直流輸電技術(shù)課題研究

1、貴州大學(xué)課題研究（大容量交直流輸電技術(shù)） 第13頁目 錄一、前言1二、直流輸電的發(fā)展1三、直流輸電的運(yùn)行方式2四、直流輸電的功能及優(yōu)點(diǎn)24.1功能24.2優(yōu)點(diǎn)3 五、換流站的主要設(shè)備4六、經(jīng)濟(jì)性三大特性突出節(jié)能效果4七、遠(yuǎn)距離輸電優(yōu)勢明顯5八、提升空間大功率電力電子器件將改善直流輸電性能8九、工程應(yīng)用8十、安順500kv換流站實(shí)例9十一、發(fā)展趨勢13高 壓 直 流 輸 電 技 術(shù)一、前言自上世紀(jì)80年代以來，電力傳輸技術(shù)的發(fā)展步伐明顯加快，提高傳輸能力的辦法不斷涌現(xiàn)，既有直流輸電技術(shù)、柔性交流輸電技術(shù)、分頻輸電技術(shù)等高新技術(shù)，同時(shí)也有對現(xiàn)有高壓交流輸電線路的增容改造技術(shù)，如升壓改造、復(fù)導(dǎo)增容改

2、造、交流輸電線路改為直流輸電技術(shù)等。直流輸電，對于提高現(xiàn)有傳輸系統(tǒng)的傳輸能力，挖掘現(xiàn)有設(shè)備潛力，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，實(shí)施起來可收到事半功倍的效果。二、直流輸電的發(fā)展追溯歷史，最初采用的輸電方式是直流輸電，于 1874 年出現(xiàn)于俄國。當(dāng)時(shí)輸電電壓僅 100V。隨著直流發(fā)電機(jī)制造技術(shù)的提高，到 1885 年，直流輸電電壓已提高到 6000V。但要進(jìn)一步提高大功率直流發(fā)電機(jī)的額定電壓，存在著絕緣等 一系列技術(shù)困難。由于不能直接給直流電升壓，輸電距離受到極大的限制，不能滿足輸送容量增長和輸電距離增加的要求。19 世紀(jì) 80 年代末，人類發(fā)明了三相交流發(fā)電機(jī)和變壓器。 1891 年， 世界上第一個(gè)三

3、相交流發(fā)電站在德國竣工后， 此交流輸電普遍代替了直流輸電。隨著電力系統(tǒng)的迅速擴(kuò)大，輸電功率和輸電距離的進(jìn)一步增加，交流輸電遇到了一系列技術(shù)困難。大功率換流器(整流和逆變) 的研究成功，為高壓直流輸電突破了技術(shù)上的障礙，直流輸電重新受到人們的重視。 1933 年， 美國通用電器公司為布爾德壩樞紐工程設(shè)計(jì)出高壓直流輸電裝置,1954 年，建起了世界上第一條遠(yuǎn)距離高壓直流輸電工程。之后，直流輸電在世界上得到了較快發(fā)展，現(xiàn)在直流輸電工程的電壓等級大多為275500kV， 投入商業(yè)運(yùn)營的直流工程最高電壓等級為600kV(巴西伊泰普工程)，我國計(jì)劃在西南水電送出的直流工程中采用800kV 電壓等級。三、直

4、流輸電的運(yùn)行方式在現(xiàn)代直流輸電系統(tǒng)中，只有輸電環(huán)節(jié)是直流電，發(fā)電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)仍然是交流電。在輸電線路的送端，交流系統(tǒng)的交流電經(jīng)換流站內(nèi)的換流變壓器送到整流器， 將高壓交流電變?yōu)楦邏褐绷麟姾笏腿胫绷鬏旊娋€路。直流電通過輸電線路送到受端換流站內(nèi)的逆變器，將高壓直流電又變?yōu)楦邏航涣麟?，再?jīng)過換流 變壓器將電能輸送到交流系統(tǒng)。在直流輸電系統(tǒng)中，通過控制換流器，可以使其工作于整流或逆變狀態(tài)。我國目前建成的高壓直流輸電工程均為兩端直流輸電系統(tǒng)。 兩端直流輸電系統(tǒng)主要由整流站、逆變站和輸電線路三部分組成， 兩端直流輸電系統(tǒng)可以采用雙極和單極兩種運(yùn)行方式。在雙極運(yùn)行方式中，利用正負(fù)兩極導(dǎo)線和兩端換流站的正負(fù)

