高压直流输电技术优化方案

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：图2.48高压直流输电系统换流站的结构图1）换流器换流器完成交-直和直-交的变换，它是直流输电系统最关键的设备，由阀桥和有抽头切换器的换流变压器构成。2）直流平波电抗器高压直流输电系统中的直流平波电抗器具有高达1 H 的电感，在每个换流站与每极串联。6）接地电极大多数高压直流输电系统的设计采用大地作为系统的中性导线。这是限制高压直流输电应用的最主要原因。远距离大容量的海底电缆送电一般采用高压直流输电。

高压直流输电（High Voltage Direct Current Transmission——HVDC）是电力电子技术在电力系统中最早开始的应用领域。众所周知，电的发展首先是从直流电开始的，但很快就被交流电所取代，并且在相当长的一段时间内，在发电、输电和用电各个领域，都是交流电一统天下的格局。20 世纪50 年代以来，当电力电子技术的发展带来了可靠的高压大功率交直流转换技术之后，高压直流输电越来越受到人们的关注。由于高压直流输电在远距离大容量输电、电力系统非同步联网和海底电缆送电等方面具有独特的优势，作为交流输电的有力补充，在世界范围内得到了广泛的应用。

（1）高压直流输电系统的构成

如图2.48 所示是一个常规的两端双极高压直流输电系统换流站的结构图。下面分别对各个部件进行说明。

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图2.48　高压直流输电系统换流站的结构图

1）换流器

换流器完成交-直和直-交的变换，它是直流输电系统最关键的设备，由阀桥和有抽头切换器的换流变压器构成。换流变压器为换流器提供适当大小和相位的换相电压，在直流系统发生短路故障时，其阻抗还起限制短路电流、避免换流器损坏的作用。

2）直流平波电抗器

高压直流输电系统中的直流平波电抗器具有高达1 H 的电感，在每个换流站与每极串联。其用途有：

①平抑直流线路中的谐波电流。

②减少逆变器的换相失败次数。

③防止轻载时的电流不连续。

④在直流线路短路时限制换流器的峰值电流。

3）交流滤波器和直流滤波器

在交流和直流两侧会产生谐波电压和谐波电流，交流和直流滤波器的用途就是滤除换流器产生的谐波电流，另外交流滤波器还兼有提供换流所需部分无功功率的作用。

4）无功补偿装置

换流器内部要吸收无功功率，稳态条件下，所消耗的无功功率约是传输功率的50%，所以需要在交流母线上接无功补偿装置。

5）直流输电线路

直流输电线路可以是架空线，也可以是电缆线。除了导体数和间距的要求有差异外，直流输电线路与交流输电线路十分相似。

6）接地电极

大多数高压直流输电系统的设计采用大地作为系统的中性导线。与大地相连的接地电极导体需要较大的表面积，以使电流密度和表面电压梯度在允许的范围内。

7）交流断路器

为了切除发生故障时的换流变压器，在交流母线与变压器之间设置交流断路器。该断路器不是用来切除高压直流输电系统直流侧故障的，因为直流侧的故障可以用闭锁换流阀触发脉冲的方法更快地清除。

（2）高压直流输电技术的特点

与高压交流输电相比，高压直流输电具有以下优点：

1）线路造价低、损耗少

双极高压直流输电系统只需正极和负极两条输电线路，在输送相同功率的情况下，高压直流输电的线路造价及损耗均约为交流输电的2/3，也无须装设并联电抗器。

2）不存在稳定性问题

直流输电没有相位和功角关系，当然也就不存在稳定问题，只要电压降、网损等技术指标符合要求，就可以达到传输的目的。无须考虑稳定问题，这是直流输电的重要特点，也是主要优势。

3）可实现非同步联网

由于整流和逆变的隔离作用，用高压直流输电联接的系统之间无须同步运行，被联系统不仅可以是额定频率相同的系统，也可以是额定频率不同的系统（如50 Hz 和60 Hz），彼此可以保持各自的频率和电压而独立运行，不受联网影响，同时也不会发生由于故障传递而导致的大面积停电事故。

4）快速可控

高压直流输电输送的有功功率的大小和方向以及换流器消耗的无功功率均可由控制系统实现快速控制，从而改善交流系统的运行性能。另外，两个系统以交流互联时，将增加两侧系统的短路容量，有时会造成部分原有断路器不能满足开端电流要求而需要更换设备。直流互联时，对两个交流电网有很好隔离作用，无论在哪里发生故障，都不必增加交流系统的断流容量。

