特高壓直流輸電工程一次系統設計 2012 11 1 直流輸電技術 1 1世界直流技術發展過程 1 汞弧閥換流時期世界上共有12項采用汞弧閥換流的直流工程投入運行 其中最大輸送容量和最長輸送距離的為美國太平洋聯絡線 1440MW 1362km 最高輸電電壓的為加拿大納爾遜河I期工程 450kV 這一時期可稱為汞弧閥換流時期 2 晶閘管閥換流時期1970年瑞典首先在哥特蘭島直流工程上擴建了直流電壓為50kv 功率為10MW 采用晶閘管換流閥的試驗工程 1972年世界上第一個采用晶閘管換流的伊爾河背靠背直流工程在加拿大投入運行 由于晶閘管換流閥比汞弧閥有明顯的優點 此后新建的直流工程均采用晶閘管換流閥 與此同時 原來采用汞弧閥的直流工程也逐步被晶閘管閥所替代 3 新型半導體換流設備的應用20世紀90年代以后 新型氧化物半導體器件一絕緣柵雙極晶體管 IGBT 首先在工業驅動裝置上得到廣泛的應用 1954 2000年 世界上已投入運行的直流輸電工程有63項 其中架空線路17項 電纜線路8項 架空線和電纜混合線路12項 背靠背直流工程26項 1 2直流基本原理和主要部件構成 1 直流輸電工程系統構成 直流輸電工程的系統結構可分為兩端 或端對端 直流輸電系統和多端直流輸電系統兩大類 兩端直流輸電系統是只有一個整流站 送端 和一個逆變站 受端 的直流輸電系統 即只有一個送端和一個受端 它與交流系統只有兩個連接端口 是結構最簡單的直流輸電系統 多端直流輸電系統與交流系統有三個或三個以上的連接端口 它有三個或三個以上的換流站 2 換流站基本換流單元 直流輸電換流站由基本換流單元組成 基本換流單元是在換流站內允許獨立運行 進行換流的換流系統 主要包括換流變壓器 換流器 相應的交流濾波器和直流濾波器以及控制保護裝置等 目前工程上所采用的基本換流單元有6脈動換流單元和12脈動換流單元兩種 1 3直流應用和工程類型 1 3 1直流輸電應用 直流輸電的應用場合可分為以下兩大類型 1 采用交流輸電在技術上有困難或不可能 而只能采用直流輸電的場合 如不同頻率 如50Hz 60Hz 電網之間的聯網或向不同頻率的電網送電 因穩定問題采用交流輸電難以實現 遠距離電纜送電 采用交流電纜因電容電流太大而無法實現等 2 在技術上采用兩種輸電方式均能實現 但采用直流輸電比交流輸電的技術經濟性好 對于這種情況則需要對工程的輸電方案進行比較和論證 最后根據比較的結果選擇術經濟性能優越的方案 目前直流輸電的應用主要在以下幾個方面 1 遠距離大容量輸電直流輸電線路的造價和運行費用均交流輸電低 而換流站的造價和運行用均比交流變電所的高 2 電力系統聯網 a 直流聯網為非同步聯網 這與采用交流的同步聯網有本質的不同 非同步聯網的被聯電網可用各自的頻率非同步獨立運行 可保持各個電網自己的電能質量 如頻率 電壓 而不受聯網的影響 采用交流的同步聯網 必須在同一頻率下同步運行 b 被聯電網間交換的功率 可以用直流輸電的控制系統進行快速 方便地控制 而受被聯電網運行條件的影響 便于經營和管理 采用交流聯網 則聯絡線上的功率受兩電網運行情況的影響而很難進行控制 c 聯網后不增加被聯電網的短路容量 不需要考慮因短路容量的增加 斷路器因遮斷容量不夠而需要更換 以及電纜需要采用限流措施等問題 d 可以方便地利用直流輸電的快速控制來改善交流電網的運行性能 減少故障時兩電網的相互影響 提高電網運行的穩定性 降低大電網大面積停電的概率 提高大電網運行的可靠性 