高压直流输电总结.docx

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高压直流输电总结

高压直流输电总结

一、高压直流输电概括：

1.高压直流输电观点：

高压直流输电是沟通-直流-沟通形式的电力电子换流电路，由将沟通电变换为直流电的整流器、高压直流输电线路及将直流电变换为沟通电的逆变器三部分构成。

注意：

高压输电利处是在输送相同的视在功率S的前提下，高压输电能够降低输电线路流过的电流，减少线路消耗，提高输送效率（,）。

2.高压直流输电的特色：

（1）换流器控制复杂，造价高；

（2）直流输电线路造价低，输电距离越远越经济；

（3）没有沟通输电系统的功角稳固问题；

（4）适合海底电缆（海岛供电、海上风电）和城市地下电缆输电；

（5）能够非同步（同频不一样相位，或不一样频）连结两个沟通电网，且不增添短路

容量；

（6）传输功率的可控性强，可有效增援沟通系统；

（7）换流器大批耗费无功，且产生谐波；

（8）双极不对称大地回线运转时存在直流偏磁问题和电化学腐化问题；

（9）不可以向无源系统供电，构成多端直流系统困难。

3.对直流输电的基本要求：

（1）能够灵巧控制输送的（直流）电功率（大小可调；一般状况下，应能够正反双向传递电功率（功率方向可变）；

（2）保持直流线路电压在额定值邻近；

（3）尽可能降低对沟通系统的谐波污染；

（4）尽可能少地汲取沟通系统中的无功功率；

（5）尽可能降低流入大地的电流。

注意：

大地电流的不利影响包含①不一样接地址之间存在电位差，形成电解池，造成电化学腐化；②变压器接地中性点流过直流电流，造成变压器直流偏磁，使变压器噪声增添、消耗加大、振动加剧。

4.高压直流输电的合用范围：

答：

1.远距离大功率输电;2.海底电缆送电;3.不一样频次或同频次非周期运转的沟通系统之间的联系;4.用地下电缆向大城市供电;5.沟通系统互联或配电网增容时,作为限制短路电流的举措之一;6.配合新能源供电。

二、高压直流输电系统的基本构成：

1.双端直流输电的基本构成：

（1）单极大地回线（有关于大地只有一个正极或许负极）：

图2-1

（2）单极金属回线：

图2-2

（3）双极大地回线（最常用）：

图2-3

（4）双极单端接地（极少用）：

图2-4

（5）双极金属回线（较少用）：

图2-5

（6）并联式背靠背：

图2-6

（7）串连式背靠背：

图2-7

2.多端直流输电的基本构成：

（1）三端并联型；

图2-8

（2）三端串连型；

图2-9

注意：

这里的“双端”、“多端”指的是所接换流站的个数（沟通电网接入点的个数），而不是换流器的个数。

3.多端直流输电的特色：

（1）能够经济地连结多个沟通系统；

（2）因缺乏大容量直流断路器，没法切除输电线路的短路故障，因此限制了它的

发展。

三、换流技术复习：

1.三相全控整流电路原理图：

图3-1

（1）大电感负载（切合直流输电工程实质）；

（2）沟通输入电压的相序与晶闸管触发次序的关系（135462）；

（3）阀的构成、静态均压（电阻分压）和动向均压（电容分压）原理与电路；

（4）均压系数（）、电压裕度系数（）；

（5）阀串连元件数确实定；

（6）电压变化率限制和电流变化率限制。

图3-2

2.三相全控桥的波形图：

（详见电力电子书P152、P153、P160）

3.三相全控桥计算公式:

（1）直流输出电压的理想计算公式:

（1.1）

（为线电压）

（2）考虑沟通侧电抗的直流输出电压的计算公式（缺口面积是始于α的面积与始于α+γ的面积之差的一半，缺口面积=）:

（1.2）

（3）阀电流有效值：

（1.3）

（4）沟通侧线电流有效值的计算公式:

（1.4）

4.三相全控桥的外特征（全控桥外特征：

直流输出电压Ud与直流输出

电流Id间的函数关系）：

（1）逆变器外特征：

a）方程：

（1.5）

b）曲线：

端电压Ud随输出负载电流Id的增添而下倾的直线；（以定α表示）

图3-3

（2）整流器外特征：

a）方程：

i.用控制角α表示：

（1.6）

ii.用逆变角β表示（α=180°-β代入上式）：

（1.7）

iii.用熄弧角δ表示（δ=β-γ，γ是换相角）：

（1.8）

（）

（1.9）

（）

图3-4理想定β的面积比理想定δ小2个缺口面积:

b）曲线：

i.用逆变角β表示：

上翘直线（负值面积随电流增大），端口电压的绝对值随直流电流的增添而增添（正内阻）；

ii.用熄弧角δ表示：

下倾直线（负值面积随电流减小），端口电压的绝对值随直流电流的增添而降落（负内阻）；

图3-5逆变器外特征曲线（以定β和定δ表示）

5.三相全控桥的等值电路：

（1）整流器等值电路:

图3-6整流器等值电路

（1.10）

a）内电势，内阻为正的可调电压源；

b）端口电压随输出电流增大而减小。

（2）逆变器等值电路：

图3-7逆变器等值电路

a）用β表示的等值电路，端口电压随电流增大而增大（正内阻）；

b）用δ表示等值电路，端口电压随电流增大而减小（负内阻）。

（3）双端直流输电系统的等值电路:

图3-8直流系统等值电路图

6.双端直流输电系统工作点：

（1）工作点确实定：

往常将线路电阻RL归入逆变器侧，则用β表示的外特征曲线因正当内阻增添而上翘更多，用δ表示的外特征曲线因负值内阻减小而使下倾减缓或微上翘。

由直流输电系统等值电路可见，双侧电路工作时，应当拥有相同电流和端口电压，表此刻曲线上，就是双侧换流器的外特征曲线的交点，这就是工作点。

图3-9双端直流系统工作点确实定（两条线交点）

（2）工作点稳固性判据：

采纳小扰动法在工作点加上一点小扰动看看系统能不可以回到本来的稳固点。

（结论：

整流侧外特征曲线的斜率小于逆变侧外特征曲线的斜率，系统能够稳固运转。

）

7.双桥换流器（电力电子那个十二脉波）（整流器和逆变器结构相同）：

（1）电路图：

两个三相全控桥串连；

图3-10

（2）沟通输入电压：

两个三相沟通输入电压的相位互差30°（频次相同，幅值

相同）；

（3）触发次序：

1-1-2-2-3-3-4-4-5-5-6-6；

（4）直流输出电压刹时价波形和纹波频次：

每工频基波含12个均匀波头；

（5）直流输出均匀电压：

等于两个全控桥直流输出均匀电压之和；

（6）双桥换流器的长处：

a）在晶闸管元件耐压能力和串连数不变的条件下，双桥输出电压是单桥的两倍；采纳桥串连取代元件串连；

b）直流输出电压的谐波幅值比单桥更小，谐波频次更高，因此更易于滤除；

c）沟通公共母线的电流谐波比单桥更小，最低次谐波次数更高；

d）当双桥中发生任一桥故障时，能够将故障桥隔绝（短接），另一正常单桥仍可连续工作；

（1）逆变器实现逆变的条件：

a）外接直流电源，其极性一定与晶闸管的导通方向一致；

b）外接沟通系统，其在直流侧产生的整流电压均匀值应小于直流电源电压；

c）晶闸管的触发角α应在的范围内连续可调。

四、换流器的谐波剖析：

1.谐波的危害：

（1）对铁磁设备的影响。

谐波造成额外的铁耗以致发热、振动和噪声，降低了设

备卖力、效率及寿命；

（2）对旋转电机的影响：

谐波造成转矩脉动，转速不稳；

（3）对电力电容器的影响：

谐波可能惹起谐振过电压；

（4）对电力系统测控的影响：

谐波使丈量偏差增添，可能以致控制失灵，保护误

动；

（5）3次谐波电流过大可能使中性线过流；

（6）谐波叠加在基波上，使电气应力增添，对各样电气设备特别是电容器的绝缘

造成威迫；

（7）谐波对通信线路造成扰乱。

2.谐波剖析的数学工具：

傅里叶级数。

3.谐波剖析的基本假定：

（1）沟通电源为三相对称标准正弦波电压源；

（2）三相沟通电路各相阻抗参数相等；

（3）换流器采纳60°等间隔触发；

（4）直流电流恒定（水平无纹波）；

（5）不考虑换相角的影响；

在上述基本假定条件下，剖析得出的谐波，称之为“特色谐波”。

4.谐波剖析的基本步骤：

（1）写出尽可能简短的周期函数表达式f（x）；

（2）计算傅立叶级数的系数an和bn；

（3）写出与周期函数f（x）等价的傅立叶级数表达式；

（4）剖析f（x）的傅立叶级数构成成分，得出实用结论。

5.谐波剖析内容：

（1）直流输出电压的特色谐波剖析：

a）谐波频次：

等于6n（n=1，2，3，）倍工频基波频次；

b）谐波幅值是控制角α的函数：

α=0°和α=180°幅值最小，α=90°幅值最大；HVDC运转时，整流侧α=12°～15°，逆变侧定δ运转；

c）谐波幅值随谐波次数的增添而减小；

d）n=0时的直流重量就等于直流电压均匀值。

