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、高压直流输电概述：

1.高压直流输电概念：

高压直流输电是交流-直流-交流形式的电力电子换流电路，由将交流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交流电的逆变器三部分组成。

注意：

高压输电好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，减少线路损耗，提高输送效率（,）。

2.高压直流输电的特点：

（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）没有交流输电系统的功角稳定问题；

（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（同频不同相位，或不同频）连接两个交流电网，且不增加短路容量；

（6）传输功率的可控性强，可有效支援交流系统；

（7）换流器大量消耗无功，且产生谐波；

（8）双极不对称大地回线运行时存在直流偏磁问题和电化学腐蚀问题；

（9）不能向无源系统供电，构成多端直流系统困难。

3.对直流输电的基本要求：

（1）能够灵活控制输送的（直流）电功率（大小可调；一般情况下，应能够正反双向传送电功率（功率方向可变）；

（2）维持直流线路电压在额定值附近；

（3）尽可能降低对交流系统的谐波污染；

（4）尽可能少地吸收交流系统中的无功功率；

（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括①不同接地点之间存在电位差，形成电解池，造成电化学腐蚀；②变压器接地中性点流过直流电流，造成变压器直流偏磁，使变压器噪声增加、损耗加大、振动加剧。

4.高压直流输电的适用范围：

答：

1.远距离大功率输电;2.海底电缆送电;3.不同频率或同频率非周期运行的交流系统之间的联络;4.用地下电缆向大城市供电;5.交流系统互联或配电网增容时,作为限制短路电流的措施之一;6.配合新能源供电。

二、高压直流输电系统的基本构成：

5.双端直流输电的基本构成：

（1）单极大地回线（相对于大地只有一个正极或者负极）：

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（很少用）：

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）串联式背靠背：

图2-7

6.多端直流输电的基本构成：

（1）三端并联型；

图2-8

（2）三端串联型；

图2-9

注意：

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

7.多端直流输电的特点：

（1）可以经济地连接多个交流系统；

（2）因缺少大容量直流断路器，无法切除输电线路的短路故障，因而限制了它的发展。

三、换流技术复习：

8.三相全控整流电路原理图：

图3-1

（1）大电感负载（符合直流输电工程实际）；

（2）交流输入电压的相序与晶闸管触发顺序的关系（135462）；

（3）阀的组成、静态均压（电阻分压）和动态均压（电容分压）原理与电路；

（4）均压系数（）、电压裕度系数（）；

（5）阀串联元件数的确定；

（6）电压变化率限制和电流变化率限制。

图3-2

9.三相全控桥的波形图：

（详见电力电子书P152、P153、P160）

10.三相全控桥计算公式:

（1）直流输出电压的理想计算公式:

（为线电压）

（2）考虑交流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=）:

（3）阀电流有效值：

（4）交流侧线电流有效值的计算公式:

11.三相全控桥的外特性（全控桥外特性：

直流输出电压Ud与直流输出电流Id间的函数关系）：

（1）逆变器外特性：

a）方程：

b）曲线：

端电压Ud随输出负载电流Id的增加而下倾的直线；（以定α表示）

图3-3

（2）整流器外特性：

a）方程：

i.用控制角α表示：

ii.用逆变角β表示（α=180°-β代入上式）：

iii.用熄弧角δ表示（δ=β-γ，γ是换相角）：

（）

（）

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加而增加（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加而下降（负内阻）；

图3-5逆变器外特性曲线（以定β和定δ表示）

12.三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

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

13.双端直流输电系统工作点：

（1）工作点的确定：

通常将线路电阻RL纳入逆变器侧，则用β表示的外特性曲线因正值内阻增加而上翘更多，用δ表示的外特性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，两侧电路工作时，应该具有相同电流和端口电压，表现在曲线上，就是两侧换流器的外特性曲线的交点，这就是工作点。

图3-9双端直流系统工作点的确定（两条线交点）

（2）工作点稳定性判据：

采用小扰动法在工作点加上一点小扰动看看系统能不能回到原来的稳定点。

（结论：

整流侧外特性曲线的斜率小于逆变侧外特性曲线的斜率，系统可以稳定运行。

）

14.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：

两个三相全控桥串联；

图3-10

（2）交流输入电压：

两个三相交流输入电压的相位互差30°（频率相同，幅值相同）；

（3）触发顺序：

1-1-2-2-3-3-4-4-5-5-6-6；

（4）直流输出电压瞬时值波形和纹波频率：

每工频基波含12个均匀波头；

（5）直流输出平均电压：

等于两个全控桥直流输出平均电压之和；

（6）双桥换流器的优点：

a）在晶闸管元件耐压能力和串联数不变的条件下，双桥输出电压是单桥的两倍；采用桥串联代替元件串联；

b）直流输出电压的谐波幅值比单桥更小，谐波频率更高，因而更易于滤除；

c）交流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，可以将故障桥隔离（短接），另一正常单桥仍可继续工作；

