赵婉君《高压直流输电》第一章(2)

主要用于两个非同步运行(不同频率或频率相同但非同步)的交流电力系统之间的联网或送电，也称为非同步联络站。如果两个被联电网的额定频率不相同(如50Hz和60Hz },也可称为变频站。背靠背直流系统的整流站和逆变站的设备通常均装设在一个站内，也称背靠背换流站。在背靠背换流站内，整流器和逆变器的直流侧通过平波电抗器相连，构成直流侧的闭环回路；而其交流侧则分别与各自的被联电网相连，从而形成两个电网的非同步联网。两个被联电网之间交换功率的大小和方向均由控制系统进行快速方便的控制。为降低换流站产生的谐波，通常选择12脉动换流器作为基本换流单元。图1一4所示为背靠背换流站的原理接线。换流站内的接线方式有换流器组的并联方式和串联方式两种。

背靠背直流输电系统的主要特点是直流侧可选择低电压大电流(因无直流输电线路，直流侧损耗小)，可充分利用大截面晶闸管的通流能力，同时直流侧设备(如换流变压器、换流阀、平波电抗器等)也因直流电压低而使其造价也相应降低。由于整流器和逆变器均装设在一个阀厅内，直流侧谐波不会造成对通信线路的干扰，因此可降低对直流侧滤波的要求，省去直流滤波器，减小平波电抗器的电感值。由于上述因素使得背靠背换流站的造价比常规换流站的造价降低约15%一20%，因此采用背靠背系统进行非同步联网在电力系统运行上还具有一系列的优点，详见第十四章内容介绍。

二、多端直流输电系统

多端直流输电系统是由三个或三个以上换流站以及连接换流站之间的高压直流输电线 路所组成，它与交流系统有三个或三个以上连接端口。多端直流输电系统可以解决多电源 供电或多落点受电的输电问题，它还可以联系多个交流系统或者将交流系统分成多个孤立 运行的电网。在多端直流输电系统中的换流站，可以作为整流站运行，也可以作为逆变站 运行，但作为整流站运行的换流站总功率与作为逆变站运行的总功率必须相等，即整个多 端系统的输入和输出功率必须平衡。多端直流输电系统换流站之间的连接方式可以采用并 联方式或申联方式，连接换流站之间的输电线路可以是分支形或闭环形等，详见第十五章 内容介绍。

(1)串联方式的特点是各换流站均在同一个直流电流下运行，换流站之间的有功调节 和分配主要是靠改变换流站的直流电压来实现。通常可用调节换流器的触发角?或换流 变压器的分接开关来改变直流电压。分接开关的调节范围有限(一般为20%一30%),?角也受到最大?max角(一般为50°～60°)的限制，从而使换流站的最小功率受到限制。同时在大?角下运行时，换流站消耗的无功功率也增加很多。串联方式的直流侧电压较高，在运行中的直流电流也较大，因此其经济性能不如并联方式好。当换流站需要改变潮流方向时，串联方式只需改变换流器的触发角，使原来的整流站(或逆变站)变为逆变站(或

整流站)运行，不需改变换流器直流侧的接线，潮流反转操作快速方便。当某一换流站发 生故障时，可投入其旁通开关，使其退出工作，其余的换流站经自动调整后，仍能继续运 行，不需要用直流断路器来断开故障。当某一段直流线路发生瞬时故障时，可调节换流器 的触发角，使整个直流系统的直流电压降到零，待故障消除后，直流系统可自动再起动。 当一段直流线路发生永久性故障时，则整个多端系统需要停运。为避免这种情况发生，必要时可采用双回线的串联系统，此时线路投资将明显增加。