（2）沟通线电流的特色谐波剖析：

a）YY接线变压器一次电流特色谐波剖析：

除基波外只剩有5、7、11、13、次等6k±1次谐波。

b）YD接线变压器一次电流特色谐波剖析：

（波形相同，幅值比YY接线大倍）除基波外只剩有5、7、11、13、次等6k±1次谐波。

（3）双桥换流器直流侧电压特色谐波剖析（依据假定直流电流无纹波，故只剖析

直流电压）：

12k±1次谐波。

五、换流器的功率因数计算：

1.功率因数的定义：

功率因数等于有功功率P与视在功率S之比，即：

（1.11）

功率因数λ的大小反应的是有功功率P在视在功率S中所占的比重，是功率的利用系数，反应功率的利用程度。

三相全控桥沟通侧的电压是正弦波形，电流是方波，故有功功率P等于基波电压有效值U（即）与基波电流有效值、及基波电压与基波电流相角差的余弦值的乘积。

（不考虑换相角γ时，；考虑换相角γ时，）

2.只考虑基波时的功率因数：

（1.12）

3.考虑谐波时的功率因数：

（1.13）

上式是不考虑换相角时的状况。

（1.14）

上式是考虑换相角时的状况。

六、高压直流输电系统主设备：

1.换流器：

（1）双桥换流器与四重阀结构：

一个三相全控桥有6个桥臂（阀），一个桥臂（阀）由120个晶闸管串连而成；每15个晶闸管构成一个基本单元，每两个基本单元（30个晶闸管）组装为一个半层阀；每4个半层阀构成一个阀。

四重阀：

双桥换流器同一相上的4个阀的组合体。

图6-1四重阀表示图

（2）等间隔（60°）触发与等控制角（α）触发：

a）等间隔（60°）触发方式：

α1=移相控制；有关于1号自然换相点滞后角度α1；从脉冲2开始，均滞后前一个脉冲60°，即：

αk+1=αk+60°（k=2，3，4，5，6）。

b）等控制角α触发方式：

α1=α2=α3=α4=α5=α6；即6个触发脉冲都是有关于各自的自然换相点滞后一个相同角度。

c）两种触发方式比较：

在三相电压对称的条件下，两种触发方式等效，可是在三相电压不对称的条件下，后者的触发脉冲不等间隔，以致沟通电流波形正负半波宽度不等，均匀电流不为零，

造成变压器偏磁。

（3）晶闸管换流器对晶闸管元件的基本要求：

a）耐压强度高；

b）载流能力强；

c）开通时间和电流上涨率的限制，即约为100A/s；

d）关断时间与电压上涨率的限制，即约为200V/s。

（4）触发脉冲的传递方式：

a）光纤方式；

b）电磁方式。

图6-2（a）为光纤方式，（b）（c）为电磁方式

（5）高压（就地）取电技术：

图6-3光电变换电路的高压（就地）取电方法

2.换流变压器：

（1）工作电流波形是方波；

（2）耐压要求高；

（3）可能存在必定偏磁（直流重量）；

（4）有载调压、调压范围大、调理屡次。

3.平波电抗器：

（1）作用：

a）直流电流滤波（平波）；

b）限制线路短路电流的上涨率；

c）防备小电流运转时的电流断续；

d）阻断雷电波的侵入；

e）减小对沿线通信设备的扰乱；

（2）如何选用直流电抗器的电感值：

答：

直流电抗器的作用是减少直流侧的沟通脉动量，小电流时保持电流的连续性以及

当直流送电回路发生故障时，能克制电流的上涨速度。

从作用来看，它的电感量

越大越好。

可是过大，当电流快速变化时在直流电抗器上产生的过电压就越大；

此外作为一个延时环节，过大对直流电流的自动调理不利。

所以知足上述三项要

求的前提下，直流电抗器的电感Ld应尽量小。

应选用直流电抗器电感值的详细

方法是：

①按减少直流侧的沟通脉动重量的状况确立电感值；

②以小电流时保持电流的连续性和直流送电回路发生故障时能克制电流上升速

度的状况进行验算。

4.滤波器：

（1）滤波原理：

高阻抗串连分压隔绝（如平波电抗器，滤除谐波电压），低阻抗并联支路分流（如LC滤波器，滤除谐波电流）；工作频次低于谐振频次时，滤波器呈容性，工作频次高于谐振频次时呈感性。

