特高压直流输电技术(国网黄勇).ppt

1、1,特高压直流输电技术黄 勇国网直流建设部,特高压直流输电技术 一、直流输电技术发展历程 二、直流输电技术基本原理 三、特高压直流输电技术应用与实践 四、直流输电技术发展趋势,2,一、直流输电技术发展历程（一）电的时间简史（二）直流输电的兴起（三）直流输电的发展,3,电是人类文明和社会进步的象征,与我们的生活息息相关。生活，因为电力而绚丽！,（一）电的时间简史,感恩与回顾：我们的生活因为电而改变；我们能创造人类所必须；谁为我们带来了这样的奇迹？电的时间简史,4,公元前6世纪泰勒斯記述了摩擦的琥珀吸引轻小物体和磁石吸铁現象。1600年，吉尔伯特著磁石一书，系统地论述了地球是个大磁石，初次提出摩擦

2、吸引轻物体是摩擦使物体放出一种无重、无色的物质引起，称为“琥珀之力”，并借用希腊文琥珀一词创造出Electricity这个名词。1729年，英国人格雷确定物质可分为导体和绝缘体两部分。1747年，富兰克林发表电单流质理论，提出正电和负电概念。1752年，富兰克林作风筝试验，引天电到地面。1820年，奧斯特发现导线通电产生磁效应。1826年，欧姆提出欧姆定律。1831年，法拉第发现电磁感应现象。1840年，焦耳和楞次从电流的热效应发现所产生的热量与电流的平方、电阻及时间成正比，称焦耳-楞次定律。,（一）电的时间简史,5,1864年，麦克斯韦提出电磁场的基本方程组(后称为麦克斯韦方程组)，并推断电

3、磁波的存在，奠定了电磁场理论的基础。1879年，爱迪生研制成功电灯（直流）。1882年，美籍南斯拉夫人特斯拉造出第一台交流发电机原型。奠定了近代电力工业的基础。1882 年，爱迪生建成世界上第一座发电厂（直流）。1885 年，制成交流发电机和变压器。1886 年，建成第一个单相交流送电系统。1888 年,制成交流感应式电动机。1891 年，德国劳芬电厂安装了世界第一台三相交流发电机，建成第一条三相交流送电线路。,（一）电的时间简史,6,直流电是最早的发电、输电和用电方式，但直流电机结构复杂，换相困难，运行费用高，可靠性差，难以实现远距离、大容量的输电。第一次远距离输电：1882年，法国物理学家

4、多普勒，用装在斯巴赫煤矿中的直流发电机，以1.5-2kV直流电压，沿57km的电报线路，把1.5kW电力送到在慕尼黑举办的国际展览会上。1889年，法国用直流发电机串联，以125kV直流电压，沿230km线路，把20MW电力从毛梯埃斯（Moutiers）送到里昂（Lyon）。1888年三相交流电的出现是电工技术发展的一个重要里程碑，交流电网建设得到迅速发展，并很快占据了主导地位。能方便而又经济地升高或降低电压，使远距离输电成为可能。三相交流发电机和电动机结构简单，价格低，容量又可设计得很大。三相交流电气设备效率高，运行维护简单。,（二）直流输电的兴起,7,交流输电在发展过程中也遇到了问题，系统

5、稳定问题使输送功率受到了限制，无功问题限制跨海及地下电缆输电距离。这样，人们又回忆起直流输电的许多优点，如没有运行稳定问题；线路造价低、损耗少，不存在无功问题等等，而继续加以研究运用。但在当时发电和用电的绝大部分均为交流电的情况下，要采用直流输电，必须进行换流才能实现，因此，之后直流输电的发展就与换流技术发展建立了十分密切的关系。围绕换流技术的发展，直流输电的发展经历了汞弧阀换流时期、晶闸管阀换流时期及全控型器件换流时期，人类社会发展也步入到现代社会,（二）直流输电的兴起,8,（三）直流输电的发展,1831年,1870年,1891年,1954年,2010年,瑞典哥特兰岛直流工程是世界上首个商用

