重庆大学电气工程学院 电力系统及其自动化系 周念成

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1 重庆大学电气工程学院 电力系统及其自动化系 周念成
新型输电技术 重庆大学电气工程学院 电力系统及其自动化系 周念成

2 绪论 电力网络是当今世界覆盖面最广、涉及面最大、技术先进和装备复杂的人造系统，所具备的特点是： ① 同时性 ② 同步性 ③ 随机性

3 1)多相输电 在1972 年由美国学者提出。在输电过程中采用三相输电的整倍数相，如6、9 、12 相输电以大幅度地提高输送功率极限 2)紧凑型输电 在1980年代由前苏联学者提出。它从优化输电线和杆塔结构着手，通过增加分裂导线的根数，优化导线排列，尽力使输电线附近的电场均匀，从而减小线路的线间距离，提高线路的自然功率。

4 3)超导输电 是超导技术在电力工业中的应用，目前在国际上已能制造小容量的超导发电机、超导变压器和超导电缆，但是距离工业应用还有一段距离。 4)无线输电 现代主要研究和有希望在未来实理工业化应用的无线输电方式包括微波输电、激光输电和真空管道输电。

5 新型输电技术的主要内容 高压直流输电 High Voltage Direct Current , HVDC 灵活交流输电(柔性输电)
Flexible AC Transmission System, FACTS 都是电力电子技术介入电能输送的技术

6 绪论 在发电和变压上，交流有明显的优越性，但是在输电问题上，直流有其交流所没有的优点。和交流输电相比，直流输电有三个主要优点：
1)当输电距离足够长时，直流输电的经济性将优于交流输电 2)直流输电通过对换流器的控制可以快速地（时间为毫秒级）调整直流线路上的功率，从而提高交流系统的稳定性 3)可以联接两个不同步或频率不同的交流系统

7 绪论 灵活交流输电（柔性输电）是利用大功率电力电子元器件构成的装置来控制或调节交流电力系统的运行参数和／或网络参数从而优化电力系统的运行状态，提高电力系统的输电能力的技术。 其概念最初由美国学者亨高罗尼（N . G . Higorani）提出，约形成于20 世纪80 年代末。

8 绪论 产生和应用灵活交流输电技术的主要背景： １）挖掘已有输电网络的潜力的需要 ２）电力系统运营机制的市场化需要 条件：
１）大功率电力电子元器件的制造技术日益发展，价格日趋低廉－－经济上 ２）计算技术和控制技术方面的快速发展和计算机的广泛应用－－技术上

9 绪论 研究意义： 高压直流输电和灵活交流输电的基本特点都是控制十分迅速，因而当系统中含有HVDC线路和／或FACTS 装置时，电力系统的暂态和动态调控手段都大大加强。 研究HVDC和FACTS 的原理和在各种运行工况下的分析方法、控制技术及含有HV DC和FACTS 的电力系统的潮流计算方法及控制策略等成为电力科学研究的一个重要领城。

10 绪论 本课程讲述的主要内容： １、高压直流输电的基本概念 ２、换流电路的工作原理，换流站及其主设备 ３、高压直流输电线路 ４、谐波与滤波器
　绪论 本课程讲述的主要内容： １、高压直流输电的基本概念 ２、换流电路的工作原理，换流站及其主设备 ３、高压直流输电线路 ４、谐波与滤波器 ５、高压直流输电系统的控制 ６、灵活交流输电技术及其应用

11 第一章 高压直流输电的基本概念 1.1 直流输电的基本原理 1.2 直流输电系统的分类 1.3 高压直流输电的发展历史
1.4 直流输电的优缺点 1.5 交流输电与直流输电比较的等价距离 1.6 直流输电的发展前景

12 1.1 直流输电的基本原理 HVDC系统的主要元件如图所示，以双极系统为例，其它结构的元件与该图所示基本类同。

13 直流输电的基本原理

14 直流输电的基本原理 １）换流器 它们完成交－直流和直一交流转换，由阀桥和有抽头切换器的变压器构成 。

15 直流输电的基本原理 ２）直流平波电抗器 这些大电抗器具有高达1H 的电感，在每个换流站与每极串联。

16 直流输电的基本原理 ３）谐波滤波器 换流器在交流和直流两侧均产生谐波电压和谐波电流。

17 直流输电的基本原理 ４）无功功率支持 换流器内部要吸收无功功率，稳态条件下，所消耗的无功功率是传输功率的50 ％左右。

18 直流输电的基本原理 ５）接地极

19 直流输电的基本原理 ６）直流输电线 可以是架空线，也可以是电缆。除了导体数和间距的要求有差异外，直流线路与交流线路十分相似。

20 直流输电的基本原理 ７）交流断路器 为了排除变压器故障和使直流联络线停运，在交流侧装有断路器，它们不是用来排除直流故障的，因为直流故障可以通过换流器的控制更快地清除。