目前在工程中所采用的直流聯網有以下兩種類型 1 背靠背直流聯網其特點是整流和逆變放在一個背靠背換流站內 無直流輸電線路 可選擇低的直流電壓和較小的平波電抗值 可省去直流濾波器 從而降低了換流站的造價 另外 它還可以比遠距離直流輸電更為方便地調節換流站的無功功率 來改善被聯電網的電壓穩定性 對于電力系統之間的弱聯系 采用背靠背聯網更為有利 2 遠距離大容量直流輸電同時又具有聯網性質 當電力系統的大型電站需要向其他電網遠離電站的負荷中心送電時 可以利用直流輸電在遠距離輸電和聯網方面的優點 選擇這種類型的輸電方式 中國三峽電站向華東和廣東送電 均屬于這種類型 它既解決了三峽向華東和廣東的送電問題 又實現了華中與華東和華中與華南電網的聯網問題 在全國聯網中起了重要的作用 3 直流電纜送電 直流電纜沒有電容電流 輸送容量不受距離的限制 而交流電纜由于電容電流很大 其輸送距離將受到限制 交流電纜每相的電容電流可用下式表示 1 1 其臨界距離可用下式表示 km 1 2 由上式可知 交流電纜的臨界輸送距離與其所允許的負荷電流成正比 而與其額定電壓和單位長度的電容成反比 其額定電壓越高 單位長度的電容越大 則臨界距離越短 4 現有交流輸電線路的增容改造 一些地區高壓架空線路走廊的選擇越來越困難 直流輸電的輸電密度比交流輸電高 改建現有交流輸電線路為直流輸電線路是利用已有的線路走廊 提高輸電能力值得考慮的辦法 5 輕型直流輸電 HVDCLight 輕型直流輸電是20世紀90年代開始發展的一種新型直流輸電工程 它采用脈寬調制 PWM 技術 應用絕緣柵雙極晶體管 1GBT 組成的電壓源換流器進行換流 由于這種換流器的功能強 體積小 可減少換流站的設備 簡化換流站的結構 從而稱之為輕型直流輸電 2 直流輸電的工作原理 主要由換流站 整流站和逆變站 直流線路 交流側和直流側的電力濾波器 無功補償裝置 換流變壓器 直流電抗器以及保護 控制裝置等構成 見圖直流輸電系統的基本構成 其中換流站是直流輸電系統的核心 它完成交流和直流之間的變換 2 直流輸電的工作原理 整流器的工作原理滯后角 觸發角 整流器電壓逆變器工作原理換相過程 換相角 和熄弧角逆變器電壓 換流器工作原理 單6脈動橋等值電路 交流電壓 6脈動橋導通及換相過程 觸發延遲角 如果在閥上施加觸發脈沖的時刻比自然換相點C1延遲一個相位角 那么這個相位角就是觸發延遲角 通過改變觸發延遲角 整流側可以實現對直流電壓的控制 換流器的實質是6個可控的電子開關 在觸發脈沖的控制下輪流將直流側接到三相交流電源的某兩相上 從而將交流變成直流 直流電壓波形 換流器功率因數角 換流器總是存在滯后的功率因數 因此在工作過程中要消耗大量的無功 單橋等值電路 為了保證正常觸發 觸發角不能太小 但觸發角太大將增加換流器的無功損耗 通常觸發角為12 5 17 5度 逆變器的工作原理 換流器作為逆變器運行必須滿足以下3個條件 整流器空載電壓大于逆變器空載電壓 且兩者方向相反 逆變器也必須由交流系統提供換相電流 以實現逆變器的橋閥按照正確的順序換相 在逆變器的橋閥順序導通的時候 把直流電流送入逆變器所連接的交流系統三相中 要有足夠大的超前關斷角 以保證換流閥的可靠觸發 逆變器閥電壓和直流電壓 多橋換流器 多橋換流器通常由偶數個橋串聯組成 每2個橋組成1個雙橋 每個雙橋中的2個橋分別由相位相差30度的2組交流電源供電 2組交流電源可以由接線為Y Y Y delta的2組換流變壓器得到 