6、高压直流输电工程，直流电压100kV、功率20MW。,9,（三）直流输电的发展,（1）汞弧阀时代（2）晶闸管换流阀时代（3）新型半导体IGBT的应用,10,11,（三）直流输电的发展,哥特兰岛（Gotland）直流工程,1954年，由瑞典ASEA承建的瑞典哥特兰岛直流工程投运，标志着现代直流输电技术正式实现工业应用。,12,世界上第一个工业性直流输电工程（直流电压为100kV，输送功率为20MW）,世界上共有12项汞弧阀直流工程投入运行：首个工程瑞典哥特兰岛直流工程 末个工程加拿大纳尔逊河I期工程 最大容量1600MW(美国太平洋联络线I期工程)最高电压450kV(加拿大纳尔逊河I期工程)最长

7、距离1362km(美国太平洋联络线),汞弧阀的工程应用,13,14,（三）直流输电的发展,晶闸管换流阀的工程应用,首个采用晶闸管阀的工程哥特兰岛直流扩建工程（直流电压50kV，输送功率10MW）首个全部采用晶闸管换流阀的直流工程加拿大依尔河直流工程（直流电压80kV，输送功率320MW）国外输送容量最大的工程巴西伊泰普直流工程（直流电压600kV，两回输送功率共6300MW，线路全长1590km）国内输送容量最大的工程向家坝至上海特高压直流工程（直流电压800kV，额定功率6400MW，最大连续输送功率7000MW，线路全长1907km）,15,16,17,（三）直流输电的发展,世界直流输电技

8、术发展,（三）直流输电的发展,准东-成都工程，1000万千瓦,18,阿根廷-巴西 I&II(加勒比CCC),采用电容换相换流器（CCC）的背靠背直流工程，额定容量2 x 1100 MW，2000/2002年投运。不同电压等级、不同频率异步联网(500 kV,50 Hz/525 kV,60 Hz),19,瑞典波兰直流联网工程,典型单级电缆直流输电工程245 km600 MW450 kV,20,魁北克新英格兰,加拿大-美国直流输电工程,HVDC Classic双极系统(多端)架空线,1480 km2000 MW+450 kV,21,投运:1987传输功率:2*3100 MW直流电压:600 kV传

9、输距离:800 km,巴西伊泰普直流输电工程,22,伊泰普输电系统交直流系统,23,600kV直流输电线路大约 80%为拉线式电杆导线 4x644mm2,巴西伊泰普直流输电工程,24,黑河工程,中俄联网,75万千瓦,已投运,高岭工程,2*75万千瓦,1期已投运，二期在建。,灵宝工程,111万千瓦,已投运.,背靠背工程,25,26,呼辽工程,300万千瓦,908公里,已投运。,德宝工程,300万千瓦,908公里,已投运。,三上、三常、三沪、三沪II工程 300万千瓦,葛上工程,120万千瓦,约1000公里,1990-2011年陆续投运。,三广工程,300万千瓦，已投运。,青藏工程,60万千瓦,1

10、038公里,已投运。,500kV及以下直流工程,27,宁东-山东 660kV直流工程，4000MW,1335km,2011年2月投运。,660kV直流工程,28,向家坝-上海,640万千瓦,1,907公里,水电送出，已投运,哈密-郑州,800万千瓦,2,210公里,火电送出，已开工。,锦屏-苏南,720万千瓦,2,097公里,水电送出，双极低端已经投产，今年年底全部投产。,溪洛渡-浙西,800万千瓦,1,669公里,水电送出，已开工,800kV直流工程,上海南汇风电场柔性直流输电工程,29,截止2011年，中国直流工程:已建成直流输电工程18项总输送容量4638万千瓦线路全长15008公里正在

11、建设的HVDC工程有7个，HVDC-LIGHT工程有2个在世界上率先建成800kV和660kV直流示范工程，中国已成为世界上投运直流输电工程最多、直流输电技术应用最全面的国家，在高压直流输电领域实现了“中国创造”和“中国引领”。,30,31,中国已投运直流工程,“十二五”直流输电工程,32,二、直流输电技术基本原理（一）直流输电技术的原理（二）直流输电技术的分类（三）直流输电技术的特点,33,直流电概念（相对于交流大小和方向随时间周期变化）直流输电工程是以直流电的方式实现电能传输的工程。直流电必须经过换流（整流和逆变）实现直流电变交流电，然后与交流系统连接。直流输电工程构成（换流站、直流线路、