同样，高压直流输电也具有显著的缺点：

1）换流站造价高

高压直流输电换流站由于设备种类繁多，其造价比交流变电所要高很多，而且运行维护也比较复杂，对运行人员的要求较高。这是限制高压直流输电应用的最主要原因。

2）换流器消耗的无功多

目前，在高压直流输电中广泛使用的晶闸管换流器在换流过程中要消耗大量的无功功率，用占所输送有功功率的百分数来表示，整流器为40%～50%，逆变器为50%～60%。通常，变流滤波器提供一部分换流所需的无功，不足部分需另装无功补偿装置来满足。

3）产生大量谐波

换流器在交流侧和直流侧都产生一系列的高次谐波电流，会出现电容器和发电机过热、换流器控制不稳定和对通信系统产生干扰等问题。因此，在换流站内必须装设交流滤波器、直流滤波器和直流平波电抗器进行滤波，从而增加了换流站的造价。

（3）高压直流输电技术的应用

1）大容量远距离输电

高压直流输电的线路造价低而换流站造价高，因而就有一个“等价距离”的概念：输电距离大于“等价距离”时，采用高压直流输电较为经济；输电距离小于“等价距离”时，采用交流输电较为经济；架空线的“等价距离”为600～800 km，电缆线的“等价距离”为20～40 km。

2）两个交流系统的非同步联接

采用高压直流输电联网，既可获得联网效益，又可以避免交流电网带来的大电网问题，如稳定问题、故障连锁反应而引起的大面积停电问题和短路容量增加问题等。对于额定频率不同的电网，采用交流联网在技术上无法实行，只能采用高压直流输电联网。

3）超过30 km 的水下电缆输电

由于电缆具有大容量的容性充电无功功率，需要在线路中间设置并联电抗器补偿。因此，对交流输电是不切实际的。远距离大容量的海底电缆送电一般采用高压直流输电。

目前，高压直流输电方式使用了瑞典ASEA 于1930 年代开发的技术，早期的系统包括苏联于1951 年在莫斯科与卡希拉之间建造的直流输电系统，及瑞典于1954 年在该国内陆与哥德兰岛之间建造的10～20 MW 直流输电系统。2009 年，瑞士ABB 集团和西班牙Abengoa 集团合作，开始建设连接巴西西北部两座新水电站和圣保罗的超过2 500 km 输电线路。

高压直流输电在我国是从20 世纪80 年代末开始应用的，起步虽然较晚，但发展很快。现在全球输电距离最长的高压直流输电系统，是位于我国境内的向家坝水电站至上海之间的±800 kV，6 400 MW 输电系统，全长2 071 km。向家坝—上海±800 kV 特高压直流输电示范工程是我国首个特高压直流输电示范工程。工程由我国自主研发、设计、建设和运行，是目前世界上运行直流电压最高、技术水平最先进的直流输电工程。向家坝—上海±800 kV 特高压直流输电示范工程包括二站一线，起于四川省宜宾复龙换流站，经四川、重庆、湖北、湖南、安徽、江苏、浙江、上海，止于上海市奉贤换流站，工程先后跨越长江四次。换流容量为6 400 MW，直流电流为4 000 A，每极采用两组12 脉冲换流器串联（400 kV+400 kV）。换流变压器容量（24+4）×297.1（321.1）MV·A（其中4 台备用）；换流变形式为单相双绕组有载调压；±800 kV 直流开关场采用双极接线，并按每12 脉冲阀组装设旁路断路器及隔离开关回路；±800 kV 特高压直流线路一回，复龙换流站交流500 kV 出线9 回，奉贤换流站交流500 kV出线3 回。国家发改委于2007 年4 月以发改能源【2007】871 号文件核准，2008 年5月开工建设，2009 年12 月12 日通过竣工验收并单极投入运行，2010 年整体工程完成试运行，投入商业运行，实际动态总支出190.2 亿元，比批复动态总投资节省42.5 亿元。

随着我国直流高压输电技术的日益完善，输电设备价格的下降和可靠性的提高，以及运行管理经验的不断积累，直流输电必将得到很快的发展和大量的应用。

高压直流输电技术优化方案

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