高压直流输电 系统

（4）利用直流输电调节作用能提高交流系统 ） 的稳定性 如前所述，直流输电具有快速响应的特点， 当交流系统发生故障时，利用直流输电的 调节作用，能有效地提高交流系统的稳定 性。著名的美国BPA 500kV交直流并列运行 线路，2回长152lkm交流线路共送2860MW， 平均1回送电1430MW，直流的调节作用是 重要措施之一。
2）恒定β角控制。用触发超前角β表示的逆变器等 值电路如图2.17（a）所示。β保持恒定时，逆变 器的V-I特性曲线斜率为正，如图3.1.6（b）所示。 在低负荷时，恒定的β还能保证不会产生换相失败。 可是，在较高的电流（较大的叠弧）下，会遇到 最小γ值问题。恒定β控制方式并不适用于正常运 行状态。它被认为时一种备用的控制方式，在暂 态条件下直接作用于触发角是有益的。
可靠性 的比较
强迫停运率 电能不可用率 总的来说， 总的来说，从可靠性和可用率两个指标 来看， 直流两种输电方式是相当的， 来看，交、直流两种输电方式是相当的， 都是可行的。 都是可行的。
经济性 的比较
交、直流两种输电方式，就其造价而言，各具如 下特色： （1）输送容量确定后，直流换流站的规模 1 随之确定，其投资也即固定下来，距离的增加， 只与线路造价有关。交流输电则不同，随着输 电距离的增加，由于稳定、过电压等要求。需 要设置中间开关站。因此，对于交流输电方式， 输电距离不单影响线路投资，同时也影响变电 部分投资。
3）低电压限制电流指令（VDCOL）。在低电压条件下，要 想保持额定直流电流或额定功率是不可期望或不可能的， 其原因如下： 当一个换流器的电压降超过30％时，和它相隔很远的换流 器的无功需求将增加，这对交流系统可能有不利的影响。 远端换流器的或β必须更高以控制电流，因而引起无功功 率的增加。系统电压水平的降低也会使滤波器和电容器所 提供的无功功率明显减少，而通常换流器吸收的无功功率 大部分由它们提供。 当电压降低时，也会面临换相失败和电压不稳定的风险。 这些和低电压条件下的运行状况有关的问题可通过引入 “依赖于电压的电流指令限制”（VDCOL）来防止。当 电压降低到预定值以下时，这个限制降低了最大容许直流 电流。VDCOL特性曲线可能是交流换相电压或直流电压 的函数。图3.1.9示出了这两种类型的VDCOL。
高压直流系统通过控制整流器和逆变器的 内电势（Vdorcosα）和（Vdoicosγ）来控制 线路上任一点的直流电压以及线路电流 （或功率）。这是通过控制阀的栅／门极 的触发角或通过切换换流变压器抽头以控 制交流电压来完成的。 要变更功率输送的方向，可采取更换两端 的直流电压极性的方法。
在选择控制特性时，应该考虑下列要求：
3
π
X c Id B
或
V d = V do cos γ −
3
φ = cos
−1
π
X cId B
( V d / V do )
P = Vd I d = Pac
Q = P tan φ
多桥换流器
采用12脉波换流桥时，直流电压的纹波减小；6次和18次谐 波分量消失 （6脉波换流桥的直流侧有6次及其整倍数的谐波， 然而12脉冲换流桥只有12次及其整倍数的谐波）。
（5）控制方式的稳定性 ） 如图3.1.7所示，在接近于逆变器的CEA特性曲线 和CC特性曲线的过渡部分的某些电压水平下，整 流器的特性曲线和逆变器的CEA特性曲线的交点 不能很好地确定。在这个区域内，交流电压的微 小变动将引起直流电流的大改变（100％），而且 会在控制方式与抽头切换之间产生来回摆动的趋 势。为避免这个问题，经常在逆变器的CEA和CC 控制特性曲线的过渡部分引入一个斜率为正的特 性（恒定β），如图3.1.8（a）所示。另一种变化 如图3.1.8（b）所示，它是通过一个电压反馈回路 来控制直流电压。
图3.1.6 可选择的逆变器运行方式
图3.1.7 控制方式混淆的区域
图3.1.8 使控制方式稳定的修正伏安特性
（7）电流限制 ） 确定电流指令时必须考虑如下限制： 1）最大电流限制。为避免换流阀受到过 热损害。一般短时间最大电流限定在正常 满负荷电流的1.2到1.3倍。 2）最小电流限制。当电流值较低时，电流 的波动会引起它的不连续或间断。因此， 在12脉波的运行情况下，电流在一个周期 内会被中断12次。这种情况是不允许的， 因为在中断瞬间电流变化率很高，会在变 压器绕组和直流电抗器上感应出高电压 （Ldi／dt）。