由于兩者交流相位相差30度 得到的直流電壓是12脈動的 在直流電流中 僅含有12k 1次的特征諧波 直流系統接線 整流側 逆變側 3直流輸電設備 直流場 直流開關刀閘 母線 平波電抗 直流濾波器 直流電壓電流測量 直流出線 交流場 開關刀閘 母線 交流進線 避雷器換流變壓器 交流濾波器 阻波器 電壓電流測量 閥廳 換流閥 刀閘 繼電器小室 交流保護 交流場濾波器場測控及保護 控制室 直流極控閥控系統 SCADA系統 空調 消防 站用電 閥內水冷系統 換流閥是換流站中的主要設備 它的作用是把交流電力變成直流電力 或者實現逆變換 早期直流工程多采用汞弧閥 隨著電力電子工業的發展 晶閘管閥逐步取代了汞弧閥 根據觸發方式不同 晶閘管閥又可分為電觸發晶閘管換流閥和光觸發晶閘管換流閥 晶閘管閥有空氣絕緣和油絕緣兩種 空氣絕緣占主導地位 空氣絕緣閥有風冷 循環油冷和水冷等冷卻方式 其中以水冷的效果最好 3 各設備的特點和作用 換流閥 直流輸電設備 晶閘管換流閥 可控硅的特性 觸發角 18度觸發角 108度觸發角 162度 直流輸電設備 換流變 大型直流輸電系統的換流變壓器通常采用單相雙繞組結構 特點和作用 換流變壓器 隔離交 直流系統 避免直流電壓進入交流系統 提供換流閥所需的可控交流電壓 限制故障時的短路電流和控制換向期間閥電流的上升 用于提供相差30度電氣角的兩個閥橋電源 減少低次諧波尤其是5次及7次諧波 適當的短路電抗 15 18 足夠的直流偏磁電流耐受能力 足夠的交 直流混合電壓耐受能力 足夠的諧波耐受能力 特點和作用 換流變壓器 由于換流變的作用和運行條件與一般電力變壓器不同 因此它在絕緣結構 短路阻抗 直流偏磁 噪音和試驗等方面有其與電力變壓器不同的特點 特點和作用 交流濾波器 濾除換流器產生的諧波 將流入交流系統的諧波電波限制在允許范圍以內 為換流站提供無功補償 直流輸電設備 交直流濾波器 濾波器總電流 濾波器母線電壓 并聯諧振支路電壓 電阻支路電流 交流濾波器 濾波 無功補償 特點和作用 交流濾波器 特點和作用 交流濾波器 特點和作用 直流濾波器及中性母線電容器 直流濾波器通過減小直流側諧波 降低直流線路對通信的干擾 直流濾波器可采用雙調諧 三調諧濾波器 調諧頻率一般為12 24 36 中性母線電容器與變壓器的雜散電容構成回路 限制中性母線上3倍頻的諧波分量 限制直流電流的突變 減小換相失敗的可能性 當直流線路故障時 在整流側調節器作用的配合下 限制短路電流的峰值 同時還可限制線路和裝在線路端的設備的并聯電容通過逆變器放電的電流 減小直流線路中電壓和電流的諧波分量 防止換流閥的雷電過電壓 避免直流側諧振 特點和作用 平波電抗器 采用干式或油浸式平波電抗器 270mH 特點和作用 直流PLC及RI濾波器 換流閥在開通過程中會產生高頻干擾 為了限制直流系統的無線電干擾 0 5MHz 20MHz 以及對電力載波和通信明線的干擾 30kHz 500kHz 在換流站內裝設了PLC和RI濾波器 特點和作用 測量裝置 中性線直流電流的測量采用零磁通電流測量裝置 處于高電位的電流測量采用光電式電流互感器 直流極線電流測量 采用分流器或分流器 羅可夫斯基線圈的結構 直流濾波器高壓端電流測量 采用羅可夫斯基線圈或CT 直流濾波器不平衡電流測量 采用分流器 交流濾波器高壓端電流測量 采用CT 交流濾波器不平衡電流測量 采用分流器 直流輸電設備 直流測量裝置 特點和作用 直流高速開關 為了使直流開關也能有效開斷直流電流 