（1）逆变器实现逆变的条件：

a）外接直流电源，其极性必须与晶闸管的导通方向一致；

b）外接交流系统，其在直流侧产生的整流电压平均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、换流器的谐波分析：

15.谐波的危害：

（1）对铁磁设备的影响。

谐波造成额外的铁耗导致发热、振动和噪声，降低了设备出力、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：

谐波可能引起谐振过电压；

（4）对电力系统测控的影响：

谐波使测量误差增加，可能导致控制失灵，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，使电气应力增加，对各种电气设备尤其是电容器的绝缘造成威胁；

（7）谐波对通信线路造成干扰。

16.谐波分析的数学工具：

傅里叶级数。

17.谐波分析的基本假设：

（1）交流电源为三相对称标准正弦波电压源；

（2）三相交流电路各相阻抗参数相等；

（3）换流器采用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；

在上述基本假设条件下，分析得出的谐波，称之为“特征谐波”。

18.谐波分析的基本步骤：

（1）写出尽可能简洁的周期函数表达式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）分析f（x）的傅立叶级数构成成分，得出有用结论。

19.谐波分析内容：

（1）直流输出电压的特征谐波分析：

a）谐波频率：

等于6n（n=1，2，3，…）倍工频基波频率；

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运行时，整流侧α=12°～15°，逆变侧定δ运行；

c）谐波幅值随谐波次数的增加而减小；

d）n=0时的直流分量就等于直流电压平均值。

（2）交流线电流的特征谐波分析：

a）YY接线变压器一次电流特征谐波分析：

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征谐波分析：

（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征谐波分析（根据假设直流电流无纹波，故只分析直流电压）：

12k±1次谐波。

五、换流器的功率因数计算：

20.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：

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

三相全控桥交流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，）

21.只考虑基波时的功率因数：

22.考虑谐波时的功率因数：

上式是不考虑换相角时的情况。

上式是考虑换相角时的情况。

六、高压直流输电系统主设备：

23.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个晶闸管串联而成；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6-1四重阀示意图

（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；相对于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个触发脉冲都是相对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，但是在三相电压不对称的条件下，后者的触发脉冲不等间隔，导致交流电流波形正负半波宽度不等，平均电流不为零，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）开通时间和电流上升率的限制，即约为100A/s；

d）关断时间与电压上升率的限制，即约为200V/s。

（4）触发脉冲的传送方式：

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

24.换流变压器：

（1）工作电流波形是方波；

（2）耐压要求高；

（3）可能存在一定偏磁（直流分量）；

（4）有载调压、调压范围大、调节频繁。

25.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升率；

c）防止小电流运行时的电流断续；

d）阻断雷电波的侵入；

e）减小对沿线通讯设施的干扰；

（2）如何选取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交流脉动量，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，能抑制电流的上升速度。

从作用来看，它的电感量越大越好。

但是过大，当电流迅速变化时在直流电抗器上产生的过电压就越大；另外作为一个延时环节，过大对直流电流的自动调节不利。

所以满足上述三项要求的前提下，直流电抗器的电感Ld应尽量小。

故选取直流电抗器电感值的具体方法是：

1按减少直流侧的交流脉动分量的情况确定电感值；

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抑制电流上升速度的情况进行验算。

26.滤波器：

（1）滤波原理：

高阻抗串联分压隔离（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）；工作频率低于谐振频率时，滤波器呈容性，工作频率高于谐振频率时呈感性。

（2）交流滤波器的种类及其阻抗特性：

a）单调谐滤波器（只有一个谐振频率）：

图6-4单调谐滤波器图6-5单调谐滤波器阻抗特性

b）双调谐滤波器（有两个谐振频率）：

图6-6双调谐滤波器图6-7双调谐滤波器阻抗特性

c）高通滤波器：

图6-8高通滤波器图6-9高通滤波器阻抗特性

（3）交流侧滤波器设计原则：

滤除谐波的同时考虑无功补偿，兼顾经济性。

（4）交流侧滤波器设计步骤：

首先根据无功需求确定C，再根据谐振要求确定L，最后根据品质因数确定R。

（5）电容器的经济容量和安装容量：

电容器的工作电流包括谐波电流和基波电流，其容量是谐波容量和基波容量两者之和，称之为安装容量。

只考虑滤波而不考虑无功补偿，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）滤波器的特征电抗、品质因数：