高压直流输电系统
李兴源 四川大学
第1 章 导论
在特定条件下，高压直流（HVDC）输电 的优点超过交流输电： 超过30km左右的水下电缆 超过 左右的水下电缆 两个交流系统之间的异步联接 大容量远距离架空线输电
1.1 高压直流输电运行特性 及其与交流输电的比较
（1）技术性能； （2）可靠性； （3）经济性。
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整流器和逆变器的组合特性
图3.1.5 每个换流器有逆变和整流组合特性的运行
可选择的逆变器控制方式
1）直流电压控制方式。用闭环电压控制取代 调节γ到固定值（CEA），可以保证在直流线 路上的一个期望点维持恒定电压，通常该点为 送端（整流器）。维持期望的直流电压所必需 的逆变器电压可以通过计算线路的RI电压降来 估计。与恒定γ角控制（有下降的电压特性曲 线）相比较，这种电压控制方式的有点在于， 它的逆变器V-I特性曲线是一条水平线，如图 3.1.6（a）所示。另外，这种电压控制方式的γ 值略高，因而换相失败的可能性较小。一般来 说，和抽头切换装置相配合，该电压控制方式 维持γ角大约在18。。
（3）过负荷能力 ） 通常，交流输电线路具有较高的持续运行能力，受发热 条件限制的允许最大连续电流比正常输送功率大得多， 其最大输送容量往往受稳定极限控制。 直流线路也有一定的过负荷能力，受制约的往往是换流 站。通常分2h过负荷能力、10s过负荷能力和固有过负荷 能力等。前两者葛上直流工程分别为10％和25％，后者 视环境温度而异。 总的来说，就过负荷能力而言，交流有更大的灵活性。 直流如果需要具有更大的过负荷能力，则必须在设备选 型时要预先考虑，此时需要增加投资。
（7）调度管理 ） 由于通过直流线路互联的两端交流系统可 以有各自的频率，输送功率也可保持恒定 （恒功率、恒电流等）。对送端而言，整 流站相当了交流系统的一个负荷。对受端 而言，逆变站则相当于交流系统的一个电 源。互相之间的干扰和影响小，运行管理 简单方便，深受电力管理、运行部门的欢 迎。对我国当前发展的跨大区互联、合同 售电、合资办电等形成的联合电力系统， 尤为适宜。
（5）潮流和功率控制 ） 交流输电取决于网络参数、发电机与负荷 的运行方式，值班人员需要进行调度，但 又难于控制，直流输电则可全部自动控制。 （6）短路容量 ） 两个系统以交流互联时，将增加两侧系统 的短路容量，有时会造成部分原有断路器 不能满足遮断容量要求而需要更换设备。 直流互联时，不论在哪里发生故障，在直 流线路上增加的电流都是不大的，因此不 增加交流系统的断路容量。
（2）就变电和线路两部分看，直流输电换 流站投资占比重很大，面交流输电的输电 线路投资占主要成分。 （3）直流输电功率损失比交流输电小得多。 （4）当输送功率增大时，直流输电可以采 取提高电压、加大导线截面的办法，交流 输电则往往只好增加回路数。
随着输电距离的改变，交、直流两种输电方 式的造价和总费用将相应作增减变化。在 某一输电距离下，两者总费用相等，这一 距离称为等价距离。这是一个重要的工程 初估数据。概括地说，超过这一距离时， 采用直流有利；小于这一距离时，采用交 流有利。对于超高压输电系统，典型架空 线路的等价距离大约为800km。尽管地下电 缆或是海底电缆的造价比架空线路高了一 个数量级，但其等价距离却只有50km。
图2.6.1 12脉波换流桥
第3章 高压直流输电系统的 章 控制和特性 3.1 控制的基本原理
Id V dor c o s α − V doi c o s γ = R cr + R L − R ci
Pdr = Vdr I d
Pdi = Vdi I d = Pdr − R I
2 L d
图3.1.1 HVDC输电联络线 （a）示意图；（b）等值电路；（c）电压分布。
