高压直流输电.ppt
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,电力电子技术应用,华北电力大学,2023年9月17日,2,交流输电系统的技术问题,输电距离的限制,稳定性问题,潮流难于控制振荡与摇摆,2023年9月17日,3,交流输电系统的技术问题,交变的电磁场:
无功问题,恒定的电磁场:
没有无功问题,电缆输电情况下问题尤为突出!
2023年9月17日,4,HVDC,Rectifier,Inverter,Line/Cable,HVDC,High,Voltage,Direct,Current,2023年9月17日,5,利用稳定的直流电具有无感抗,无同步问题等优点而采用的大功率远距离直流输电。
输电过程为直流。
常用于海底电缆输电,非同步运行的交流系统之间的连络等方面。
高压直流输电技术被用于通过架空线和海底电缆远距离输送电能;同时在一些不适于用传统交流联接的场合,它也被用于独立电力系统间的联接,一、HVDC概述,2023年9月17日,6,在一个高压直流输电系统中,电能从三相交流电网的一点导出,在换流站转换成直流,通过架空线或电缆传送到接受点;直流在另一侧换流站转化成交流后,再进入接收方的交流电网。
直流输电的额定功率通常大于100兆瓦,许多在1000-3000兆瓦之间。
高压直流输电用于远距离或超远距离输电,因为它相对传统的交流输电更经济。
应用高压直流输电系统,电能等级和方向均能得到快速精确的控制,这种性能可提高它所连接的交流电网性能和效率,直流输电系统已经被普遍应用。
一、HVDC概述,2023年9月17日,7,高压直流输电是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。
高压直流输电的主要设备是两个换流站和直流输电线。
两个换流站分别与两端的交流系统相连接。
HVDC的核心有两个:
整流与逆变,一、HVDC概述,2023年9月17日,8,换流站的主要设备包括换流器、换流变压器、平波电抗器、交流滤波器、直流避雷器及控制保护设备等。
换流器又称换流阀是换流站的关键设备,其功能是实现整流和逆变。
目前换流器多数采用晶闸管可控硅整流管)组成三相桥式整流作为基本单元,称为换流桥。
一般由两个或多个换流桥组成换流系统,实现交流变直流直流变交流的功能。
一、HVDC概述,2023年9月17日,9,换流器在整流和逆变过程中将要产生5、7、11、13、17、19等多次谐波。
为了减少各次谐波进入交流系统在换流站交流母线上要装设滤波器。
它由电抗线圈、电容器和小电阻3种设备串联组成通过调谐的参数配合可滤掉多次谐波。
一般在换流站的交流侧母线装有5、7、11、13次谐波滤波器组。
一、HVDC概述,2023年9月17日,10,直流输电技术的主要优点是不增加系统的短路容量便于实现两大电力系统的非同期联网运行和不同频率的电力系统的联网;利用直流系统的功率调制能提高电力系统的阻尼,抑制低频振荡,提高并列运行的交流输电线的输电能力。
它的主要缺点是直流输电线路难于引出分支线路绝大部分只用于端对端送电。
加拿大原计划开发和建设五端直流输电系统现已建成三端直流输电系统。
实现多端直流输电系统的主要技术困难是各种运行方式下的线路功率控制问题。
目前,一般认为三端以上的直流输电系统技术上难实现经济合理性待研究。
二、HVDC的特点,2023年9月17日,11,二、HVDC的特点,最适合大容量、远距离输电的电能形态线路造价较低线路损耗较小异步联接可控制性好,2023年9月17日,12,直流输电系统的技术优势,三、采用HVDC技术的理由,无稳定性问题可快速控制潮流,2023年9月17日,13,高压直流输电系统的经济优势:
等价距离,三、采用HVDC技术的理由,2023年9月17日,14,高压直流输电系统的经济优势:
等价距离,直流输电线造价低于交流输电线路但换流站造价却比交流变电站高得多。
一般认为架空线路超过600-800km,电缆线路超过40-60km直流输电较交流输电经济。
随着高电压大容量可控硅及控制保护技术的发展,换流设备造价逐渐降低,等价距离缩短,使直流输电近年来发展较快。
我国葛洲坝一上海1100km。
三、采用HVDC技术的理由,2023年9月17日,15,高压直流输电系统的经济优势:
线损,三、采用HVDC技术的理由,2023年9月17日,16,高压直流输电系统的经济优势:
环境,三、采用HVDC技术的理由,2023年9月17日,17,ActualSituation,Worldwideelectricalpowerconsumptionisprojectedtoincreasebyover70%duringthenext20years,implyingenormousinvestmentsinpowergeneration.,LimitationsoftheHVACTechnology,ACtransmissionfounditslimitsfortransmissionatverylongdistancesandforasynchronousinterconnections:
Economical:
expensivetransmissionlinesandrightsofway,Technical:
stabilityproblems,highlosses,Generationandconsumptioncentersseparatedbylongdistances,Tendencytoaglobalenergymarket,resultingintheneedofnationalandinternationalgridinterconnections,为什么用HVDC?