(2)并联方式的特点是各换流站在同一个直流电压下运行(忽略直流线路压降)，换

流站之间的有功调节和分配主要是靠改变换流站的直流电流来实现。可调节控制器的触发 角?以及换流变压器的分接开关来改变直流电流。由于换流器外特性的斜率小，使得在? 角调节范围不大情况下即可满足直流电流从最大值到最小值的调节要求。配合换流变压器 分接开关的调节，则可保持?角在较小的范围内运行，从而使换流器的功率因数高，消 耗的无功功率少，换流设备的运行条件也好。另一方面，由于并联方式在运行中保持直流 电压不变，负荷的减小是用降低直流电流来实现，因此其系统损耗小，运行经济性也好。 由于并联方式具有上述优点，因此目前已运行的多端直流系统均采用并联方式。并联方式 的主要缺点是当换流站需要改变潮流方向时，除了改变换流器的触发角，使原来的整流站 (或逆变站)变为逆变站(或整流站)以外，还必须将换流器直流侧两个端子的接线倒换

过来接入直流网络才能实现。因此，并联方式对潮流变化频繁的换流站是很不方便的。另 外，在并联方式中当某一换流站发生故障并需退出工作时，需要用直流断路器来断开故障 的换流站。在目前大功率直流断路器尚未发展到实用阶段的情况下，采用直流输电的快速 控制，也可以满足运行的要求，通常是将整流站的?角移相到120°～150°，使其变为逆变站运行，从而使直流电压和电流均很快降到零，然后用高速自动隔离开关将故障的换流站 断开，最后对健全部分进行自动再起动，使直流系统在新的工作点恢复工作。整个过程可 在150～ 200ms内完成。

多端直流输电系统比采用多个两端直流输电系统要经济，但其控制保护系统以及运行 操作较复杂。今后随着具有关断能力的换流阀(如IGBT, IGCT等)的应用以及在实际工 惶中对控制保护系统的改进和完善，采用多端直流输电的工程将会更多。

第二节 直流输电工程特点

直流输电工程的主要特点与其两端需要换流和输电部分为直流电这两个基本点有关。 直流输电技术的发展与换流技术的发展，其中特别是大功率电力电子技术的发展有着密切 的关系。目前，绝大部分直流输电工程是采用普通晶闸管换流阀(无自关断能力、频率 低)进行换流。本书所谈的直流输电特点还是在此基础上进行论述的，今后将随着新型电 力电子器件(如IGBT, IGCT,碳化硅器件等)在直流输电工程中不断采用，将使其中某 些缺点得到克服或改善。

一、直流输电优点

(1)直流输电架空线路只需正负两极导线、杆塔结构简单、线路造价低、损耗小。与 交流输电相比，输送同样的功率，直流架空线路可节省约1/3的钢芯铝线，1/3一1/2的钢 材，线路造价为交流输电的2/3，并且在此条件下其线路损耗约为交流的2/3。同时直流 输电所占的线路走廊也较窄。在直流电压作用下，线路电容不起作用，不存在电容电流， 线路沿线的电压分布均匀，不存在交流输电由于电容电流而引起的沿线电压分布不均匀问 题，不需要装设并联电抗器。

{2)直流电缆线路输送容量大、造价低、损耗小，不易老化、寿命长，且输送距离不 受限制。电缆耐受直流电压的能力比耐受交流电压的能力约高3倍以上，因此同样绝缘厚 度和芯线截面的电缆，用于直流输电比用于交流输电的输电容量要大很多。直流电缆线路 只需一根(单极)或两根(双极)电缆，而交流线路则需要U, V, W三相三根电缆。因

此直流电缆线路的造价比交流要低许多。直流电缆线路的损耗主要是电阻损耗，而交流电 缆除电阻损耗外，还有绝缘中的介质损耗和铅皮及铠装中的磁感应损耗。电缆线路的对地 电容比架空线路要大得多，对于交流线路由此所产生的电容电流很大。电容电流势必降低 电缆的有效负荷能力，当电容电流等于电缆所允许的负荷电流时，则芯线的全部负荷能力 均被电容电流所占用，此时电力已不可能用交流电缆来输送。因此交流电缆的输送距离将 受电容电流的限制。直流电缆不存在电容电流，则其输送距离将不受限制，有利于进行远 距离电缆送电。

{3)直流输电不存在交流输电的稳定问题，有利于远距离大容量送电。交流输电的输 送功率P可用下式表示

P?