12、接地极、通信与远动）,（一）直流输电技术的原理,34,直流输电系统基本结构示意图,整流站,逆变站,接地极,接地极,送端交流系统,受端交流系统,直流线路,接地极线路,接地极线路,35,交流电,交流电,交流电,交流电,直流电,交流电,交流电,交流电,交流电,直流电,直流电,整流站,逆变站,直流输电系统原理示意图,36,引入可控元件，按照不同的触发角度来控制,6脉动和12脉动换流器原理接线图,37,38,常规高压直流工程原理图,39,800kV特高压直流工程原理图,分类I（按换流站数量分类）两端直流输电(或“点对点直流输电”)多端直流输电 分类II（按线路长度分类）长距离直流输电 背靠背直流输电 分

13、类III（按电压等级分类）（超）高压直流输电 特高压直流输电,（二）直流输电技术的分类,按工程结构分类,40,按工程性质分类,（二）直流输电技术的分类,远距离大容量直流架空线路工程；背靠背直流联网工程;海底电缆工程;城市地下电缆工程。,41,线路造价低；输电损耗小；输送容量大；限制短路电流；线路故障时的自防护能力强；节省线路走廊；实现非同步电网互联；功率调节控制灵活；特别适合电缆输电。,（三）直流输电技术的特点,直流输电的优点,42,换流设备较昂贵；消耗无功功率多；产生谐波影响；换流器过载能力低；某些运行方式下对地下（或海中）物体产生电磁干扰和电化学腐蚀；缺乏直流开关；不能用变压器来改变电压等

14、级。,直流输电的缺点,43,高电压、远距离、大容量输电；跨海送电；不同频率电网联网或相同频率电网非同步联网；由地下电缆向大城市供电；交流系统互联或者配电网增容时，作为限制短路容量的措施之一；配合新能源输电。,直流输电适用场合,44,45,直流输电的经济性及交直流经济比较：直流输电两侧换流站费用高，￥1000元/kW；直流线路相对便宜：￥250万￥480万/km；与交流输电的等价距离：600800km。换流站设备价格问题：整体成降价趋势：输送距离超过一定值时，交流需要增加中间站，加串补。线路的建设费用问题，整体趋势是上涨，国外由于线路走廊需要征地，费用更高，等价距离更短。,交直流等价距离,三、特

15、高压直流输电技术应用与实践（一）直流工程建设选择（二）发展特高压的必要性（三）我国特高压直流技术实践成就（四）国际特高压直流技术应用前景,46,为何想起用直流：输送一定距离，陆地500公里以上，海底20公里以上；中间没有接入要求；两个例子：巴西南北联网、西北新疆联网。,（一）直流工程建设选择,47,采用什么样的直流：不同电压等级、不同频率的两个交流系统联网，或者两个弱交流系统联网，推荐直流工程（背靠背）。新能源发电并网、孤岛供电、分布式发电并网，推荐采用直流（柔性直流）。远距离、大容量电力输送。500公里以下，主要500kV直流，500800公里，可讨论660kV或500kV，8001500公

16、里，比选660kV和800kV直流，15002000公里，采用800kV直流，2000公里以上，比选800kV和1100kV直流。直流系统输送功率和换流器容量，增大电流还是增大电压。,48,（每千公里）,提高电压的意义,49,交流系统接入什么电压等级：一般大容量直流接入送受端主网架，目前交流侧最高为500kV.对于西北地区，直接接入500kV，通过500kV/750kV联变接入750kV主网。主要原因是直接接入750千伏电网的设备制造上难度极大（主要是换流变压器），换流站费用高，工程建设周期延长。,50,（二）发展特高压的必要性,一是满足经济社会发展对电力的需求,51,二是促进能源资源更大范围

17、优化配置,52,能源消费进一步向东部集中,西 部 地 区,中部地区,东北地区,东,部,地,区,2009年 43.82020年 45.82030年 48.2,2009年 10.82020年 10.52030年 10.0,2009年 24.02020年 22.42030年 20.8,2009年 21.42020年 21.22030年 21.0,未来能源需求增量主要转向东部地区,亿吨标煤,53,西 部 地 区,中部地区,东北地区,东,部,地,区,2009年 13.62020年 12.02030年 10.0,能源生产重心逐渐西移,2009年 8.52020年 8.22030年 8.0,2009年 47