21 直流输电的基本原理 直流系统的电流和功率

22 1.2 直流输电系统的分类 由于目前各种类型的直流断路器都还处于研制阶段，致使直流输电系统还不能像交流系统一样构成各种复杂的网络，所以目前直流输电大多是两端供电系统。 该系统常见的接线类型有：

23 直流输电系统的分类 １）单极线路方式 是用一根架空导线或电缆线，以大地或海水作为返回线路组成的直流输电系统

24 直流输电系统的分类 2)双极线路方式 双极线路方式有两根不同极性（即正、负极）的导线，可具有大地回路或中性线回路。
Ａ　双极两线中性点两端接地方式 Ｂ　双极两线中性点单端接地方式

25 直流输电系统的分类 Ｃ　双极中性线方式 将双极两端的中性点用导线连接起来，就构成双极中性线方式 。这种方式由于增加了一根导线．在经济上将增加一定的投资

26 直流输电系统的分类 D “背靠背”( back-to-back ）换流方式
没有直流输电线路，而将整流站和逆变站建在一起的直流系统称为“背靠背”换流站。这种方式适用于不同额定频率或者相同额定频率非同步运行的交流系统之间的互联。因为没有直流输电线路，所以直流系统可选用较低的额定电压。这样，整个直流系统的绝缘费用可降低。目前世界各国已修建和准备投建的“背靠背”直流工程较多，其主要用途是系统的增容时限制短路容量，从而不致更换大量的电气设备。

27 1.3 高压直流输电的发展历史 一、国外的发展概况 1954年 瑞典大陆－－－哥特兰岛， ９０ｋＭ水下电缆，２０ＭＷ
1954年　瑞典大陆－－－哥特兰岛， 　　　　９０ｋＭ水下电缆，２０ＭＷ 汞弧阀、晶闸管（可控硅）

28 高压直流输电的发展历史 １、１９５４年以前－－试验性阶段 １）参数较低 几十千伏、几兆瓦－－几十兆瓦、几十千米－－一百多千米
　　几十千伏、几兆瓦－－几十兆瓦、几十千米－－一百多千米 ２）换流装置采用汞弧阀 ３）发展较慢

29 高压直流输电的发展历史 这一阶段的代表性工程有 ：
１）德国的爱尔巴－－柏林工程（1945 年）其主要参数为：电压士220kV ，输送容量6OMW ，输送距离115km （电缆），采用汞弧阀。 ２）瑞典的脱罗里赫坦－－密里路特工程（1945 年）其主要参数为：电压士45kV ，输送容过６.５MW ．架空线路长度５０km ，采用汞弧阀。

30 高压直流输电的发展历史 ３）原苏联的卡希拉－－莫斯科工程（1950 年）　其主要参数为：电压士２００kV 、输送容量30MＷ 、输送距离１１２kｍ（电缆），采用汞弧阀（现已改为晶闸管阀）。

31 高压直流输电的发展历史 2、1954年至1972年－－发展阶段
1)换流装置仍采用汞弧阀，不仅参数有很大的提高，而且质量也有很大的改善,直流输电进入了工业实用阶段 2)采用直流输电具有多方面的目的: 　水下输电 　　不同频率连接 　　远距离，大功率（ 1970 年美国的太平洋联络线工程，其架空线路长度达1362km 、电压为士４００kV ，输送容虽为1440MW）

32 高压直流输电的发展历史 ３、1972 年到现在－－大力发展阶段 1972 年，加拿大的伊尔河直流输电工程首次采用晶闸管阀（可控硅阀）。
１）新建设的直流工程几乎全部采用晶闸管 ２）直流输电工程几乎全是超高压工程 ３）单回线路的输电能力比前阶段有了很大增加 ４）发展速度很快，且规模越来越大

33 高压直流输电的发展历史 二、我国高压直流输电的发展情况 １、实验装置建设及换流设备研制
中国的直流输电是在1958 年考虑长江三峡水利资源的开发以及三峡电站的电力外送问题时提出的。 1963 年在中国电力科学研究院建成１０００ V 、５A 的直流输电物理模拟装置。 20 世纪70 年代以后，对该套装置进行了技术更新和改造，用晶闸管替换了原来的闸流管并采用了数字式的控制保护系统。