（8）线路走廊 ） 按同电压500kV考虑，1条500kV直流输电线 路的走廊约40m，1条500kV交流线路走廊 约为50m，但是1条同电压的直流线路输送 容量约为交流线路的2倍，直流输电的线路 走廊，其传输效率约为交流线路的2倍甚至 更多一点。
下列因素限制了直流输电的应用范围： 下列因素限制了直流输电的应用范围： 直流断路器的费用高； 不能用变压器来改变电压等级； 换流设备的费用高； 由于产生谐波，需要交流和直流滤波器； 控制复杂。 近年来，直流技术已有了明显的进步，除了上述的第二条除 近年来，直流技术已有了明显的进步， 其余缺点都可予以克服。这些技术如下： 外，其余缺点都可予以克服。这些技术如下： 直流断路器的进展； 晶闸管的模块化结构和额定值增加； 光触发晶闸管； 换流器采用12或24脉波运行； 采用氧化金属变阻器； 换流器控制采用数字和光纤技术。
控制特性
图4.1.2 理想的稳态伏安特性（Vd是在整流器上测量的值； 逆变器特性包括 RL I d 电压降）
图3.1.3 实际的换流器控制稳态特性
图3.1.4 电流调节器
在正常电压下，逆变器的恒熄弧角（CEA）特性曲线和整 流器持性曲线相交于E。可是，逆变器的CEA特性（CD） 不会和由表示的在降低电压下的整流器特性曲线相交。所 以，整流器电压的大幅度降低会引起电流和功率在短时间 内下降到零，这个时间取决于直流电抗器，从而系统将会 停运。 为了避免上述问题，逆变器也要配置一个电流控制器， 其整定的电流值比整流器的电流整定值小。完整的逆变器 特性曲线由DGH给出。它包括两部分：一部分为恒定熄弧 角（CEA）特性曲线，一部分为恒定电流特性曲线。
技术性能的比较 （1）功率传输特性 ） 众所周知，随着输送容量不断增长，稳定问题 越来越成为交流输电的制约因素。为了满足稳 定问题，通常需采取串补、静补、调相机、开 关站等措施，有时甚至不得不提高输电电压。 但是，这将增加很多电气设备，代价是昂贵的。 直流输电没有相位和功角，当然也就不存在 稳定问题，只要电压降、网损等技术指标符合 要求，就可达到传输的目的，无需考虑稳定问 题，这是直流输电的重要特点，也是它的一大 优势。
1.2 高压直流输电系统的结构和 元件
高压直流联络线大致可分以下几类： （1）单极联络线； （2）双极联络线； （3）同极联络线。
图1.3.1 单极HVDC联络线
图1.3.2 双极HVDC联络线
图1.3.3 同极HVDC联络线
高压直流输电系统的元件
第2章 换流器理论及特性方程 章
图2.2.2 三相全波桥式电路
（2）线路故障时的自防护能力 ） 交流线路单相接地后，其消除过程一般约0.4～0.8s，加 上重合闸时间，约0.6～1s恢复。 直流线路单极接地，整流、逆变两侧晶闸管阀立即闭 锁，电压降到零，迫使直流电流降到零，故障电弧熄灭 不存在电流无法过零的困难，直流线路单极故障的恢复 时间一般在0.2～0.35s内。 从自身恢复的能力看，交流线路采用单相重合闸，需要 满足单相瞬时稳定，才能恢复供电，直流则不存在此限 制条件。 若线路上发生的故障在重合（直流为再启动）中重燃， 交流线路就三相跳闸了。直流线路则可用延长留待去游 离时间及降压方式来进行第2、第3次再启动，创造线路 消除故障、恢复正常运行的条件。对于单片绝缘子损坏， 交流必然三相切除，直流则可降压运行，且大都能取得 成功。
图2.2.3 三相全波桥式换流器等效电路
整流器和逆变器工作方式
图2.3.1 桥式整流器的等效电路
Vd
为正）
图2.3.4 逆变器的等效电路
图 2.3.3 描述整流器及逆变器运行所用的角
交流量和直流量之间的关系
换流器的稳态方程归纳如下：
Vdo = 3 2
π
BTEac
Vd = Vdo cosα −
防止交流系统电压的变化引起直流电流的 大波动； 保持直流电压在额定值附近； 保持送端和受端的功率因数尽可能高； 防止逆变器的换相失败。 运用换流器的快速控制来防止直流电流的大 波动，这是保证HVDC线路满意运行的一个 重要要求。
以下是维持高功率因数的几个原因： 在给定变压器和阀的电流和电压额定值的 条件下，使换流器的额定功率尽可能高； 减轻阀上的应力； 使换流器所连接的交流系统中设备的损耗 和电流额定最小； 在负荷增加时，使交流终端的电压降最小； 使供给换流器的无功功率费用最小。