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2.1.1架空线路造价低7
2.1.2线路有功损耗小7
2.1.3不受交流输电稳定性的限制7
2.1.4便于功率控制8
2.1.5便于电网互联8
2.1.6利用大地输电8
2.2直流输电的不足8
2.2.1换流站造价高8
2.2.2换流装置要消耗大量无功功率9
2.2.3换流产生谐波9
2.2.4断路器研制困难9
2.2.5利用大地作为回路的问题9
2.3直流输电应用场合9
2.3.1远距离大容量输电9
2.3.2电力系统联网10
2.3.3电缆输电11
三、直流输电换流技术13
3.16脉动换流单元13
3.1.16脉动整流器13
3.1.26脉动逆变器15
3.212脉动换流器16
四、直流换流站设备19
4.1换流阀19
4.1.1换流阀的基本性能要求19
4.1.2换流阀设计与选择19
4.2换流变压器21
4.2.1换流变压器的特殊之处21
4.2.2换流变压器的线圈22
4.3平波电抗器23
4.3.1平波电抗器的功能23
4.3.2平波电抗器的型式24
4.4无功补偿装置24
4.4.1机械投切式无功补偿装置25
4.4.2静止无功补偿装置25
4.4.3同步调相机25
参考文献I
一、直流输电发展历史
一.1国外直流输电发展史
一.1.1早期电力传输
人类对于电的应用和认识最初都是起源于直流电的,而电力技术的发展也是从直流电开始的。
早期的电气照明和动力等负荷都是采用直流电的,由直流发电机发出直流电直接通过输电线路送到直流负荷,也就是发电、输电和用电均为直流电。
1882年,爱迪生在纽约珍珠街建造了世界上首座变电站,该变电站通过110V的直流电向周边半径为1.6km的地区供电;
1882年德国建成了2kV、1.5kW、57km向慕尼黑国际展览会的送电工程;
1889年法国通过串联直流发电机得到高电压,建成了由毛梯埃斯到里昂的世界上首条高压直流输电线路。
19世纪末出现的变压器和交流感应电机等催生了交流输电系统。
交流输电系统通过变压器实现了电压等级的高效、自由转换,使高电压、远距离输电成为了可能。
而感应电机因其结构简单、牢固耐用、造价低廉得到了广泛应用。
交流系统由于其具有直流系统所不具备的优势,很快就取代了直流系统,在电力的发、输、配、用都得到了广泛应用。
至此,直流输电系统几乎已经销声匿迹。
一.1.2汞弧阀时期
20世纪中期,电力需求日益增长,输电容量和输电距离不断增大,交流输电系统开始显现出其弊端,例如电力系统同相运行困难、输电稳定性差、电晕损耗严重等,人们再次发现了直流输电的优势。
而1928年具有栅极控制能力的汞弧阀研制成功,实现了电流的整流和逆变,使得直流输电成为了可能。
1954年,世界上第一个工业性直流输电工程—果特兰岛工程在瑞典投入运行,该线路全长96km,输送容量20MV,电压100kV,采用汞弧阀实现换流。
直到1977年最后一个采用汞弧阀换流的直流工程—加拿大纳尔逊河I期工程,全球共有12项采用汞弧阀换流的直流工程投入运行。
但是汞弧阀制造技术复杂、价格昂贵、易发生逆弧导致换流失败,而且汞蒸气有毒,危害人体健康。
汞弧阀的“先天不足”限制了它的应用,使得早期直流输电步履维艰。
图1瑞典果特兰岛工程用的汞弧阀
一.1.3晶闸管阀时期
20世纪70年代,电力电子技术迅速发展,高电压大功率晶闸管等电力电子器件问世。
晶闸管换流阀和微机控制技术逐步应用于直流输电工程中,极大地提高了直流输电的运行性能和可靠性,促进了直流技术的发展。
1972年,世界上第一个采用晶闸管换流阀的直流输电工程—加拿大伊尔河工程投入运行。
该工程是一个连接布伦兹瑞克和魁北克水电站的背靠背直流输电工程,电压为2×
80kV,交换容量为320MW,每个换流站包括两个换流桥,4000个晶闸管安放在40个单元中,每4个单元并联组成一个桥臂。
伊尔河工程标志着直流输电发展进入一个新阶段,此后所有的直流输电工程均采用晶闸管换流,汞弧阀被淘汰。
在此期间,电力电子技术、微机控制技术、光纤技术和氧化锌避雷器等新技术逐步应用于直流输电领域,促进了直流输电技术不断提高和改进,使之更加成熟,也得到了更加广泛的应用。
图2西电集团电触发晶闸管(ETT)换流阀
图3西电集团光触发晶闸管(LTT)换流阀
一.2我国直流输电的发展
我国的直流输电工程是在1958年提出的,最初是为了配合长江三峡水力资源的开发,便于三峡电站的电力外送。
1963年,中国电力科学研究院建成了我国第一套直流输电模拟装置,开始了对直流输电换流技术和控制保护技术的研究。
1974年,西安高压电器研究所建成了8.5kV,200A,容量为1.7MW的背靠背换流试验站。
该试验站用于对一次设备和二次设备进行考核和对直流输电的控制保护特性及故障类型进行试验研究。
1977年,在上海一条报废的交流电缆线路的基础上,建成了一条31kV,150A,4.65MW的直流输电试验工程,线路全长8.6km。
1980年,我国决定自行建设一项直流输电工程,这就是舟山直流输电工程。