三、采用HVDC技术的理由,2023年9月17日,18,ActualSituation,Worldwideelectricalpowerconsumptionisprojectedtoincreasebyover70%duringthenext20years,implyingenormousinvestmentsinpowergeneration.,LimitationsoftheHVACTechnology,ACtransmissionfounditslimitsfortransmissionatverylongdistancesandforasynchronousinterconnections:
Economical:
expensivetransmissionlinesandrightsofway,Technical:
stabilityproblems,highlosses,Generationandconsumptioncentersseparatedbylongdistances,Tendencytoaglobalenergymarket,resultingintheneedofnationalandinternationalgridinterconnections,为什么用HVDC?
三、采用HVDC技术的理由,现实情况:
未来20年电力消费的增长导致巨大的电源建设投资全球电力市场化趋势导致国内乃至国际电网互联的需求电源中心远离负荷中心,HVAC技术的局限交流输电技术在远距离及非同步联网时的局限经济性:
高投资的线路与路权技术性:
稳定性问题,高线损,2023年9月17日,19,HVDC的应用场合,长距离、大容量输电(能源基地到负荷中心)联络线(电力系统之间或电力企业之间)电缆输电(地下或海底)改造原有交流线路以增加输电容量,三、采用HVDC技术的理由,2023年9月17日,20,国内已建成的HVDC线路,宁波舟山群岛(100kV,50MW,1988年投运)上海嵊泗群岛(50KV,60MW,2002年投运)葛洲坝上海(500kV,1200MW,1989年投运)天生桥广州(500kV,1800MW,2001年双极投运)三峡左岸常州(500kV,3000MW,2003年投运)三峡广东(500kV,3000MW,2004年投运)贵州广东(500kV,3000MW,2004年投运)灵宝背靠背(西北华中联网工程,2005年投运),四、中国的HVDC工程,2023年9月17日,21,国内部分在建及规划的HVDC线路,三峡上海(500kV,3000MW,预计2007年投运)贵州广东二回(500kV,3000MW,预计2007年投运)金沙江向家坝、溪洛渡外送工程(更高电压等级?
)澜沧江水电外送工程,四、中国的HVDC工程,2023年9月17日,22,直流输电换流技术直流输电稳态特性直流输电控制系统与控制保护直流输电系统故障分析与保护换流站无功补偿与交流侧滤波换流站直流侧滤波,五、HVDC的主要技术,2023年9月17日,23,HVDC系统构成方式,5.1HVDC的基本原理,2023年9月17日,24,双极系统:
双极运行方式,5.1HVDC的基本原理,2023年9月17日,25,双极系统:
单极运行、大地回路方式,5.1HVDC的基本原理,2023年9月17日,26,双极系统:
单极运行、金属回路方式,5.1HVDC的基本原理,2023年9月17日,27,双极系统:
单极双线并联运行、大地回路方式,5.1HVDC的基本原理,2023年9月17日,28,双极系统:
单极开路试验方式,5.1HVDC的基本原理,2023年9月17日,29,工频相控AC/DC换流器:
电路图,5.1HVDC的基本原理,2023年9月17日,30,工频相控AC/DC换流器:
电路图,5.1HVDC的基本原理,2023年9月17日,31,5.1HVDC的基本原理,静态均压,晶闸管,动态均压,平波电抗,组间均压,冲击陡波均压,阀组件:
晶闸管与均压电路受单只器件控制容量的限制,必须采取组合的形式以满足工作要求,2023年9月17日,32,5.1HVDC的基本原理,换流器桥臂,桥臂符号,2023年9月17日,33,换流器桥臂的构成,5.1HVDC的基本原理,换流器每个桥臂由多个器件组及桥臂保护电路构成,每个器件组由多个单元及组保护电路构成,每个单元由阀元件及元件保护电路构成,特殊性:
