随笔之十二-高压直流输电系统

随笔之十二-高压直流输电系统

严同· 1 个月前

直流输电是我个人比较偏好的一种输电方式了，试作总结一二，主要是高压直流输电（HVDC）。

一、高压直流输电概述

高压直流输电：将三相交流电通过换流站整流变成直流电，然后通过直流输电线路送往另一个换流站逆变成三相交流电的输电方式。

高压直流输电原理图如下：

•换流器（整流或逆变）：将交流电转换成直流电或将直流电转换成交流电的设备。

•换流变压器：向换流器提供适当等级的不接地三相电压源设备。

•平波电抗器：减小注入直流系统的谐波，减小换相失败的几率，防止轻载时直流电流间断，限制直流短路电流峰值。

•滤波器：减小注入交、直流系统谐波的设备。

•无功补偿设备：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。

高压直流输电对比交流输电：

1）技术性

•功率传输特性。交流为了满足稳定问题，常需采用串补、静补等措施，有时甚至不得不提高输电电压。将增加很多电气设备，代价昂贵。直流输电没有相位和功角，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。•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

0.4~0.8秒，加上重合闸时间，约0.6~1秒恢复。直流线路单极接地，整流、

逆变两侧晶闸管阀立即闭锁，电压降为零，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0.2~0.35秒。•过负荷能力。交流输电线路具有较高的持续运行能力，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2小时过负荷能力、10秒钟过负荷能力和固有过负荷能力等。前两者上直流工程分别为10%和25%，后者视环境温度而异。就过负荷而言，交流有更大灵活性，直流如果需要更大过负荷能力，则在设备选型时要预先考虑，此时需增加投资。

•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，直流输电则可全自动控制。直流输电控制系统响应快速、调节精确、操作方便、能实现多目标控制。

•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。

• 电缆：电缆绝缘用于直流的允许工作电压比用于交流时高两倍，例如35kV的交流电缆容许在100kV左右直流电压下工作，所以在直流工作电压与交流工作电压相同的情况下，直流电缆的造价远低于交流电缆。

• 输电线路的功率损耗比较。在直流输电中，直流输电线路沿线电压分布平稳，没有电容电流，在导线截面积相同，输送有用功率相等的条件下，直流线路功率损耗约为交流线路的2/3。并且不需并联电抗补偿。

• 线路走廊。按同电压500kV考虑，一条500kV直流输电电线路的走廊约40m，一条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。

总的来说， 下列因素限制了直流输电的应用围：不能用变压器来改变电压等级；换流站的费用高；控制复杂。

2）可靠性

• 强迫停运率

•电能不可用率

3）经济性

•就变电和线路两部分看，直流输电换流站投资占比重很大，而交流输电的输电线路投资占主要成分；

•直流输电功率损失比交流输电小得多；

•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。

在某一输电距离下，两者总费用相等，达一距离称为等价距离。这是一个重要的工程初估数据。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。

高压直流输电分类：

1）两端HVDC系统：由两个换流站组成的直流输电系统。分为单极类、双极类和背靠背，前两个很好理解，主要就是背靠背直流。

背靠背直流：

• 没有直流线路的HVDC系统。

• 主要用于两个非同步运行的交流电力系统之间的联网或送电，也称非同步联络站。

• 整流站和逆变站的设备通常装设在一个站，也称背靠背换流站。

• 直流侧可选择低电压大电流；直流侧谐波不会造成通信线路的干扰；造价比常规换流站降低约15%～20%。

2）多端直流输电系统（MTDC）：将直流系统联接到交流电网上的节点多于两个时，就构成了多端高压直流系统。

目前国的高压直流输电工程还是非常多的。

二、高压直流输电的一些原理

关于换流器的原理就不展开了，很多电力电子容，主要总结下直流输电控制方式。

直流输电控制系统的目标是：1）保持直流功率、电压、电流和控制角在稳态值围；2）限制暂态过电压和过电流；3）交直流系统故障后，在规定的响应时间平稳地恢复送电。

直流系统的主要优势就在于控制，其中也是比较复杂。

直流输电基本控制模块：

•低压限流控制(VDCOL) ：低压限流环节的任务是在直流电压或交流电压跌落到某个指令值时对直流电流指令进行限制。

•定电流控制(CCA) ：在极控制功能中定电流控制应用最为广泛。定电流控制的控制框图如图所示.在整流侧，定电流控制器的输入量是电流整定值TM3与实际电流TM4的偏差。

•定熄弧角控制(AMAX) ：绝大多数直流工程的熄弧角定值都在15°～18°的围，熄弧角这一变量可以直接测量，却不能直接控制，只能靠改变换流器的触发角来间接调节。熄弧角不仅与逆变侧触发角有关，还取决于换相电压和直流电流的大小。

•定电压控制(VCAREG) ：在整流和逆变方式下都设置了定电压控制功能模块，这个控制器的功能是用于降压运行，但它也有利于正常方式运行，其控制也采用的是PI调节方式。

辅助控制模块：

•分接头控制(TCC) ：分接头控制的目的是保持触发角、熄弧角、直流电压运行在指定围，分接头控制的特点是调节速度比较慢。

•无功功率控制(RPC) ：不同的直流工程，滤波器和电容器分成几组，由电力开关进行投切。

一般情况下，1）当两侧交流系统中的电压波动不大时，整流侧采用定电流控制，逆变侧采用定熄弧角控制。2）为了快速、精确地调节功率，整流侧采用定电流控制(或定功率控制)，逆变侧采用定直流电压控制。

原因在于：整流侧用定电流控制可以控制触发角根据负载改变，定电压控制保持逆变侧触发角恒定，这样传输电流即功率传输大小可以通过整流侧触发角来控制.

不过当整流侧触发角达到最小值（大概5°），就不能继续用定电流控制了，整流侧触发角只能恒定，也会变成定电压控制了。