34 高压直流输电的发展历史 ８０年代，葛－－南大型直流输电工程的技术引进．从瑞士ＢＢＣ 公司引进了一套先进的大型直流输电模拟装置
90 年代，在该套装置上又增加了全数字化的直流输电仿真系统（ＲＴＤＳ） ，并且与暂态网络分析装置（ＴＮＡ ）相连，从而具备了进行更大规模试验研究工作的能力。

35 高压直流输电的发展历史 ２、直流输电工程建设 20 世纪80 年代，中国开始建设直流输电工程，到2005年已有８ 项直流输电工程投入运行。

36 高压直流输电的发展历史 1）舟山直流输电工程
１９８０年国家确定全部依靠自己的力量建设中国第一项直流输电工程，它既解决了浙江大陆向舟山本岛的输电问题，又具有向建设大型直流输电工程过渡的工业性试验性质。工程的第一期为单极金属回线方式，-100kV , 500A , 50MW 。第一期工程于1984年开始施工，1987 年进行调试并投入试运行，1989 年正式投人商业运行。工程的最终规模为双极±100　kV , 500A , 100MW，线路全长54km 。

37 高压直流输电的发展历史

38 高压直流输电的发展历史 2、葛洲坝一南桥直流输电工程（简称葛一南直流工程）
1982 年开始对葛洲坝水电站向华东送电进行可行性研究，由于直流输电在远距离输电和联网方面的优点，最终选择了直流输电方案。该工程既解决了葛洲坝电站向华东上海地区的送电问题，又实现了华中与华东两大电网的非同期联网，它具有输电和联网的双重性质。

39 高压直流输电的发展历史 葛－－南直流工程为双极±５００kV 、１200 A 、1200MW ，输送距离约１０４５ｋＭ。
1985 年10 月开工，1989 年9 月极１ 投入运行，1990年8 月全部工程建成，并投人商业运行。原瑞士BBC 公司和德国西门子公司提供。

40 高压直流输电的发展历史

41 高压直流输电的发展历史 ３、天生桥－－广州直流输电工程（简称天一广直流工程）
1991 年开始进行可行性研究，1997 年与德国西门了公司签订了供货合同，2000年12 月极１ 投人运行，2001 年工程全部建成。该工程为西电东送工程的一部分。直流工程为双极±500ｋＶ 、 1800 A 、1800ＭＷ，西起天生桥水电站附近的马窝换流站，东至广州的北郊换流站。全长约960 Ｋｍ。

42 高压直流输电的发展历史

43 高压直流输电的发展历史 ４、嵊泗直流输电工程
嵊泗直流输电工程是中国自行设计和建造的双极海底电缆直流工程。主要解决从上海向嵊泗岛及宝钢马迹山码头的送电问题，同时也专虑到嵊泗岛上的风力发电发展到一定规模时也具有向上海反送的功能，工程的主要特点是受端为弱交流系统。工程为双极±50ｋＶ、６００A 、６０ＭＷ，共66.2km，其中59.7km为海底电缆。

44 高压直流输电的发展历史 1996 年完成各种研究工作，1997 年进行设备订货，2002 年工程全部建成。除控制保护装装置由许继电气股份有限公司供货外，其余全部设备均由西安电力机械股份有限公司承包 。

45 高压直流输电的发展历史

46 高压直流输电的发展历史 ５、三峡－－常州直流输电工程（简称三－－常直流工程）
主要为解决三峡水电站向华东电网的送电问题，同时也加强了华中与华东两大电网的非同期联网。工程为双极±500ｋＶ 、3000 A 、 3000ＭＷ，全长约860 Ｋｍ。工程于2002 年12月极1 投入运行，2003 年5 月全部建成 。

47 高压直流输电的发展历史

48 高压直流输电的发展历史 2004以后投入的直流工程 三峡－－广东直流输电工程(2004.2-6)
工程为双极±500ｋＶ 、3000 A 、 3000ＭＷ，全长约960 km。ABB 贵州－－广东直流输电工程(2004.6) 工程为双极±500ｋＶ 、3000 A 、 3000ＭＷ，全长约960 km。siemens 灵宝背靠背直流工程 （2005） 360MW、120kV、3000A

49 高压直流输电的发展历史 目前在建： １）三峡－－上海　　（2007） ２）贵州－－广东第２回直流输电(2007)