谐振频率下的感抗值或容抗值即特征电抗；，即品质因数。

品质因数Q越大，谐振时的支路阻抗越小，滤波效果也越好，但考虑到与交流电网发生谐振时为防止通过滤波器（电容器和电抗器）的电流过大，人为增加串联电阻阻值以降低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）并联滤波器与串联滤波器相比有什么优点:

a）滤波效果好；

b）串联滤波器必须通过主电路的全部电流，并对地采用全绝缘，而并联滤波器的一端接地，通过的电流只是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。

27.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；开关闭合工作时，电容器通过充电回路预充电，开关打开前，并联到开关两端构成LC振荡回路；

b）直接并联带间隙的电容器，利用电容器吸收能量熄弧；

c）利用逐渐加大串联电阻使回路电流下降，最后用电容器吸收能量熄弧；

d）拉长电弧，增加弧电阻，降低回路电流，熄弧。

七、HVDC对交流系统的影响：

28.概述：

（1）交流系统强弱程度:

a）系统强弱程度反映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）交流系统惯性（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）：

换流站交流母线的短路容量与额定直流功率的比值，即：

e）有效短路比（ESCR）：

考虑无功补偿设备后的短路比，即：

注意：

一般而言，短路比小于2的系统称为弱系统。

注意：

系统在不同运行方式下，SCR可能不同。

注意：

恶劣情况下，原来很强的系统也可能会变成弱系统。

29.换相失败：

（1）概念：

当逆变器两个阀进行换相时，因换相过程未能进行完毕，或者预计关断的阀关断后，在反向电压期间未能恢复阻断能力，当加在该阀上的电压为正时，立即重新导通，则发生了倒换相，使预计开通的阀重新关断，这种现象称之为换相失败。

（2）机理：

实际HVDC采用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；另外，当交流系统较弱时，也容易发生换相失败。

（3）主要因素：

交流侧母线电压；直流电流；换相电抗；越前触发角等。

（这里有些参数PPT没细讲，我也没搞懂，求指教）

（4）换相失败的危害：

a）换相失败引起输送功率中断威胁系统安全稳定；

b）交流系统短路时，电压跌落可能引起多个换流站同时发生换相失败，导致多回直流线路功率中断，引起系统潮流大范围转移和重新分布；

c）影响故障切除后受端系统电压恢复，进而影响故障切除后直流功率快速恢复，可能会威胁交流系统暂态稳定性。

（5）措施：

a）利用无功补偿维持交流电压稳定；

b）采用较大平波电抗限制直流电流暂态上升；

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。

30.HVDC引起的电压稳定：

（1）机理：

逆变器采用定熄弧角控制时，交流电压下降，触发角减小，无功功率增加，导致交流电压进一步下降。

（2）措施：

a）使用无功补偿装置增强交流电压支撑能力；

b）换流器控制模式转换（改为定电压控制）；

c）采用VSC换流器等。

31.直流功率调制的影响—低频振荡抑制：

（1）基本概念：

由系统缺乏阻尼或系统负阻尼引起的输电线路上的功率波动频率一般在0.1~2.0Hz，通常称为低频振荡。

自由振荡频率为：

式中，由上式可知，机组惯量越大，振荡频率越低；输送功率越大，振荡频率越低。

（2）直流小信号调制:

a）利用与交流联络线并联运行的HVDC的小信号调制可以有效地抑制互联系统间的低频振荡；

b）原理：

在已有HVDC控制系统中加入附加的直流小信号调制器，从交流联络线或两端交流系统中提取异常信号，来调节直流线路传输的功率，使之快速吸收或补偿交流线路功率过剩或缺额，起到阻尼振荡作用。