5、極相連，構(gòu)成直流側(cè)的閉環(huán)回路。兩端接地極所形成的大地回路可作為輸電系統(tǒng)的備用導(dǎo)線。正常運(yùn)行時(shí)，直流電流的路徑為正負(fù)兩根極導(dǎo)線。實(shí)際上，它們是由兩個(gè)獨(dú)立運(yùn) 行的單極大地回路系統(tǒng)構(gòu)成。正負(fù)兩極在地中的電流方向相反，地中電流為兩極 電流之差。兩 極電流之差形成的電流為不平衡電流，由接地極導(dǎo)引入地。在雙極運(yùn)行時(shí)，不平衡電流一般控制在額定電流的 1%之內(nèi)。單極運(yùn)行方式又分為單極金屬返回和單極大地返回兩種運(yùn)行方式。 在單極金 屬返回運(yùn)行方式中，利用兩根導(dǎo)線構(gòu)成直流側(cè)的單極回路，直流線路中的一根導(dǎo)線用作正 或負(fù)極導(dǎo)線，另一根用作金屬返回線。在此運(yùn)行方式中，地中無電流 通過。在單極大地返回運(yùn)行方式中，利用一根

6、或兩根導(dǎo)線和大地構(gòu)成直流側(cè)的單 極回路。在該運(yùn)行方式中，兩端換流站均需接地，大地作為一根導(dǎo)線，通過接地極入地的電流即為直流輸電工程的運(yùn)行電流。四、直流輸電的功能及優(yōu)點(diǎn)4.1 功能在一個(gè)高壓直流輸電系統(tǒng)中，電能從三相交流電網(wǎng)的一點(diǎn)導(dǎo)出,在換流站轉(zhuǎn)換成直流，通過架空線或電纜傳送到接受點(diǎn)；直流在另一側(cè)換流站轉(zhuǎn)化成交流后，再進(jìn)入接收方的交流電網(wǎng)。直流輸電的額定功率通常大于100兆瓦，許多在1000-3000兆瓦之間。 高壓直流輸電用于遠(yuǎn)距離或超遠(yuǎn)距離輸電，因?yàn)樗鄬鹘y(tǒng)的交流輸電更經(jīng)濟(jì)。 應(yīng)用高壓直流輸電系統(tǒng)，電能等級和方向均能得到快速精確的控制，這種性能可提高它所連接的交流電網(wǎng)性能和效率，直流輸電系

7、統(tǒng)已經(jīng)被普遍應(yīng)用。 高壓直流輸電是將三相交流電通過換流站整流變成直流電，然后通過直流輸電線路送往另一個(gè)換流站逆變成三相交流電的輸電方式。它基本上由兩個(gè)換流站和直流輸電線組成， 兩個(gè)換流站與兩端的交流系統(tǒng)相連接。 直流輸電線造價(jià)低于交流輸電線路但換流站造價(jià)卻比交流變電站高得多。一般認(rèn)為架空線路超過600-800km，電纜線路超過40-60km直流輸電較交流輸電經(jīng)濟(jì)。隨著高電壓大容量可控硅及控制保護(hù)技術(shù)的發(fā)展，換流設(shè)備造價(jià)逐漸降低直流輸電近年來發(fā)展較快。我國葛洲壩一上海1100km、500kV,輸送容量的直流輸電工程，已經(jīng)建成并投入運(yùn)行。此外，全長超過2000公里的向家壩-上海直流輸電工程也已經(jīng)完

8、成。該線路是目前（截至2011年初）世界上距離最長的高壓直流輸電項(xiàng)目。4.2 優(yōu)點(diǎn)是不增加系統(tǒng)的短路容量便于實(shí)現(xiàn)兩大電力系統(tǒng)的非同期聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行和不同頻率的電力系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng);利用直流系統(tǒng)的功率調(diào)制能提高電力系統(tǒng)的阻尼，抑制低頻振蕩，提高并列運(yùn)行的交流輸電線的輸電能力。它的主要缺點(diǎn)是直流輸電線路難于引出分支線路絕大部分只用于端對端送電。加拿大原計(jì)劃開發(fā)和建設(shè)五端直流輸電系統(tǒng)現(xiàn)已建成三端直流輸電系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)多端直流輸電系統(tǒng)的主要技術(shù)困難是各種運(yùn)行方式下的線路功率控制問題。目前， 一般認(rèn)為三端以上的直流輸電系統(tǒng)技術(shù)上難實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)合理性待研究。 五、換流站的主要設(shè)備包括換流器、換流變壓器、平波電抗器、交流濾波器