50 1.4 直流输电的优缺点 优点： 一、输送相同功率时，线路造价低
对于架空线路，交流输电通常采用3 根导线，而直流只需1 根（单极）或2 根（双极）导线。直流输电对其线路走廊、铁塔高度、占地面积等方面，也比交流输电优越。对于电缆线路，直流电缆与交流电缆相比，其投资费和运行费都更为经济 。

51 直流输电的优缺点 二、线路有功损耗小 由于直流架空线路仅使用１根或2 根导线，所以在导线上的有功损耗较小。同时，由于直流线路没有感抗和容杭，在线路上也就没有无功损耗 。

52 直流输电的优缺点 三、适宜于海下输电 海下输电必须采用电缆。电缆的绝缘在直流电压和交流电压作用下的电位分布、电场强度和击穿强度都不相同，以同样截面积的油浸纸绝缘电缆为例，用于直流时的允许工作电压比在交流下约高3 倍。因此，在有色金属和绝缘材料相同的条件下，2 根芯线的直流电缆线路输送的功率比3 根芯线的交流电缆线路输送的功率P大得多。所以海下输电采用直流电统在投资上比采用交流电缆经济得多。

53 四、没有系统的稳定问题 在交流输电系统中，所有连接在电力系统的同步发电机必须保持同步运行。所谓“系统稳定”，就是指在系统受到扰动后所有互联的同步发电机具有保持同步运行的能力。由于交流系统具有电抗，输送的功率有一定的极限，当系统受到某种扰动时，有可能使线路上的输送功率超过它的极限。

54 直流输电的优缺点 五、能限制系统的短路电流
用交流输电线路连接两个交流系统时，由于系统容量增加，将使短路电流增大，有可能超过原有断路器的遮断容量，这就要求更换大量设备，增加大量的投资。而用直流输电线路连接两个交流系统时，就不存在上述问题，这对于交流系统的互联具有极大的实用价值。

55 直流输电的优缺点 六、调节速度快，运行可靠
直流输电通过晶闸管换流器能够方便、快速地调节有功功率和实现潮流翻转。这不仅在正常运行时保证稳定地输出功率，而且在事故情况下，可通过正常的交流系统一侧由直流线路对另一侧事故系统进行紧急支援。或者在交、直流线路并联运行时，当交流系统发生短路，可暂时增大直流输送的功率以减小发电机转子加速，从而提高系统运行的稳定性。 单极运行

56 直流输电的缺点 一、换流站的设备较昂贵 二、换流装置要消耗大量的无功功率 三、换流装置是一个谐波源，在运行中要产生谐波，影响系统的运行
四、换流装置几乎没有过载能力，所以对直流系统的运行不利

57 直流输电的优缺点 五、由于目前高压直流断路器还处于研制阶段，所以阻碍了多端直流系统的发展
六、以大地作为回路的直流系统，运行时会对沿途的金属构件和管道有腐蚀作用，以海水作为回路时，会对航海导航仪表产生影响。

58 直流输电的优缺点 根据ＨＶＤＣ的优缺点，直流输电适用于以下场合： 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 ）配合新能源的输电

59 1 . 5 交流输电与直流输电比较的等价距离 交、直流输电比较的等价距离
目前国际上对架空线路其等价距离约为 km，电缆线路约为 20-40km。

60 1 . 6 直流输电的发展前景 世界各国在现有直流输电工程设计、建设和运行经验的基础上，正广泛深入地开展如下的研究工作：
l ）研究电压更高、容量更大的晶闸管元件，改进换流阀的机、电、热各方面的结构，以进一步降低换流器的造价和提高可靠性。 2 ）研究采用大规模集成电路元件和微机处理技术，充分发挥直流输电优越的调节性能，以适应各种运行工况的需要。

61 直流输电的发展前景 3） 研究交、直流的并列运行和调节，以提高输送功率极限。采用静止无功功率补偿装置，以进一步提高直流联络线的性能。
4 ）研究更大断流容量的高压直流断路器和发展多端直流系统。 5 ）研究高压直流电场以及电晕、无线电干扰对环境的影响。 6）研究高次谐波的测量方法和消除谐波的新措施及装置。

62 直流输电的发展前景 7 ）进一步开展直流输电系统的数字仿真及其计算方法的研究。 8 ）进一步开展高压直流系统可靠性计算方法的研究。
9 ）开展高压直流过电压、直流污秽及绝缘配合的研究。