关于高压直流输电的调研报告
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摘要:本文简要介绍了高压直流输电的基本原理和结构,分析了高压直流输电的优缺点,简单描述了高压直流输电的应用场合,并对其做了简单的展望。
关键词:高压直流输电 结构 优点 缺点 应用场合
Abstract: This article introduces the basic principles of HVDC transmission and structure of the advantages and disadvantages of HVDC transmission, a brief description of the high-voltage direct current transmission applications, and its doing a simple outlook.
Key work: HVDC structure advantage disadvantage application
1.HVDC的基本原理和基本结构
高压直流输电是将三相交流电通过换流站整流变成直流电,然后通过直流输电线路送往另一个换流站逆变成三相交流电的输电方式。从交流系统Ⅰ向交流系统Ⅱ输电时,换流站Ⅰ把交流系统Ⅰ送来的三相交流功率变换成直流功率。通过直流输电线路把直流功率输送到换流站Ⅱ,再由换流站Ⅱ将直流功率转换成交流功率,送入交流系统
Ⅱ 。这个过程称作HVDC。
HVDC系统主要由两个换流站和直流输电线组成,其中换流站是高压直流输电系统的核心所在。换流站的主要设备包括换流器、换流变压器、平波电抗器、交流滤波器、直流滤波器、无功补偿设备及控制保护设备等。
换流器又称换流阀是换流站的关键设备,其功能是实现整流和逆变。目前换流器多数采用晶闸管可控硅整流管)组成三相桥式整流作为基本单元,称为换流桥。一般由两个或多个换流桥组成换流系统,实现交流变直流或直流变交流的功能。
换流变压器是向换流器提供适当等级的不接地三相电压源设备。其作用不仅能实现电压变换,而且可以抑制直流故障电流,削弱交流系统入侵直流系统的过电压,减少注入交流系统的谐波。
平波电抗器是串联在线路中的大型电感,它的作用是防止轻载时直流电流断续,抑制直流故障电流的快速增加,从而减小继发换相失败的几率;此外还能减小直流电流纹波;防止直流线路或直流开关站产生的陡波冲击波进入阀厅,损害换流器。
滤波器是减小注入交、直流系统谐波的设备。按电源特性可分为有源滤波器和无源滤波器。无源滤波器按滤波的实现方式又可分为单调谐滤波器、双调谐滤波器、三调谐滤波器和高通滤波器。
无功补偿设备的作用是提供换流器所需要的无功功率,减小换流器与系统的无功交换。换流站换流的过程中会消耗大量的无功功率,其中整流器消耗输送直流功率的30%~50%;逆变器消耗输送直流功率的40%~60%。
表1
设备名称 作用
换流器 将交流电转换成直流电,或者将直流电转换成交流电
换流变压器 实现电压变换;抑制直流故障电流;
削弱交流系统入侵直流系统的过电压;
减少注入交流系统的谐波;
实现交、直流系统的电气隔离。
平波电抗器 防止轻载时直流电流断续;抑制直流故障电流的快速增加,减小继发换相失败的几率;
减小直流电流纹波;
防止直流线路或直流开关站产生的陡波冲击波进入阀厅,损害阀。
滤波器 减小注入交、直流系统的谐波
无功补偿设备 提供换流器所需要的无功功率,减小换流器与系统的无功交换
直流线路 传输电能
断路器 使HVDC系统安全退出运行
2.HVDC的优点
2.1 技术上的优点HVDC有以下优点。(1)有利于改善系统的稳定性。交流系统的稳定问题中,静态稳定、暂态稳定、动态稳定是由于交流发电机功角震荡引起的,而频率稳定、电压稳定则分别是由于有功和无功的不平衡引发的。(2)实现交流系统的非同步联网和非同步运行。非同步联网是指不同额定频率系统的互联。非同步运行是指被联电网可保持自己的电能质量(如频率、电压)而独立运行;被联电网之间交换的功率可快速方便地进行控制。(3)相同的电压等级下,输送功率更大。(4)有功、无功功率快速可控,有利于改善交流系统的运行性能。HVDC输送的有功功率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。(5)线路故障时的自防护能力强。当发生单片绝缘子损坏时,交流系统需要三相退出运行;而HVDC只需降压运行。(6)限制短路电流。如用交流输电线连接两个交流系统,则短路容量增大,甚至需要更换断路器或增设限流装置。而用HVDC线路连接两个交流系统,直流系统的“定电流控制”将快速把短路电流限制在额定功率附近,短路容量不因互联而增大。
2.2 经济上的优点
(1)线路造价低。输送同样功率条件下,直流架空线路节省的导线,的钢材,造价为交流线路的60%~70%。(2)运行损耗小。HVDC与交流输电相比线路有功损耗小,而且几乎没有线路无功损耗,线路电晕损耗也小。在输送相同功率的情况下,HVDC的线路损耗仅为交流输电的。(3)HVDC特别适合电缆输电。直流电缆线路的输送容量大,输送距离不受限制,而且造价低,损耗小,重量轻,寿命长。
3.HVDC的缺点
HVDC也存在如下缺点:(1)换流站设备多,结构复杂,造价高,损耗大,运行费用高。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HVDC应用的最主要原因。(2)换流器产生大量谐波。换流器在交流侧和直流侧都产生一些列的高次谐波电流,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。(3)换流器无功消耗量大。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,交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。(4)换流器过载能力低。(5)在某些运行方式(单极大地回线、单极双导线并联大地回线、双极两端中性点接地等)下,对地下(或海中)物体产生电磁干扰和电化学腐蚀。
4.HVDC的应用场合
目前,HVDC作为交流输电的补充,其应用场合主要有以下几种:(1)远距离大容量输电。HVDC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;书店距离大于“等价距离”时,采用HVDC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600~800km,电缆的“等价距离”为20~40km。(2)非同步联网。采用HVDC联网,既可以获得联网效益,又可以避免交流联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HVDC联网。(3)海底电缆送电。交流电缆线路的输送距离受电容电流的限制,难以实现远距离送电。
5.结语
由于HVDC在长距离输电、电网互联等方面具有的独特优点,使其作为高压交流输电的有力补充,在我国西电东送、南北互供和全国电网互联等工程中正在和将要发挥重要作用。可以预见,随着电力电子其教案的进一步发展、计算机技术的更新换代、输变电新材料的出现、新能源和可再生能源的开发利用,HVDC将拥有更加广阔的应用前景。
参考文献:
[1]马晓宇 高压直流输电的应用及前景 内蒙古石油化工 2008年第19期.
[2]刘文杰 高压直流输电及其应用前景 内蒙古科技与经济 2008年3月.
[3]郭毅军 高压直流输电系统的现状及发展概述 中国西部科技 2008年5月第07卷第15期.
作者简介: 武家胜,1990年-,男,山东临清人,华北电力大学本科生。
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