9、、直流避雷器及控制保護(hù)設(shè)備等。 換流器又稱換流閥是換流站的關(guān)鍵設(shè)備，其功能是實(shí)現(xiàn)整流和逆變。目前換流器多數(shù)采用晶閘管可控硅整流管)組成三相橋式整流作為基本單元，稱為換流橋。一般由兩個(gè)或多個(gè)換流橋組成換流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)交流變直流直流變交流的功能。 換流器在整流和逆變過程中將要產(chǎn)生5、7、11、13、17、19等多次諧波。為了減少各次諧波進(jìn)入交流系統(tǒng)在換流站交流母線上要裝設(shè)濾波器。它由電抗線圈、電容器和小電阻3種設(shè)備串聯(lián)組成通過調(diào)諧的參數(shù)配合可濾掉多次諧波。 一般在換流站的交流側(cè)母線裝有5、7、11、13次諧波濾波器組。 單極又分為一線一地和單極兩線的方式。直流輸電一般采用雙極線路，當(dāng)換流器有一極退出

10、運(yùn)行時(shí)，直流系統(tǒng)可按單極兩線運(yùn)行，但箱送功率要減少一半。 2009年，瑞士ABB集團(tuán)與西班牙Abengoa集團(tuán)合作，開始建設(shè)連接巴西西北部兩座新建水電站和巴西經(jīng)濟(jì)中心圣保羅的2500公里高壓直流輸電線路。該線路竣工后將成為世界最長的高壓直流輸電線路六、經(jīng)濟(jì)性三大特性突出節(jié)能效果 從經(jīng)濟(jì)方面看，直流輸電有以下三個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)： 首先，線路造價(jià)低，節(jié)省電纜費(fèi)用。直流輸電只需兩根導(dǎo)線，采用大地或海水作回路只用一根導(dǎo)線，能夠節(jié)省大量線路投資，因此電纜費(fèi)用省得多。 其次，運(yùn)行電能損耗小，傳輸節(jié)能效果顯著。直流輸電導(dǎo)線根數(shù)少，電阻發(fā)熱損耗小，沒有感抗和容抗的無功損耗，且傳輸功率的增加使單位損耗降低，大大提高了

11、電力傳輸中的節(jié)能效果。 最后，線路走廊窄，征地費(fèi)省。以同級500千伏電壓為例，直流線路走廊寬僅40米，對于數(shù)百千米或數(shù)千千米的輸電線路來說，其節(jié)約的土地量是很可觀的。 除了經(jīng)濟(jì)性，直流輸電的技術(shù)性也可圈可點(diǎn)。直流輸電調(diào)節(jié)速度快，運(yùn)行可靠。在正常情況下能保證穩(wěn)定輸出，在事故情況下可實(shí)現(xiàn)緊急支援，因?yàn)橹绷鬏旊娍赏ㄟ^可控硅換流器快速調(diào)整功率、實(shí)現(xiàn)潮流翻轉(zhuǎn)。此外，直流輸電線路無電容充電電流，直流線路無電容充電電流，電壓分布平穩(wěn)，負(fù)載大小不發(fā)生電壓異常不需并聯(lián)電抗。七、遠(yuǎn)距離輸電優(yōu)勢明顯 發(fā)電廠發(fā)出的交流電通過換流閥變成直流電，然后通過直流輸電線路送至受電端再變成交流電，注入受端交流電網(wǎng)。業(yè)內(nèi)專家一致認(rèn)

12、為。高壓直流輸電具有線路輸電能力強(qiáng)、損耗小、兩側(cè)交流系統(tǒng)不需同步運(yùn)行、發(fā)生故障時(shí)對電網(wǎng)造成的損失小等優(yōu)點(diǎn)，特別適合用于長距離點(diǎn)對點(diǎn)大功率輸電。 其中，輕型直流輸電系統(tǒng)采用可關(guān)斷的晶閘管、絕緣門極雙極性三極管等可關(guān)斷的器件組成換流器，使中型的直流輸電工程在較短輸送距離也具有競爭力。 此外，可關(guān)斷器件組成的換流器，還可用于向海上石油平臺、海島等孤立小系統(tǒng)供電，未來還可用于城市配電系統(tǒng)，接入燃料電池、光伏發(fā)電等分布式電源。輕型直流輸電系統(tǒng)更有助于解決清潔能源上網(wǎng)穩(wěn)定性問題。1、高壓直流輸電與交流輸電相比，具有諸多優(yōu)點(diǎn)：(1)高壓直流輸電具有明顯的經(jīng)濟(jì)性。輸送相同功率時(shí)，直流輸電線路所用線材僅為交流輸