1987年,舟山直流输电工程投入试运行。
线路为双极±
100kV,500A,100MW,全长54km。
舟山直流工程特点如下:
1)舟山直流工程的线路受端为弱交流系统,为提高系统的稳定性,在逆变侧的换流变压器上装设了一台30Mvar的调相机,提高受端的电压稳定性。
2)直流输电线路为架空线和海底电缆混合型。
线路全长54km,其中12km为海底电缆,42km为架空线,如图4所示。
这给线路的保护和利用电力线载波通信带来了困难。
3)采用直流输电连接了华东电网和舟山电网,实现了两个电网的非同步运行。
4)舟山工程从科研设计、设备制造到调试运行,均依靠国内的力量,作为一条试验性的工业项目,为我国直流输电的发展奠定了基础。
此后,舟山工程又进行过一系列的更新与改造,使其更加适应现代的发展水平。
舟山工程后,陆续又有数十条直流输电工程先后投运,截至2011年底,已投运的直流输电工程见表1。
表1我国已投运的直流输电工程(截至2011年)
序号
工程名
额定电压/kV
额定电流/A
额定容量/MW
输送距离/km
投运年份
1
舟山工程
−100
500
50
54
1989
2
葛-南工程
±
1200
1045
3
天-广工程
1800
980
2000
4
三-常工程
3000
860
2002
5
嵊-泗工程
600
60
66
6
三-广工程
976
2004
7
贵-广I回工程
882
8
灵宝工程
120
360
2005
9
三-沪工程
1040
2006
10
贵-广II回工程
1225
2008
11
高岭工程
125
1500
2090
12
德宝工程
545
2010
13
云-广工程
800
3125
5000
1373
14
向-上工程
4000
6400
1907
15
呼-辽工程
908
16
宁东直流工程
660
3030
1333
2011
17
黑河工程
1000
411
18
青藏工程
400
1400
2530
特别是在2010年投入运行的云-广工程,是我国也是世界上首条特高压直流输电工程,标志着我国特高压直流输电技术达到世界领先水平。
图5云广工程线路
图6云广工程穗东换流站
二、直流输电的特点
二.1直流输电的优势
与交流输电相比,直流输电有很多优势,从而得到越来越多的应用。
二.1.1架空线路造价低
双极输电的直流架空线路只需要正负两极导线,而三相输电的交流线路需要三根导线。
与交流系统相比,输送相同的功率,直流输电线路可以节约1根导线,从而节约了大量的钢材、绝缘子等资源,同时还减少了大量的安装使用费用。
直流输电的导线数量少,杆塔的负重较小,降低了杆塔的设计建造要求。
同时直流输电还可以充分利用输电走廊,其走廊宽度仅为交流输电的一半左右。
如直流±
500kV的线路走廊宽度约为30m,而交流500kV的线路走廊宽度为55m。
二.1.2线路有功损耗小
直流输电线路损耗主要是电阻损耗,输电过程中没有电感和电容,没有无功损耗,有效负荷高;
在电晕损耗方面,当导线表面的场强相同时,直流架空线路的电晕损耗仅为交流线路的50%~60%。
二.1.3不受交流输电稳定性的限制
交流电力系统中输送的功率为
式中,E1和E2分别为送端和受端的电动势,X12是送端和受端之间的等值电抗,δ是E1和E2之间的相位差,称为功率角。
当δ=90°
时,
,此时为交流系统的静态稳定极限。
当因为系统扰动发生时导致δ>
90°
,系统两端将会失去同步运行,导致系统裂解。
随着输电距离的增大,X12增大,允许输送的功率减小,限制了交流输电的距离。
直流输电的两端交流系统经过整流和逆变隔离,不需要同步运行,所以不存在稳定性的问题。
这使得其输电距离和容量不受稳定性的限制。
二.1.4便于功率控制
直流输电的整流和逆变都有晶闸管控制。
通过改变换流过程中的控制角α,可以改变线路中输送的直流功率,而不受两端交流电网的影响,必要时还可以实现潮流反转。
这为电力系统调度和经济运行控制带来了极大的方便,提高了输电的灵活性、迅速性和高效性。
二.1.5便于电网互联
现代大电网的交流互联要保证不同电网之间的同步运行,提高了系统运行的难度。
各大电网之间也容易互相干扰,增大了系统故障的几率。
而通过直流联网,直流输电通过整流和逆变过程,隔离了不同的交流电网,可以令被联网的交流系统按照各自的频率和相位独立的运行,各自进行调压调频和系统调度,不受联网的影响。
二.1.6利用大地输电
直流电作用下,只有电阻起作用,而电感和电容影响,在输电过程中可以利用大地或者海水作为回路的负极,这样可以省去一极的导线,同时大地和海水的电阻率低,损耗小,运行费用低。
双极输电系统通常将大地作为备用导线,相当于两个独立运行的单极系统。
当一极出现故障时,可以转为单极运行,提高了输电的可靠性。
二.2直流输电的不足
直流输电虽然有很大的优势,但也存在不足,这也一定程度上限制了其发展和应用。
二.2.1换流站造价高
直流输电的换流站比交流变电站的设备多
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