18、.72020年 49.82030年 52.0,2009年 30.22020年 30.02030年 30.0,未来能源产量增量转向西部地区,亿吨标煤,54,控制东部、稳定中部、发展西部,55,三是推动清洁能源的规模开发和利用,56,十三大水电基地,大型风电基地分布,太阳能辐射量区域分布,57,疆电外送。新疆地区煤炭和风能资源蕴藏丰富，是我国的重要能源基地。仅哈密地区预测储量就达3638亿吨，已探明储量373亿吨，新疆“九大风区”中有三个位于哈密，技术开发容量达25635万千瓦，根据发展规划，“十二五”期间新疆将新增水电装机240万千瓦，风电760万千瓦，火电3446万千瓦。,58,四是推进节能减

19、排目标实现,单位：gS/m2.a41.640.81.60.20.80.010.20.01,59,五是促进不同区域协调发展 通过特高压电网将煤电基地的电力输送到中东部地区，到网电价低于当地煤电平均上网电价，有利于中东部地区节约土地资源、减小环保压力、实现可持续发展，有利于西北部地区将资源优势转化为经济优势，推动区域经济协调发展。,六是巩固我国在国际电工领域的领先地位 特高压电网的建设实践和市场机遇，将进一步提升我国电力技术的国际竞争力和电工装备制造业的创新发展实力。有利于推动我国电力和设备“走出去”，占领世界市场，实现投资、出口双拉动，实现从电力大国向电力强国的转变。,60,一特四大,61,电压

20、等级越高，技术难度就越大。特高压直流代表了国际高压直流输电的最高水平，研发工作极具挑战性。800千伏特高压直流输电技术为中国首次提出，国际上没有可供借鉴的经验和标准，更没有现成的设备。按照“科学论证、示范先行、自主创新、扎实推进”的原则，国家电网公司在“十一五”期间全面开展了特高压直流输电技术研究，通过产学研联合攻关，大力开展自主创新，在五个方面取得了重大突破。,（三）我国特高压直流技术实践成就,62,1、建成了世界一流的特高压直流试验研究体系(三基地、两中心),特高压直流试验基地 高海拔试验基地 特高压工程力学试验基地 国家电网仿真中心 特高压直流输电工程成套设计研发(实验)中心,63,特高

21、压直流试验基地（北京）,特高压工程力学试验基地（河北霸州）,高海拔试验基地（西藏）,国家电网仿真中心（北京）,国家能源特高压直流输电工程成套设计研发中心（北京）,64,开展130项特高压直流输电关键技术研究 攻克全新电压等级面临的关键难题申请专利260项专利（其中发明专利108项），已获授权专利129项（其中发明专利25项）创造了60多项世界纪录,2、在世界上率先掌握了800千伏特高压直流输电技术,65,3、在世界上率先研制成功800千伏特高压直流设备,掌握了特高压直流设备制造核心技术 刷新了世界高压直流设备性能参数主要纪录 国内电工装备制造业实现全面产业升级 国内高压输变电设备制造达到国际先

22、进水平,66,世界上首次研制成功电压最高、容量最大的直流换流变压器,特高压换流变压器,67,特高压换流变压器：重要性：直流工程中的最重要设备，设备价格的40；型式：单相双绕组、单相三绕组、三相双绕组、三相三绕组；容量：以常用的单相双绕组为例，约为换流器容量0.2；构造：最好的结构是单相双柱，两个绕组柱并联，因运输限制也有采用三柱并联的结构；难点：套管、出线装置、成型绝缘件,68,69,两种型式800kV换流变,换流变研制主要难点：绝缘结构复杂，需要同时耐受交直流；发热和冷却复杂；直流侧绕不能从线圈中部出线；,调压级数多；出线结构十分复杂；尺寸大，重量大。,70,1000kV、750kV交流变压