均压、均流问题,2023年9月17日,34,5.1HVDC的基本原理,阀、阀组件、阀厅,2023年9月17日,35,器件的串并联使用,晶闸管的串联目的:
当晶闸管额定电压小于要求时,可以串联。
问题:
理想串联希望器件分压相等,但因特性差异,使器件电压分配不均匀。
静态不均压:
串联的器件流过的漏电流相同,但因静态伏安特性的分散性,各器件分压不等。
承受电压高的器件首先达到转折电压而导通,使另一个器件承担全部电压也导通,失去控制作用。
反向时,可能使其中一个器件先反向击穿,另一个随之击穿。
5.1HVDC的基本原理,2023年9月17日,36,静态均压措施:
选用参数和特性尽量一致的器件采用电阻均压,Rp的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多。
晶闸管的串联a)伏安特性差异b)串联均压措施,晶闸管的串联,5.1HVDC的基本原理,2023年9月17日,37,动态不均压由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压。
动态均压措施:
选择动态参数和特性尽量一致的器件。
用RC并联支路作动态均压。
采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间上的差异。
晶闸管的串联,5.1HVDC的基本原理,2023年9月17日,38,晶闸管的并联,目的:
多个器件并联来承担较大的电流问题:
会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀。
均流措施:
挑选特性参数尽量一致的器件。
采用均流电抗器。
用门极强脉冲触发也有助于动态均流。
当需要同时串联和并联晶闸管时,通常采用先串后并的方法联接。
5.1HVDC的基本原理,2023年9月17日,39,5.1HVDC的基本原理,三相交直换流器桥接线,共阴极组,共阳极组,桥臂,2023年9月17日,40,5.1HVDC的基本原理,三相桥式换流器的优点,桥阀承受的电压峰值较低换流变压器容量较小换流变压器接线较简单阀的伏安容量较小直流电压纹波较小,基本的换流器单元,阀的利用率高,变压器的利用率高,2023年9月17日,41,5.1HVDC的基本原理,理想的假定条件,三相交流电源对称、正弦、频率恒定交流电网阻抗对称,忽略换流变压器激磁导纳大电感平波电抗器,换流器直流侧电流为纯直流特性理想的阀桥阀等相位间隔依次触发,2023年9月17日,42,5.1HVDC的基本原理,三相单桥整流器,换相电感,直流平波电感,交流电源,交流侧电流,直流侧电流,阀电流,直流侧电压(滤波前),直流侧电压(滤波后),2023年9月17日,43,5.1HVDC的基本原理,三相桥式换流器中重要的量,交流侧相电压:
va、vb、vc阀电压:
v1v6vd=vm-vn:
直流侧电压Vd:
换流器直流输出电压阀电流:
i1i6交流侧电流:
ia、ib、ic,桥交流端对“O”点电位,“m”、“n”点之间的电位差,V1V6阳极阴极之间电压,vd的平均值,2023年9月17日,44,5.1HVDC的基本原理,交流侧电源电动势(相电势),2023年9月17日,45,5.1HVDC的基本原理,交流侧电源电动势(线电势),2023年9月17日,46,5.1HVDC的基本原理,交流侧电源线电势过零点,eca过零点,eab过零点,ebc过零点,eca过零点,eab过零点,ebc过零点,计时起点,2023年9月17日,47,5.1HVDC的基本原理,换流原理,2023年9月17日,48,5.1HVDC的基本原理,触发滞后角a,P1,P3,2023年9月17日,49,5.1HVDC的基本原理,触发滞后角与开通滞后角a,理想情况下,a1a6相等,记为a触发滞后角:
触发脉冲时刻P与C间的电角度开通滞后角:
阀开通时刻T与C间的电角度,正常运行情况下:
开通滞后角触发滞后角,2023年9月17日,50,5.1HVDC的基本原理,整流器换相过程,Lg存在(换流变压器漏感、交流系统等值电感等)Lg的存在使得阀电流不能突变存在同一半桥中两阀同时导通的区间直流负载电流Id从一阀向另一阀转移换相过程为两相短路过程,2023年9月17日,51,5.1HVDC的基本原理,整流器换相过程,换相前,换相中,换相后,2023年9月17日,52,5.1HVDC的基本原理,整流器换相过程(局部电路),换相前,换相中,换相后,2023年9月17日,53,5.1HVDC的基本原理,换相中,i1,i5,整流器换相过程(V5V1),2023年9月17日,54,5.1HVDC的基本原理,无相控理想空载电压,有相控理想空载电压,有相控带载输出电压,等值换相电阻,整流器等值电路图,2023年9月17日,55,5.1HVDC的基本原理,有源逆变工作方式,2023年9月17日,56,5.1HVDC的基本原理,有源逆变工作方式,2023年9月17日,57,直流电压波形图(整流逆变),工频相控AC/DC换流器:
波形图,5.1HVDC的基本原理,2023年9月17日,58,直流电压波形图(整流逆变,考虑换相过程),工频相控AC/DC换流器:
波形图,5.1HVDC的基本原理,2023年9月17日,59,工频相控AC/DC换流器:
直流侧平均电压,5.1HVDC的基本原理,2023年9月17日,60,工频相控AC/DC换流器伏安特性,5.1HVDC的基本原理,2023年9月17日,61,HVDC系统原理框图,5.1HVDC的基本原理,2023年9月17日,62,5.1HVDC的基本原理,双桥12脉动换流器直流电压(a变化,u=0),2023年9月17日,63,5.1HVDC的基本原理,双桥12脉动换流器直流电压(a变化,u0),2023年9月17日,64,5.1HVDC的基本原理,波形动画:
Rectifier_1_0Rectifier_1_1Rectifier_2_0Rectifier_2_1Rectifier_3Rectifier_3_1,2023年9月17日,65,工频相控AC/DC换流器:
交流侧电流,5.2HVDC的谐波无功问题,2023年9月17日,66,换流器交流侧的特征谐波与非特征谐波,特征谐波:
由换流器结构决定非特征谐波:
由于理想条件不满足而产生,5.2HVDC的谐波无功问题,2023年9月17日,67,换流器交流侧的特征谐波与非特征谐波,特征谐波:
由换流器结构决定非特征谐波:
由于理想条件不满足而产生,必然会产生在各次谐波中占主导地位(未装滤波器时)p脉动换流器直流侧产生pk次谐波,交流侧产生pk1次谐波(k=1,2,3,),5.2HVDC的谐波无功问题,2023年9月17日,68,换流器交流侧的特征谐波与非特征谐波,特征谐波:
由换流器结构决定非特征谐波:
由于理想条件不满足而产生,产生的情况与多种因素有关在各次谐波中占次要地位(未装滤波器时)要考虑装设滤波器后可能的谐波放大问题,5.2HVDC的谐波无功问题,2023年9月17日,69,换流器交流侧电流与功率因数,5.2HVDC的谐波无功问题,2023年9月17日,70,换流器交流侧电流的谐波含量值,5.2HVDC的谐波无功问题,2023年9月17日,71,谐波的危害,附加损耗谐波过电压对通信系统的干扰引起控制系统工作不正常引起继电保护装置误动引起测量误差EMI,5.2HVDC的谐波无功问题,2023年9月17日,72,减小谐波危害的方法,改变电路结构装设滤波器,5.2HVDC的谐波无功问题,2023年9月17日,73,减小谐波危害的方法,改变电路结构装设滤波器,双桥或多桥换流器,5.2HVDC的谐波无功问题,2023年9月17日,74,减小谐波危害的方法,改变电路结构装设滤波器,调谐滤波器(单调谐、双调谐)高通滤波器平波电抗器(直流侧)有源滤波器,5.2HVDC的谐波无功问题,2023年9月17日,75,换流器交流侧滤波器结构与特性,5.2HVDC的谐波无功问题,2023年9月17日,76,换流器所需无功功率的补偿,相控换流器工作时需要消耗大量无功功率交流滤波器可补偿部分或全部所需无功补偿电容器同步调相机(受端弱系统)静止无功补偿装置(SVC、SVG),5.2HVDC的谐波无功问题,2023年9月17日,77,交流侧滤波器或补偿电容器可能出现的问题,与电网阻抗的并联谐振谐波放大或谐振电网阻抗的复杂性,5.2HVDC的谐波无功问题,2023年9月17日,78,HVDC的基本原理,HVDC的控制,2023年9月17日,79,HVDC的控制:
基本调节手段,HVDC的基本原理,等值电路,稳态方程,2023年9月17日,80,单桥HVDC电路图,HVDC的基本原理,2023年9月17日,81,HVDC的基本原理,单桥HVDC直流电压,2023年9月17日,82,直流电压的特点,整流电压平均值的特点:
其中:
(1),增加,则减少;,