E1E2sin? (1一1) X12式中，E1、E2分别为送端和受端交流系统的等值电势;?为E1和E2两个电势之间的相 位差，称为功率角; X12为E1和E2之间的等值电抗，对于远距离输电X12主要是输电线 路的电抗。

当?=90°时，P?PM?E1E2。其中PM为输电线路的静态稳定极限。输电线路的输送功X12率均小于PM，因为在运行中如果输送功率接近于PM，当系统有小扰动时，则可能使

?＞90°，此时两端交流系统将会失去同步运行，可能导致两系统解裂。随着输送距离的

增加，X12将增加，允许的输送功率将减小。为增加输送功率必须采取提高稳定的措施，如 增设串联电容补偿，增加输电线路回路数以减少X12；采用快速切故障及重合闸；送端系 统快速切机，强行励磁等。这将使输电系统的投资增加。直流输电的两端交流系统经过整 流和逆变的隔离，无需同步运行，不存在同步运行的稳定问题，其输送容量和距离将不受 同步运行稳定性的限制，这对于远距离大容星输电是很有利的。

(4)采用直流输电实现电力系统之间的非同步联网，可以不增加被联电网的短路容 量，不需要由于短路容量的增加而要更换断路器以及电缆要求采取限流的措施;被联电网

可以是额定频率不同(如50Hz、60Hz)的电网，也可以是额定频率相同但非同步运行白 电网；被联电网可保持自己的电能质量(如频率、电压)而独立运行，不受联网的影响； 被联电网之间交换的功率可快速方便地进行控制，有利于运行和管理。

（5）直流输电输送的有功功率和换流器消耗的无功功率均可由控制系统进行控制，可 利用这种快速可控性来改善交流系统的运行性能。根据交流系统在运行中的要求，可快速 增加或减少直流输送的有功和换流器消耗的无功，对交流系统的有功平衡和无功平衡起快 速调节作用，从而提高交流系统频率和电压的稳定性，提高电能质量和电网运行的可靠 性。对于交直流并联运行的输电系统，还可以利用直流的快速控制来阻尼交流系统的低频 振荡，提高交流线路的输送能力。

（6）在直流电的作用下，只有电阻起作用，电感和电容均不起作用，直流输电采用大 地为回路，直流电流则向电阻率很低的大地深层流去，可很好地利用大地这个良导体。利 用大地为回路可省去一极的导线，同时大地的电阻率低、损耗小、运行费用也低。在双极 直流输电系统中，通常大地回路是作为备用导线，使双极系统相当于两个可独立运行的单 极系统运行。当一极故障时，可自动转为单极系统运行，提高了输电系统的运行可靠性。 （7）直流输电可方便地进行分期建设和增容扩建，有利于发挥投资效益。双极直流输 电工程可按极来分期建设，先建一个极单极运行，后再建另一个极。也可以每极选择两组 基本换流单元(串联接线或并联接线)，第一期先建一组(为输送容量的1/4)单极运行; 第二期再建一组(为输送容量的1/2)双极运行；第三期再增加一组，可双极不对称运行 (为输送容量的3/4)，当两组换流单元为串联接线时，两极的电压不对称，为并联接线 时，则两极的电流不对称；第四期则整个双极工程完全建成。

(8}直流输电输送的有功及两端换流站消耗的无功均可用手动或自动方式进行快速控 制，有利于电网的经济运行和现代化管理。 二;、直流输电缺点

(1)直流输电换流站比交流变电所的设备多、结构复杂、造价高、损耗大、运行费用 高、可靠性也较差。通常交流变电所的主要设备是变压器和断路器，而直流换流站除换流 变压器和相应的断路器以外，还有换流器、平波电抗器、交流滤波器、直流滤波器、无功 补偿设备以及各种类型的交流和直流避雷器等。因此换流站的造价比同样规模的交流变电 所的造价要高出数倍。由于设备多，换流站的损耗和运行费用也相应增加，同时换流站的 运行和维护也较复杂，对运行人员的要求也较高。因此，减少换流站的设备、简化其结 构、降低设备造价、改善设备的运行性能、采用新型的换流设备是今后直流输电发展中应 继续解决的主要问题。