13、電的 1/22/3。直流輸電采用兩線制，與采用三線制三相交流輸 電相比，在輸電線路導(dǎo)線截面和電流密度相同的條件下，若不考慮趨膚效 應(yīng)，輸送相同的電功率，輸電線和絕緣材料可節(jié)省約 1/3。如果考慮到趨膚效 應(yīng)和各種損 耗，輸送同樣功率交流電所用導(dǎo)線截面積大于或等于直流輸電所用 導(dǎo)線截面積的 1.33 倍。因此，直流輸電所用的線材幾乎只有交流輸電的一半。 另外，直流輸電 線路的桿塔結(jié)構(gòu)也比同容量的三相交流輸電線路的簡單，線路 走廊占地面積也大幅減少，圖 5-2 分別給出了兩者的走廊照片。但是，直流輸電 系統(tǒng)中的換流站的造 價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用要比交流輸電系統(tǒng)變電站的高，當(dāng)輸電距離增加到一定值后，直流輸電線

14、路所節(jié)省的費(fèi)用剛好抵償了換流站所增加的費(fèi)用， 此時(shí)這個(gè)輸電距離即被稱為 交流輸電與直流輸電的等價(jià)距離。如果把交流輸電 和直流輸電兩種輸電方式在輸送一定功率時(shí)，所需的費(fèi)用和輸電距離之間的關(guān)系 繪成如圖 5-3 (a) 所示的曲 線， 兩曲線交點(diǎn)的橫坐標(biāo)就是等價(jià)距離。 5-3 圖 (b) 給出了隨著輸送距離的增加，交流和直流輸電系統(tǒng)的線路損耗曲線。圖 5-2 交流輸電和直流輸電線路走廊(a)交流輸電線路走廊;(b)直流輸電線路走廊圖 5-3 交流輸電與直流輸電系統(tǒng)等價(jià)距離和線路損耗對比圖(a)總投資與線路距離的關(guān)系;(b)架空輸電線路的損耗(2)在電纜輸電線路中，高壓直流輸電線路不產(chǎn)生電容電流，而

15、交流輸電線路存在電容電流，引起損耗。在一些特殊場合，如輸電線路經(jīng)過海峽時(shí)，必須 采用電 纜。 由于電纜芯線與大地之間構(gòu)成同軸電容器， 在交流高壓輸電線路中， 空載電容電流極為可觀。而在直流輸電線路中，由于電壓波動(dòng)很小，基本上沒有電容電流加 在電纜上。(3)采用直流輸電時(shí)，線路兩端交流系統(tǒng)不需同步運(yùn)行，而交流輸電必須同步運(yùn)行。 采用遠(yuǎn)距離交流輸電時(shí)， 交流輸電系統(tǒng)兩端電流的相位存在顯著差異; 并網(wǎng)的 各子系統(tǒng)交流電的頻率雖然規(guī)定為 50Hz，但實(shí)際上常產(chǎn)生波動(dòng)。這兩種 因素導(dǎo)致交流系統(tǒng)不同步， 需要用復(fù)雜而龐大的補(bǔ)償系統(tǒng)和綜合性很強(qiáng)的技術(shù)加 以調(diào)整，否則就可能在設(shè)備中形成強(qiáng)大的環(huán)流而損壞設(shè)備，或

16、造成不同步運(yùn)行 而引起停電事故。采用直流輸電線路將兩個(gè)交流系統(tǒng)互連時(shí)，其兩端的交流電網(wǎng) 可以按各自的頻 率和相位運(yùn)行，不需進(jìn)行同步調(diào)整。(4)高壓直流輸電控制方便、速度快，發(fā)生故障的損失比交流輸電的小。兩個(gè)交流系統(tǒng)若用交流線路互連，則當(dāng)一側(cè)系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，另一側(cè)要向故障側(cè) 輸送短路 電流。 因此， 將使兩側(cè)系統(tǒng)原有斷路器切斷短路電流的能力受到威脅， 需要更換斷路器。若用直流輸電將兩個(gè)交流系統(tǒng)互連，由于采用可控硅裝置，電路功率能迅 速、方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)，直流輸電線路向發(fā)生短路的交流系統(tǒng)輸送的 短路電流不大，故障側(cè)交流系統(tǒng)的短路電流與沒有互連時(shí)幾乎一樣。因此不必更 換兩側(cè)原有開關(guān)及載流設(shè)備。(5)在