(2)增加,则增加,的影响,的影响,的影响,的影响,的影响,HVDC的基本原理,2023年9月17日,83,单桥整流器等效电路,HVDC的基本原理,2023年9月17日,84,整流电压平均值-表达式2,整流电压平均值-表达式3,HVDC的基本原理,单桥整流器整流电压公式,2023年9月17日,85,单桥整流器功率因数,通常,HVDC的基本原理,2023年9月17日,86,HVDC的基本原理,单桥逆变器等效电路,2023年9月17日,87,单桥逆变器电压公式,单桥整流器的整流电压平均值,单桥逆变器整流电压平均值,HVDC的基本原理,2023年9月17日,88,Ud的关系,单桥整流器的整流电压平均值(和):
HVDC的基本原理,2023年9月17日,89,基本控制原理,HVDC等效电路:
外特性方程:
HVDC的基本原理,2023年9月17日,90,外特性方程:
HVDC的基本原理,基本控制原理,HVDC等效电路:
2023年9月17日,91,直流电流,直流电流:
其中,理想空载直流电压:
或,HVDC的基本原理,2023年9月17日,92,直流功率,直流功率:
结论:
可以通过改变角度()和交流电压()数值来调节输出电流和输出功率。
HVDC的基本原理,2023年9月17日,93,基本控制手段,触发脉冲相位控制:
调节换流变分接头控制:
调节换流变分接头,HVDC控制手段:
两类控制手段比较,HVDC的基本原理,2023年9月17日,94,基本控制及其控制特性,基本控制:
保证HVDC系统正常运行所必需的最低限度的控制。
包含:
定触发角控制定电流控制启停控制换流变分接头控制,定熄弧角控制定电压控制潮流反转控制,HVDC的基本原理,2023年9月17日,95,定触发角控制,控制特性方程:
特点:
关于的下倾的直线簇。
增加,则向下平移。
通常:
HVDC的基本原理,2023年9月17日,96,定熄弧角控制,控制特性方程:
通常:
特点:
关于的下倾的直线簇。
增加,则向下平移。
HVDC的基本原理,2023年9月17日,97,定(直流)电流控制,控制特性方程:
选为控制对象的原因:
有效限制故障时的上升。
的变化主要由决定;,HVDC的基本原理,2023年9月17日,98,定电流控制框图,HVDC的基本原理,2023年9月17日,99,定电流控制的配合,两站均装定电流控制,逆变站安装定电流控制的目的:
当下降过多时,协助整流站的定电流控制,使迅速恢复正常值。
HVDC的基本原理,2023年9月17日,100,HVDC的控制:
常见运行方式,HVDC的基本原理,I,整流侧定电流、逆变侧定熄弧角整流侧定电流、逆变侧定电压整流侧定触发滞后角、逆变侧定电流,2023年9月17日,101,HVDC的控制:
运行特性图,HVDC的基本原理,I,2023年9月17日,102,HVDC的控制:
分层控制,HVDC的基本原理,系统级控制定功率控制调频控制换流站控制站控(StationControl)极控(PoleControl)阀基电子设备(ValveBaseElectronics),2023年9月17日,103,HVDC的控制:
系统框图,HVDC的基本原理,2023年9月17日,104,HVDC的控制:
控制系统框图,HVDC的基本原理,2023年9月17日,105,HVDC的控制:
人机界面,HVDC的基本原理,I,2023年9月17日,106,换流变压器(ABB),HVDC设备,2023年9月17日,107,换流变压器(Siemens,广州换流站),HVDC设备,2023年9月17日,108,换流变压器(Siemens,广州换流站),HVDC设备,2023年9月17日,109,换流变压器(Siemens,广州换流站),HVDC设备,2023年9月17日,110,换流器(阀),HVDC设备,2023年9月17日,111,换流器(局部),HVDC设备,2023年9月17日,112,换流器(组件),HVDC设备,2023年9月17日,113,换流器(组件,局部),HVDC设备,2023年9月17日,114,阀厅(Siemens,广州换流站),HVDC设备,2023年9月17日,115,平波电抗器,HVDC设备,2023年9月17日,116,交流侧滤波器,HVDC设备,2023年9月17日,117,直流侧有源滤波器(世界上首次商业应用),HVDC设备,2023年9月17日,118,换流器水冷系统(广州换流站),HVDC设备,2023年9月17日,119,HVDC换流站(美国太平洋
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- 高压 直流 输电