23、器,换流变采用可移动式Box-in方案,高端换流变“Box-in”方案效果图,71,世界上首次研制成功代表直流输电技术升级换代的的6英寸晶闸管,6英寸晶闸管,72,特高压换流阀,世界上首次研制成功电压最高、容量最大的换流阀,晶闸管,阀组件,阀塔,阀厅,73,特高压干式平波电抗器,世界上首次研制成功电压最高、通流能力最强的干式平波电抗器,74,特高压直流场设备,主要品种：穿墙套管、平波电抗器、直流滤波器、隔离开关、接地开关、直流电流测量装置、直流电压测量装置、RI滤波电容、各种避雷器等。,75,控制保护是全数字的，分层控制；主要特点：采用分布式控制，由LAN进行相互通信，主要由常用微机CPU和D

24、SP作为处理器；多重化结构，控制两套，同时运行，一主一备，保护可采用3取2。,76,控制保护系统,辅助系统的分类：水系统、站用电系统、空调通风系统；水系统：质量和可靠性；站用电系统：可靠性要求极高，典型结构；空调通风系统：保持温度、湿度的稳定，降低灰尘对控制保护的可靠性十分关键，控制保护又决定工程可靠性。,77,辅助系统,建立了包括5大类、123项标准的800千伏特高压直流输电技术标准体系，已发布行业标准10项、企业标准62项，正在编制国际标准4项。国际电工委员会（IEC）将高压直流输电新技术委员会(TC115)秘书处设在中国，提升了我国在国际电工领域的话语权。,4、在世界上率先建立了特高压直

25、流技术标准体系,78,向家坝上海800千伏特高压直流输电示范工程起于四川宜宾复龙换流站，止于上海奉贤换流站，途经四川、重庆、湖南、湖北、安徽、浙江、江苏、上海八省市，线路全长1907公里,额定输送功率640万千瓦，最大连续输送功率达700万千瓦。是世界上电压等级最高、输送容量最大、送电距离最远、技术水平最先进的高压直流输电工程。,5、建成了代表国际高压直流输电技术最高水平的特高压直流输电示范工程,79,复 龙 换 流 站,低端阀厅和换流变,站前区,交流场,交流滤波器,高端阀厅和换流变,直流场,80,奉 贤 换 流 站,81,线路全长1907公里，采用6720mm2导线，全线共有3939基铁塔。

26、,82,特高压直流示范工程于2007年4月获得国家核准，2007年12月开工建设，2010年7月建成投运。工程投运以来已稳定运行超过2年，可靠性和电磁环境指标优于常规500千伏直流工程，已向上海地区输送清洁水电约147亿千瓦时，有效保证了上海世博会供电和迎峰度夏。明年将满负荷运行。,83,特高压直流示范工程与常规直流工程技术经济比较,提高2.13倍,24%,32%,47%,提高2.1倍,提高1.6倍,电压,距离,功率,单位投资,运行费用,输电损耗率,84,2009年7月16日，美国能源部部长朱棣文和商务部部长骆家辉到国家电网公司了解特高压直流输电示范工程情况。,2010年4月2日，美国参议院能

27、源与自然委员会主席杰夫.宾格曼先生参观奉贤换流站。,2010年7月5日，巴西矿业和能源部部长巴西奥齐摩尔曼先生在国家发改委副主任张国宝的陪同下参观奉贤换流站。,2010年9月25日，江泽民、曾培炎等到国家电网公司视察特高压工程情况。,85,国际大电网会议、国际电工委员会、国际电气电子工程师学会等权威国际组织认为该工程是：世界电气工程领域具有重要意义的成功为国际特高压输电技术发展作出了重大贡献无论对中国还是世界都有重要意义世界电力工业发展史上的重要里程碑,86,87,印度800kV多端特高压直流输电工程。印度东北部水力资源丰富,分散;采用两个800千伏特高压直流送出;送往南方班加罗尔是端对端特高

28、压直流;送往西部阿格拉采用多端特高压直流;线路总长2100公里;送端两个换流站之间距离为432公里。,（四）国际特高压直流技术应用前景,88,印度查姆帕克鲁克什800kV特直流输电工程。工程的主要目的是把印度西部电网查姆帕（CHAMPA）附近的电力输送到首都德里附近的克鲁克什特(KURUKSHETRA)。本期输送容量3000MW,远期6000MW,业主为印度电网公司。,89,Belo Monte,4000MW,7000MW,巴西美利山直流送出工程。美丽山水电站（Belo Monte）位于巴西西北部帕拉州的亚马孙雨林腹地辛古河上，设计装机容量1100万千瓦，是巴西第二大水电站，世界第三大水电站。