(2)换流器对交流侧来说，除了是一个负荷(在整流站)或电源(在逆变站)以外，它还是一个谐波电流源。它畸变交流电流波形，向交流系统发出一系列的高次谐波电流，同时也畸变了交流电压波形。为了减少流入交流系统的谐波电流，保证换流站交流母线电

压的畸变率在允许的范围内，必须装设交流滤波器。另一方面，换流器对直流侧来说，除 了是一个电源(在整流站)或负荷(在逆变站)以外，它还是一个谐波电压源。它畸变直

流电压波形、向直流侧发出一系列的谐波电压，在直流线路上产生谐波电流。为了保证直 流线路上的谐波电流在允许的范围内，在直流侧必须装设平波电抗器和直流滤波器。交、 直流滤波器使换流站的造价、占地面积和运行费用均大幅度提高。同时也降低了换流站的 运行可靠性。当采用新型高频可关断半导体器件(如IGBT, IGCT,碳化硅元件等)和脉 宽调制( PWM)技术进行换流时，换流器所产生的谐波将大幅度降低，滤波系统则可相 应的简化。

(3)晶闸管换流器在进行换流时需消耗大量的无功功率(约占直流输送功率的

40%一60% }，每个换流站均需装设无功补偿设备。当交流滤波器所提供的无功功率不能 满足无功补偿的要求时，还需另外装设静电电容器；当换流站接于弱交流系统时，为提高 系统动态电压的稳定性和改善换相条件，有时还需要装设同步调相机或静止无功补偿装 置。这同样要增加换流站的投资和运行费用。当采用新型可关断半导体器件或电容换相换 流器时，无功补偿问题将会得到解决。

(4)直流输电利用大地(或海水)为回路而带来的一些技术问题。如接地极附近地下 (或海水中)的直流电流对金属构件、管道、电缆等埋设物的电腐蚀问题；地中直流电流 通过中性点接地变压器使变压器饱和所引起的问题；对通信系统和航海磁性罗盘的干扰 等。对于每项具体的直流输电工程，在工程设计时，对上述问题必须进行充分的研究，并 采取相应的技术措施。

(5)直流断路器由于没有电流过零点可以利用，灭弧问题难以解决，给制造带来困 难。国外对直流断路器虽然进行了大量的研究和试制，但到目前为止仍没有满意的产品提 供给工程使用，使多端直流输电工程发展缓慢。近年来，利用直流输电的快速控制，在工 程上已可以解决多端直流输电的故障处理等问题，但其控制系统相当复杂，仍需要在实际 工程运行中进行考验和改进。当采用新型可关断半导体器件进行换流时，直流断路器的功 能将由换流器来承担，这一问题将得到解决。 第三节 直流输电应用与工程类型 一、直流输电应用

直流输电的应用范围取决于直流输电技术的发展水平和电力工业发展的需要。目前实 际应用的输电方式有交流输电和直流输电两种。交流输电在大多数情况下投资省，运行灵 活方便，技术比较成熟，在电力系统中得到广泛的应用。目前直流输电技术的发展水平， 直流输电还只是交流输电的补充。随着直流输电技术的发展，其应用范围将会扩大。直流 输电的应用场合可分为以下两大类型。

（1）采用交流输电在技术上有困难或不可能，而只能采用直流输电的场合，如不同频 率(如50Hz, 60Hz)电网之间的联网或向不同频率的电网送电; 因稳定问题采用交流输 电难以实现；远距离电缆送电，采用交流电缆因电容电流太大而无法实现等。

(2) 在技术上采用两种输电方式均能实现，但采用直流输电比交流输电的技术经济性

百度搜索“77cn”或“免费范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，免费范文网，提供经典小说教育文库赵婉君《高压直流输电》第一章(2)在线全文阅读。