17、高壓直流輸電工程中，各極是獨(dú)立調(diào)節(jié)和工作的，彼此沒有影響。所以，當(dāng)一極發(fā)生故障時(shí)，只需停運(yùn)故障極，另一極仍可輸送至少 50%的電能。 但在交流輸電線路中，任一相發(fā)生永久性故障，必須全線停電。2、高壓直流輸電的缺點(diǎn)：(1)直流換流站比交流變電站的設(shè)備多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、損耗大、運(yùn)行費(fèi)用高;(2)諧波較大;(3)直流輸電工程在單極大地回路方式下運(yùn)行時(shí)，入地電流會對附近的地下金屬體造成一定腐蝕，竄入交流變壓器的直流電流會使變壓器噪聲增加;(4)若要實(shí)現(xiàn)多端輸電，技術(shù)比較復(fù)雜。八、提升空間大功率電力電子器件將改善直流輸電性能 直流輸電最核心的技術(shù)集中于換流站設(shè)備，換流站實(shí)現(xiàn)了直流輸電工程中直流和交流

18、相互能量轉(zhuǎn)換，除在交流場具有交流變電站相同的設(shè)備外，還有以下特有設(shè)備：換流閥、控制保護(hù)系統(tǒng)、換流變壓器、交流濾波器和無功補(bǔ)償設(shè)備、直流濾波器、平波電抗器以及直流場設(shè)備，而換流閥是換流站中的核心設(shè)備，其主要功能是進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換，從最初的汞弧閥發(fā)展到現(xiàn)在的電控和光控晶閘管閥。 晶閘管用于高壓直流輸電已有很長的歷史。近10多年來，可關(guān)斷的晶閘管、絕緣門極雙極性三極管等大功率電子器件的開斷能力不斷提高，新的大功率電力電子器件的研究開發(fā)和應(yīng)用，將進(jìn)一步改善新一代的直流輸電性能、大幅度簡化設(shè)備、減少換流站的占地、降低造價(jià)。九、工程應(yīng)用 1. 660千伏寧東山東直流輸電工程于2011年2月28日投運(yùn)，山東接

19、受外送電力的能力由350萬千瓦提升至750萬千瓦。據(jù)統(tǒng)計(jì)，山東因此每年可節(jié)約原煤1120萬噸。由此全省減少二氧化硫排放5.7萬噸，二氧化硫排放量降低1.1個(gè)百分點(diǎn)，大大促進(jìn)了資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會建設(shè)。 僅2011年第一季度，山東電網(wǎng)就接納省外來電91.3億千瓦時(shí)，同比增長176%。 2. 錦屏蘇南800千伏特高壓直流輸電工程采用900平方毫米導(dǎo)線，節(jié)能環(huán)保效果明顯，抗自然災(zāi)害能力強(qiáng)，可進(jìn)一步促進(jìn)電力技術(shù)創(chuàng)新和行業(yè)技術(shù)升級。與傳統(tǒng)的630平方毫米截面導(dǎo)線相比，錦蘇特高壓直流線路應(yīng)用900平方毫米截面導(dǎo)線，按照年運(yùn)行3000小時(shí)計(jì)算，每年每千米線路可節(jié)電4.32萬千瓦時(shí)，全線一年將創(chuàng)造直接效

20、益4000多萬元。 按供電煤耗360克標(biāo)煤/千瓦時(shí)計(jì)算，全線一年將減少標(biāo)煤消耗7.735萬噸，減排二氧化碳約20.12萬噸。而在抵御自然災(zāi)害方面，大截面導(dǎo)線的大風(fēng)水平荷載降低約10%，15毫米覆冰垂直荷載減小約7%。 3. 三峽上海500千伏直流輸電工程線路全長1048.6千米，輸送容量300萬千瓦，若按中強(qiáng)度全鋁合金導(dǎo)線替代普通導(dǎo)線計(jì)算，正常功率下，如果一年的輸送小時(shí)數(shù)為4000小時(shí)，可節(jié)約電能7.98萬千瓦時(shí)/千米，全線每年可節(jié)電8372萬千瓦時(shí)十、安順500kv換流站實(shí)例安順換流站作為500kV貴廣直流輸電工程的起點(diǎn)，位于貴州安順市以西約12.5公里的普定縣白巖鎮(zhèn)，海拔1420米，是目前世界海拔最高的換流站。有三個(gè)世界第一（世界上首次在高壓直流輸電工程中采用帶正向保護(hù)的光直接觸發(fā)可控硅元件。安順換流站在直流輸電工程中首次采用三調(diào)諧交、直流濾波器，簡化了濾波場設(shè)計(jì)，節(jié)約了投資。安順換流站是世界上第一個(gè)海拔超過1000千米的換流站，首次成功解決了高海拔地區(qū)直流輸電外絕緣方面的問題）?；谝陨咸攸c(diǎn)，安順換流站是國內(nèi)已建成的輸電容量最大，科技含量最高的換流站，可稱為“天下第一站”