29、水电站招标已于2010年4月完成，与之配套的水电站送出工程目前正处于方案论证阶段，该工程包含至巴西东南部电网送电（7000MW）和东北部电网送电（4000MW）两项输变电工程，特高压直流是重要备选方案。,DC,四、直流输电技术发展趋势（一）800kV直流技术持续改进（二）1100kV特高压直流技术（三）多端特高压直流技术（四）柔性直流输电技术,90,容量的增加：500万、640万、720万、800万千瓦;损耗的降低：900mm2、1000mm2、1250mm2导线的开发应用；可靠性的持续提高：一次设备：规范、制造、安装、维护 二次设备：不必要的跳闸回路 辅助系统：水、站用电、空调、防尘标准化：

30、国内的标准化建设，国际标准化,91,（一）800kV直流技术持续改进,800kV直流提升输送容量,单回工程输送能力强。,节省线路走廊资源。,同塔双回特高压直流输电技术,93,（二）1100kV特高压直流输电技术输送容量超过1000万千瓦，输送距离最大可达4000公里以上。,主接线采用双换流器串联（550+550）kV额定功率1000万千瓦输电线路采用81000mm2大截面导线换流变压器阻抗约24%,94,95,依托工程概况和技术特点,额定电压1100千伏额定电流4750安培额定输送功率1045万千瓦依托工程准东-重庆输电距离2687公里,准东,重庆,高端阀厅尺寸,1100千伏:108米42米4

31、0米,800千伏:86米32米26米,500千伏:56米22米18米,96,线路铁塔参数,800千伏,1100千伏,63吨,112 吨,78米,65米,97,98,关键技术,设备绝缘水平电磁环境,标幺值,污秽外绝缘空气间隙,直流侧额定电压比800kV提升37.5%交流侧接入750/1000kV系统尺寸超出运输极限现场组装换流变压器,关键设备换流变压器,模型样机型式,99,100,特高压直流换流变压器结构,750千伏交流变压器结构,端部出线装置机械问题,交流侧750/1000千伏,101,工厂工序,线圈绕制,线圈组装,线圈运输,换流站现场工序（极2高端阀厅）,铁芯叠制,器身组装,器身入箱,工艺处

32、理、试验,换流站现场组装技术,绝缘材料存储,102,辅控楼,直流场,换流变广场,铁芯叠装,器身组装,线圈套装,总装和工艺处理,试验完毕的换流变,极2高端阀厅,干燥,直流电压发生器,串联谐振试验装置,冲击电压发生器,交流场,试验电源,耐受世界最高水平直流稳态电压、雷电和操作冲击过电压。具备世界上最强的通流能力。需解决长度增加、尺寸变大带来的机械强度问题。需研制同时满足外绝缘和机械强度要求的复合绝缘外套。,800kV穿墙套管18米长，重7吨,1100kV穿墙套管24.7米长，重17.5吨,关键设备穿墙套管,103,换流变模型样机和穿墙套管样机6月完成型式试验。,西门子：升高座绝缘装置,阿尔斯通：线

33、圈模型,ABB：换流变阀侧套管组装完毕,西门子：阀侧套管芯体工艺处理,104,多端直流输电 由多于两个互相独立的换流站和互联的直流线路组成的直流输电系统。优点 能够实现多电源供电、多落点受电，提供一种更为灵活、快捷的输电方式。,（三）多端直流输电技术,105,两端特高压直流输电的不足,输送700万1000万千瓦,汇聚功率困难（和特大型电站配套无此问题）超大功率在一点注入交流系统，支撑要求高，局部交流网架密集存在部分功率通过交流系统折返到来电方向，增加损耗严重故障对系统冲击大,一点对一点,106,特高压直流换流站原理接线图,特高压直流母线,高压交流母线,特高压直流母线,曾经考虑过把共用的交流母线分段，以增加可靠性,最大的特点:4个标准模块；可以独立运行。,107,多端特高压直流输电构想,108,多起点多落点特高压直流输电,送端2起点，受端2落点,送端4起点，受端4落点,送端3起点，受端3落点