（2）沟通滤波器的种类及其阻抗特征：

a）单一谐滤波器（只有一个谐振频次）：

图6-4单一谐滤波器图6-5单一谐滤波器阻抗特征

b）双调谐滤波器（有两个谐振频次）：

图6-6双调谐滤波器图6-7双调谐滤波器阻抗特征

c）高通滤波器：

图6-8高通滤波器图6-9高通滤波器阻抗特征

（3）沟通侧滤波器设计原则：

滤除谐波的同时考虑无功赔偿，兼备经济性。

（4）沟通侧滤波器设计步骤：

第一依据无功需求确立C，再依据谐振要求确立L，

最后依据质量因数确立R。

（5）电容器的经济容量和安装容量：

电容器的工作电流包含谐波电流和基波电流，其容量是谐波容量和基波容量二者之和，称之为安装容量。

只考虑滤波而不考虑无功赔偿，求得的最小安装容量即经济容量；令“基波容量/安装容量”比值最大，即安装容量的最大利用。

（6）滤波器的特色电抗、质量因数：

谐振频次下的感抗值或容抗值即特色电抗；，即质量因数。

质量因数Q越大，谐振时的支路阻抗越小，滤波成效也越好，但考虑到与沟通电网发生谐振时为防备经过滤波器（电容器和电抗器）的电流过大，人为增添串连电阻

阻值以降低Q，起限制电流过大的作用。

一般Q取值范围为50～100，为了节能目的，有时会取更高值（电阻值更小）。

（7）并联滤波器与串连滤波器对比有什么长处:

a）滤波成效好；

b）串连滤波器一定经过主电路的所有电流，并对地采纳全绝缘，而并联滤波器的一端接地，经过的电流不过由它所滤除的谐波电流和一个比主电路小得多的基波电流，绝缘要求也低。

5.直流断路器:

（1）直流没有过零点，难以熄弧；

（2）熄弧技术：

a）并联LC支路，利用LC振荡产生反向电流以抵消线路电流，使之实现过零灭弧；开封闭合工作时，电容器经过充电回路预充电，开关翻开前，并联到开关两头构成LC振荡回路；

b）直接并联带空隙的电容器，利用电容器汲取能量熄弧；

c）利用渐渐加大串连电阻使回路电流降落，最后用电容器汲取能量熄弧；

d）拉长电弧，增添弧电阻，降低回路电流，熄弧。

七、HVDC对沟通系统的影响：

1.概括：

（1）沟通系统强弱程度:

a）系统强弱程度反应了系统内各环节对扰动的敏感度;

b）互联等效阻抗:

阻抗高，系统弱；阻抗低，系统强；

c）沟通系统惯性（发电机转动惯量）：

惯量小，系统弱；惯量大，系统强；注意：

系统越弱，交、直流交互影响越强。

d）短路比（shortcircuitratio，SCR）：

换流站沟通母线的短路容量与额定直流功率的比值，即：

（1.15）

e）有效短路比（ESCR）：

考虑无功赔偿设备后的短路比，即：

（1.16）

注意：

一般而言，短路比小于2的系统称为弱系统。

注意：

系统在不一样运转方式下，SCR可能不一样。

注意：

恶劣状况下，本来很强的系统也可能会变为弱系统。

2.换相失败：

（1）观点：

当逆变器两个阀进行换相时，因换相过程未能进行完成，或许估计关断的阀关断后，在反向电压时期未能恢复阻断能力，当加在该阀上的电压为正时，立刻从头导通，则发生了倒换相，使估计开通的阀从头关断，这类现象称之为换相失败。

