 1977年,在上海,将一条报废的交流电缆线 路改造成为31kV的HVDC试验线路,供研究使 用。
1 ) 1958 ,我国开始研究 HVDC—— 跨越了汞弧 阀换流时期; 2 ) 1963 ,电力科学研究院建成国内第一个晶 闸管阀模拟装置;(5A)。 ——开始了对直流输电技术及控制保护系统的 研究; 3) 1974年在西安高压电器研究所建成 8.5kV、 200A、1.7MW的背靠背换流试验站。 ——对一次设备和二次设备,及控制保护特性、 故障类型进行考核试验;
2、葛洲坝—南桥直流输电工程
±500kV,1200MW, 1.2kA 葛洲坝 1045km 南桥
制造商:葛洲坝-BBC公司;南桥-Siemens公司 单极投运时间: 1989.9 双极投运时间: 1990.8 引进签约时间: 1984.12 主要特点:我国第一个跨大区、跨系统、超高压、 大容量、远距离工程
HVDC的发展阶段及其特点 第一阶段(1954年前)-试验性阶段
以 HVDC首次成功试验为标志。 主要特征: 1)工程运行参数较低, 运行方式复杂, 可靠性低; 2)换流设备几乎都是低参数的汞弧阀; 3)发展速度较慢。
HVDC的发展阶段及其特点
第二阶段(1954-1972年)-稳步发展阶段
1.1 直流输电发展
对电的认识和电科学的发展源于直流。
人类近代的技术革命
第一次技术革命(始于18世纪下半叶) 基 础:牛顿力学 主要标志:蒸汽机 应 用:机器制造、采矿、铁路、冶金、纺织 第二次技术革命(始于19世纪下半叶) 基 础:电磁学原理、电路原理、化工原理、力学等
主要标志:电力、钢铁、化工;汽车、飞机、通讯 应 用:电气工程、电子信息、通信、自动 控制 化工、钢铁等领域
代表性工程

1954年,瑞典大陆 -果特兰岛工程: 100kV,20MW,
96km(水下电缆),采用汞弧阀。

1965年,日本的佐久间工程:把50Hz 和60Hz 的两
个不同频率的交流系统连接起来。 1970 年 , 美 国 太 平 洋 联 络 线 工 程 : ±400kV , 1440MW,1362km(架空线)。
以 HVDC首次投入商业运行为标志。 主要特征: 1)HVDC完全进入实用化阶段; 2)HVDC的用途扩大; 3)换流设备仍是汞弧阀,但是参数和质 量大大提高。 工程投产速度:1个/2年
HVDC的发展阶段及其特点 第三阶段(1970年-)-大力发展阶段
以 HVDC首次全部采用晶闸管元件为标志。 主要特征: 1) 换流设备几乎都采用晶闸管; 2)几乎所有工程都是超高压工程; 3)单回线输电能力增强; 4)发展速度非常快,规模越来越大。 工程投产速度:2个/年
HVDC工程座数和输电容量
年份
1975 1996 2003
工程数/ 工程增 个 长率/%
11(汞弧阀) 56 76 1 5.1
输电容 输电容 量/GW 量增长率 /%
5 54.166 1
10.833≈11
已投产的HVDC工程数目:76个(截止于2003年) 其中,晶闸管阀工程65个,汞弧阀工程11个; 背靠背工程26个(截止2000年),约占全部工 程的1/3。
• 三峡-广东( 500 kV,3000 MW,2004年投运) • 贵州-广东( 5பைடு நூலகம்0 kV,3000 MW,2004年投运)
• 灵宝背靠背(西北-华中联网工程,2005年投运)
• 三峡-上海( 500 kV,3000 MW,2007年投运) • 贵州-广东二回( 500 kV,3000 MW,2007年投运)
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