目前使用較多的方法就是利用一個L C串聯電路對主觸頭間的弧道放電產生振蕩電流 迭加在將被斷開的直流電流上 造成過零點 從而實現滅弧 特高壓工程中使用的是無源的直流開關 特點和作用 直流高速開關 中性母線高速開關在每站每極的中性母線上都安裝了中性母線高速開關 其功能是開斷極或線路的任何故障造成的直流故障電流 金屬回線轉換開關一般安裝在整流側 其功能是將直流電流從低阻抗的大地回路轉換到高阻抗的金屬回路 金屬返回開關一般安裝在整流側 其功能是將直流電流從高阻抗的金屬回路轉換到高阻抗的大地回路 高速接地開關整流站和逆變站都配置 其功能是在雙極運行條件下 當失去接地極時 快速將中性母線接至站內接地網 該開關需具備將雙極運行不平衡電流轉換到臨時接地極的能力 特點和作用 低壓直流高速開關 換流器高速旁路開關12P旁路開關屬于 800kV直流輸電系統特有的斷路器 旁路開關通常情況下處于分閘狀態 當某極1個12脈動橋閥及附屬系統發生故障 或計劃檢修時 將此12脈動閥組短路并操作與其配套的隔離開關 使此12脈動閥組退出運行 保證該極無故障的另1個12p閥組繼續運行 同時將故障閥組隔離以便維修 當故障閥組修復工作完成后 斷開旁路開關并操作與其配套的隔離開關使已修復的閥組重新投入運行 非故障情況下正常退出1個12P閥組 a 最初的運行狀態如圖所示 12P閥組正常運行 S2 S3處于合閘狀態 S1處于打開狀態 旁路開關B處于打開狀態 12P閥組正常運行 b 開始退出1個12P閥組的時序 逐漸降低 升高換流器觸發角度至90 左右 使12脈動換流閥組兩端電壓降為零 閉合旁路開關B 此時電流同時流過換流器和斷路器B 其狀態如圖所示 電流同時流過12P閥組和旁路開關 c 將此12P閥組電流參考值逐漸降為零 不投旁通對閉鎖換流器 其狀態如圖所示 電流僅流過旁路開關 d 閉合隔離開關S1 斷開斷路器B 斷開隔離開關S2 S3 12脈動換流器正常退出運行 其狀態如圖所示 電流僅流過S1支路 在換流變壓器或者換流閥等故障的情況 通過12脈動換流器的旁路開關的操作 可以迅速退出12脈動換流器 而不影響另一個12脈動換流器的運行 系統進入不對稱運行狀態 具體的控制順序如下 故障情況下緊急退出1個12P閥組 a 12脈動閥組或與其連接的換流變壓器發生故障后 投入12脈動換流閥組旁通對 閉鎖換流器 其狀態如圖8所示 b 旁路開關B閉合 然后閉鎖投入的12脈動換流閥組旁通對 c 閉合S1 斷開旁路開關B和隔離開關S2 S3 使12脈動換流閥組退出運行 12P閥組投入旁通對 a 初始狀態為12脈動閥組處于閉鎖狀態 沒有直流電流流過 b 閉合旁路開關B 打開S1 閉合S2和S3 電流僅流過旁路開關支路 c 160度觸發角解鎖12脈動閥 使它處于逆變運行狀態 d 降低觸發角到90度左右 流過旁路開關的電流 由于電流紋波產生電流過零 發給旁路開關開斷指令 電弧熄滅 開斷成功 電流完全轉到12P閥組 e 調節觸發角 使12脈動閥進入正常運行 將1個12P閥組正常投入運行 直流控制保護系統 換流閥觸發脈沖 直流輸電設備 直流控制系統 變壓器分接頭控制和電流控制器的配合 CFCTCC整流器IDALPHA逆變器GAMMAUD 直流技術熱點研究 柔性直流 正在開展的柔性直流工程1 大連 320kV柔性直流工程額定容量1000MW2 舟山 200kV五端柔性直流工程額定容量400MW 見右圖 直流技術熱點研究 柔性直流 