（2）机理：

实质HVDC采纳晶闸管在电流过零后恢复正向阻断能力所需时间约为

400μs（对应50Hz下7.2°），故当关断角小于7.2°时，HVDC会发生换相失败；

此外，当沟通系统较弱时，也简单发生换相失败。

（3）主要要素：

沟通侧母线电压；直流电流；换相电抗；越前触发角等。

（1.17）

（1.18）

（这里有些参数PPT没细讲，我也没搞懂，求赐教）

（4）换相失败的危害：

a）换相失败惹起输送功率中止威迫系统安全稳固；

b）沟通系统短路时，电压跌落可能惹起多个换流站同时发生换相失败，以致多回直流线路功率中止，惹起系统潮流大范围转移和从头散布；

c）影响故障切除后受端系统电压恢复，从而影响故障切除后直流功率快速恢复，可能会威迫沟通系统暂态稳固性。

（5）举措：

a）利用无功赔偿保持沟通电压稳固；

b）采纳较大平波电抗限制直流电流暂态上涨；

c）规划阶段降低变压器短路电抗（换流电抗）；

d）增大触发角或关断角整定值；

e）人工换相等。

3.HVDC惹起的电压稳固：

（1）机理：

逆变器采纳定熄弧角控制时，沟通电压降落，触发角减小，无功功率增添，以致沟通电压进一步降落。

（2）举措：

a）使用无功赔偿装置增强沟通电压支撑能力；

b）换流器控制模式变换（改为定电压控制）；

c）采纳VSC换流器等。

4.直流功率调制的影响—低频振荡克制：

（1）基本观点：

由系统缺乏阻尼或系统负阻尼惹起的输电线路上的功率颠簸频次一般在0.1~2.0Hz，往常称为低频振荡。

自由振荡频次为：

（1.19）

式中，由上式可知，机组惯量越大，振荡频次越低；输送功率越大，振荡频次越低。

（2）直流小信号调制:

a）利用与沟通联系线并联运转的HVDC的小信号调制能够有效地克制互联系统间的低频振荡；

b）原理：

在已有HVDC控制系统中加入附带的直流小信号调制器，从沟通联系线或两头沟通系统中提取异样信号，来调理直流线路传输的功率，使之快速汲取或

赔偿沟通线路功率节余或缺额，起到阻尼振荡作用。

c）常用直流小信号调制器种类：

单入单出超前-滞后赔偿（原理近似于PSS）。

图7-1直流小信号调制器模型

5.谐波不稳固性：

（1）谐波观点：

谐波是一个周期电肚量的正弦重量，其频次为基波频次的整数倍；不是基波整数倍频次的重量称为间谐波或分数谐波；频次低于基频的间谐波称为次谐波。

注意：

HVDC换流器沟通侧为谐波电流源，直流侧为谐波电压源。

（2）谐波稳固性：

a）HVDC惹起的谐波不稳固是指在换流站邻近有扰动时，谐波振荡不易衰减甚至放大的现象，表现为沟通母线电压严重畸变。

b）结果：

电流谐波放大几倍甚至几十倍；电压严重畸变会以致换相失败并使系统运转困难；

c）不稳固机理：

i.特色谐波大多半被沟通滤波器汲取，但非特色谐波却很难被滤波器汲取；

ii.系统阻抗、电源阻抗、滤波器阻抗等并联，简单以致较低次谐振频次（

下）；

5次及以

iii.谐振频次假如与非特色谐波般配可能以致谐波被放大，放大的谐波进一步造成沟通电压波形畸变及脉冲不均衡，假如形成正反应，最后以致沟通母线电压严重畸变，直流系统运转困难或不可以稳固运转；

iv.铁芯饱和型谐波不稳固是因为交直流系统中过多的低次谐波交互影响以致，谐波经过换流变压器的磁通偏移被放大，谐波和换流器交互影响又激励了这类放大，最后以致出现环流变压器铁芯饱和惹起谐波不稳固现象；

v.当沟通侧并联谐振频次与直流侧串连谐振频次恰好知足交直流双侧谐波交互关系时，就发生互补谐振；

d）克制谐波不稳固举措：

i.规划阶段防止互补谐振发生；

ii.利用磁通赔偿或谐波注入除去非特色谐波；

iii.附带控制电流调理触发脉冲，保证非特色谐波最小；

iv.有源滤波等。

6.不对称运转的影响：

在单极大地回线运转方式或许双极两头接地不对称运转方式下，会有较大电（甚至为额定运转电流）经接地极流经大地。

连续、长时间的大电流流过接地极会表现出三类效应：

电磁效应、热力效应、电化效应。

（1）电磁效应：

a）内容：

直流电流注入大地，在极址土壤中形成恒定直流电流场，以致出现大地电位高升、跨步电压、接触电势等。

b）影响：

影响依赖大地磁场工作的设备；对金属管道、铠装电缆、拥有接地系统电气设备产生负面影响；跨步电压和接触电势影响人畜安全；电磁扰乱。

（2）热力效应：

a）直流电流作用下电极温度高升，可能蒸发土壤水分，导电性能变差，电极将出现热不稳固，严重时会使土壤烧结成几乎不导电的玻璃状，电极将丧失运转能力。

b）影响电极温升土壤参数：

电阻率、热导率、热容率、湿度。

（3）电化效应：

a）大地中水与盐类物质相当于电解液，当直流电流经大地返回时，在阳极上会产生氧化反响，使得电极及邻近金属发生电腐化；也会以致邻近土壤中盐类物质被电解。

7.HVDC惹起的变压器直流偏磁：

（1）问题：

直流输电系统接地极流过较大电流时（如单极大地运转）会以致中性点接地变压器产生直流偏磁现象。

（