c）常用直流小信号调制器类型：

单入单出超前-滞后补偿（原理类似于PSS）。

图7-1直流小信号调制器模型

32.谐波不稳定性：

（1）谐波概念：

谐波是一个周期电气量的正弦分量，其频率为基波频率的整数倍；不是基波整数倍频率的分量称为间谐波或分数谐波；频率低于基频的间谐波称为次谐波。

注意：

HVDC换流器交流侧为谐波电流源，直流侧为谐波电压源。

（2）谐波稳定性：

a）HVDC引起的谐波不稳定是指在换流站附近有扰动时，谐波振荡不易衰减甚至放大的现象，表现为交流母线电压严重畸变。

b）后果：

电流谐波放大几倍甚至几十倍；电压严重畸变会导致换相失败并使系统运行困难；

c）不稳定机理：

i.特征谐波大部分被交流滤波器吸收，但非特征谐波却很难被滤波器吸收；

ii.系统阻抗、电源阻抗、滤波器阻抗等并联，容易导致较低次谐振频率（5次及以下）；

iii.谐振频率如果与非特征谐波匹配可能导致谐波被放大，放大的谐波进一步造成交流电压波形畸变及脉冲不均衡，如果形成正反馈，最终导致交流母线电压严重畸变，直流系统运行困难或不能稳定运行；

iv.铁芯饱和型谐波不稳定是由于交直流系统中过多的低次谐波交互影响导致，谐波通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种放大，最终导致出现环流变压器铁芯饱和引起谐波不稳定现象；

v.当交流侧并联谐振频率与直流侧串联谐振频率刚好满足交直流两侧谐波交互关系时，就发生互补谐振；

d）抑制谐波不稳定措施：

i.规划阶段避免互补谐振发生；

ii.利用磁通补偿或谐波注入消除非特征谐波；

iii.附加控制电流调节触发脉冲，保证非特征谐波最小；

iv.有源滤波等。

33.不对称运行的影响：

在单极大地回线运行方式或者双极两端接地不对称运行方式下，会有较大电（甚至为额定运行电流）经接地极流经大地。

持续、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，导致出现大地电位升高、跨步电压、接触电势等。

b）影响：

影响依靠大地磁场工作的设施；对金属管道、铠装电缆、具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；电磁干扰。

（2）热力效应：

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

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应，使得电极及附近金属发生电腐蚀；也会导致附近土壤中盐类物质被电解。

34.HVDC引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（如单极大地运行）会导致中性点接地变压器产生直流偏磁现象。

（2）后果：

导致铁芯饱和，产生谐波，引起振动和噪声，引起发热，严重时损坏变压器，引起保护误动等。

图7-2直流偏磁对变压器励磁电流的影响

（3）产生的原因：

a）电流在大地中流通，会在不同的地点产生不同的电势，如果两个变电站的接地网存在直流电势差，加上交流系统的直流电阻比较小，这样就会在交流系统中形成直流电流；

b）入地电流找到了一个比大地更容易流通的通道，即接地变压器绕组和交流线路组成。

图7-3大地电流回路

（4）影响因素：

两台接地变压器所处位置的电位；两个变电站接地电阻R1、R2；变压器绕组直流电阻RT1、RT2；线路电阻RL。

图7-4

（5）抑制措施（根本思路：

避免（减小）地电流流经变压器中性点）：

a）中性点串电阻，限制流入的直流电流：

图7-5中性点串电阻

i.优点：

简单、可靠、低成本；

ii.缺点：

不能彻底消除直流电流流入；接地性质改变，有负面影响；影响方向保护灵敏度；系统故障时中性点过电压等。

b）改变中性点电位（如反向注入电流、电位补偿等）：

图7-6改变中性点电位

c）中性点串隔直电容阻止直流电流流入：

图7-7中性点串隔直电容

35.短时过电压：

（1）定义：

超过正常电压范围，持续相对较长时间的不衰减或衰减慢的过电压。

（TemporaryOvervoltage，TOV）

（2）原因：

造成换流站短时过电压的根本原因是换流站安装的大量无功补偿电容器和滤波器；额定工况下，无功容量为额定输送功率的40%-60%，甩负荷时引起无功消耗大幅下降甚至为零，剩余的无功补偿容量就会导致过电压。

（3）影响短时过电压大小的因素：

a）系统强弱程度与无功消耗情况；

b）由交流系统等效阻抗与直流输电换流站无功补偿设备和滤波设备构成的并联谐振；

c）由换流变压器饱和或偏磁引起的励磁涌流。

（4）一般短时过电压包含的分量:

工频过电压分量；变压器励磁涌流引起的过电压分量；并联谐振决定的自由频率分量。

（5）限制短时过电压的措施：

a）加强交流系统；

b）采用适当的直流输电运行策略；

c）电容器组与滤波器组投切；

d）ZnO避雷器限制过电压。

36.HVDC引起的次同步振荡（SubsynchronousOscillation（SSO））：

（1）概念：

汽轮发电