直流技術熱點研究特高壓直流接入特高壓交直流 直流技術熱點研究特高壓直流接入特高壓交直流 直流技術熱點研究 級聯多端 直流技術前沿研究 三極直流 直流技術前沿研究 三極直流 二 800kV向上直流工程系統設計 一次系統方案及主設備選型 每極采用換流器串聯或并聯方案 換流器并聯方案單換流器電壓為800kV 設備絕緣水平要求高 換流變造價高 控制復雜 換流器串聯方案單換流器絕緣要求降低 電流提升相對容易 工程造價低 串聯電壓分配兼顧運行靈活性和經濟性 綜合比較了設備制造 關鍵點絕緣水平提出 主設備選型充分考慮設備制造難度 大件運輸條件確定 主設備選型 換流變壓器采用單相雙繞組 單臺容量約300MW 總的有載調壓抽頭數量不超過當前制造能力 平波電抗器經綜合比較采用干式 單臺75mH 每極每站4臺 分別布置在極母線和中性線上 閥采用6英寸元件 通流能力為4kA 交流濾波器兩端均為4大組 按大組接入 確定分組容量時綜合考慮了占地 濾波性能 元件定值 綜合造價等 直流濾波器采用簡化設計 800kV主接線 向家壩 上海直流輸電工程包括2個完整單極 每個完整單極每端由電壓相等的2個12脈動換流器串聯組成 采用單相雙繞組換流變壓器 每個完整單極的任一一個12脈動換流器退出運行 都不影響剩余的換流器組成不完整單極繼續運行 復龍換流站主接線圖 奉賢換流站主接線圖 直流系統運行接線方式 常規直流 完整雙極運行 單極大地回路運行 單極金屬回路運行 特高壓直流新增加 雙極運行接線 雙極運行接線 單極大地回路運行接線 單極金屬回路運行接線 直流系統運行控制模式 雙極功率控制 極功率獨立控制 同步極電流控制 應急極電流控制 降壓運行在70 100 的正常運行電壓范圍 極功率倒送 緊急功率回降 極線路空載加壓試驗 主設備參數計算 通過主回路參數計算確定主設備的初步參數確定無功功率補償及控制研究的基本條件 確定交流濾波器研究的基本條件 確定過電壓和絕緣配合研究的基本條件 系統暫態過程研究的基本條件 制定控制策略 提供基本的穩態控制參數 確定換流閥 換流變 平抗等的初步參數 主回路參數設計內容 主回路參數研究內容換流變壓器的短路阻抗 換流變壓器的額定容量 電壓和電流 換流變壓器調壓抽頭的范圍和級差 抽頭控制中的過電壓限制值 直流電壓 理想空載直流電壓 觸發角 換流器的運行特性參數表 限制換流閥短路電流 使短路電流峰值不超過換流閥最大峰值耐受能力 較小的換流變壓器阻抗可以減小換流站無功補償容量和直流側諧波 但交流系統諧波增加 換流變阻抗較大 換流變總損耗將有所增加 選擇換流變阻抗接近其 固有阻抗 降低換流變造價 滿足換流變運輸要求 換流變壓器短路阻抗選擇 換流變短路阻抗 經閥短路電流計算 確定復龍側換流變短路阻抗取18 奉賢側由于運輸條件較好 短路阻抗取16 7 短路阻抗一經確定 可以開始主設備參數的計算 主回路參數設計輸入條件 輸入條件兩端換流站交流系統條件 直流系統的輸送能力 電壓水平 換流器基本接線方案 所采用控制策略 各種設備的制造誤差 測量誤差和控制偏差 主設備制造能力和運行性能 通常整流站控制直流電流 逆變站控制直流電壓 背靠背由于沒有直流線路 阻性損耗小 允許直流電壓有較大的波動 同時考慮到緊急功率支援 其控制策略與長距離工程略有不同 不同廠家的控制策略也有所不同 逆變側可采用定熄弧角控制 定空載直流電壓控制等策略 基本運行控制策略 換流變閥側空載直流電壓 根據控制策略 考慮設備控制偏差和測量誤差 短路阻抗誤差 角度控制偏差和C