《高压直流输电原理与运行》复习提纲及答案高等教育工学高等教育工学.pdf

高压直流输电原理与运行复习提纲 第 1 章 （1）高压直流输电的概念和分类 概念：高压直流输电由将交流电变换为直流电的整流器、高压直流输电线路以及将直流电变换为交流电的逆变器三部分组成。高压直流输电是交流 -直流-交流形式的电力电子换流电路。常规高压直流输电：半控型的晶闸管，采取电网换相。VSC 高压直流输电：全控型电力电子器件，采用器件换相。分类：长距离直流输电（两端直流输电），背靠背（BTB)直流输电方式，交、直流并联输电方式，交、直流叠加输电方式，三级直流输电方式。（2）直流系统的构成 1.直流单级输电：大地或海水回流方式，导体回流方式。2.直流双极输电：中性点两端接地方式，中性点单端接地方式，中性线方式。3.直流多回线输电：线路并联多回输电方式，换流器并联的多回线输电方式。4.多端直流输电：并联多端直流输电方式，串联多端直流输电方式。（3）高压直流输电的特点 优点：经济性：高压直流输电的合理性和适用性体现在远距离、大容量输电中。互连性：可实现电网的非同步互连，可实现不同频率交流电网的互连。控制性：具有潮流快速可控的特点 缺点：直流输电换流站的设备多、结构复杂、造价高、损耗大、运行费用高、可靠性也较差。换流器工作时会产生大量的谐波，处理不当会对电网运行造成影响，必须通过设置大量、成组的滤波器消除这些谐波。电网换相方式的常规直流输电在传送有功功率的同时，会吸收大量无功功率，可达有功功率的 5060，需要大量的无功功率补偿装置及相应的控制策略。直流输电的接地极和直流断路器问题都存在一些没有很好解决的技术难点。（4）目前已投运 20 个直流输电工程（详见 p14）2010 年，我国已建成世界上第一条 800KV 的最高直流电压等级的特高压直流输电工程。五直：天-广工程（500，2000 年），三-广工程（2004 年），贵-广 I 回工程（2004 年），贵-广 II 回工程（2008 年），云广特高压工程（800KV）（5）轻型直流输电特点：1.电压源换流器为无源逆变，对受端系统没有要求，故可用于向小容量系统或不含旋转电机的负荷供电。2.电压源换流器产生的谐波大为削弱，对无功功率的需要也大大减少，同时 只需要在交流母线上安装一组高通滤波器即可满足谐波标准要求；无须安装直流 滤波器和平波电抗器。3.不用出现换相失败故障（低电压大电流）。4.模块化设计使 VSC 直流输电工程缩短工期。5.可实现无人值班或少人值守运行。6.控制器可根据交流系统的需要实现自动调节，所以两侧电压源型换流器不需要通信联络，从而减少通信的投资及运行维护费用。7.可不装设换流变压器，同时可简化开关，从而进一步降低造价，提高 VSC 直流输电的竞争力。第 2 章 高压直流输电系统的主要设备 （1）高压直流输电系统的组成（主要设备）换流装置、换流变压器、平波电抗器、无功补偿装置、滤波器、直流接地极、直流输电线路、交直流开关设备、以及控制与保护装置、远程通信系统。（2）高压直流输电系统的基本工作原理 通过换流装置，将交流电转变为直流电，将直流电传送到受端换流装置，再由该换流装置将直流电转变为交流电送入受端交流系统。（3）高压直流输电系统的主要设备的功能 1.换流装置：将交流电转变为直流电或直流电转变为交流电。（常识：现代高压直流输电工程全部用 12 脉波换流单元，因为谐波少）2.换流变压器：参与实现交流电与直流电之间的相互变换。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。减少换流器注入交流系统的谐波。实现交、直流系统的电气隔离。3.平波电抗器：作用在第（4）题 4.无功补偿装置：补偿换流器消耗的无功功率 5.滤波器：按连接方式分类：串联滤波器和并联滤波器，用做换流器谐波抑制用途的滤波器一定为并联连接方式。按用途分：交流和直流滤波器。交流滤波器：抑制换流器产生的注入交流系统的谐波电流，同时部分补偿换流器吸收的无功功率。直流滤波器：抑制换流器产生的注入直流线路的谐波电流。6.直流输电线路：为整流站向逆变站传送直流电流或直流功率提供通路。7.接地极：钳制中性点电位和为直流电流提供返回通路。（4）直流平波电抗器（大电感）的主要作用 1.防止轻载时直流电流断续。2.抑制直流故障电流的快速增加，减少逆变器继发换相失败的几率。3.减少直流电流纹波，与直流滤波器一起共同构成换流站直流谐波滤波电路。整流器高压直流输电线路以及将直流电变换为交流电的逆变器三部分组成高压直流输电是交流直流交流形式的电力电子换流电路常规高压直流输电半控型的晶闸管采取电网换相高压直流输电全控型电力电子器件采用器件换相分类长系统的构成直流单级输电大地或海水回流方式导体回流方式直流双极输电中性点两端接地方式中性点单端接地方式中性线方式直流多回线输电线路并联多回输电方式换流器并联的多回线输电方式多端直流输电并联多端直流输电方式中互连性可实现电网的非同步互连可实现不同频率交流电网的互连控制性具有潮流快可控的特点缺点直流输电换流站的设备多结构复杂造价高损耗大运行费用高可靠性也较差换流器工作时会产生大量的谐波处理不当会对电网运行造 4.防止直流线路或直流开关站产生的陡波冲击波进入阀厅，从而使换流阀免遭过电压应力过大而损坏。第 3 章 换流器工作原理 （1）图 3-1 高压直流输电系统接线图 图中：UR 和 UI 为换流器，可实现交流电向直流电或直流电向交流电的转换。T 为换流变压器，它向换流器提供适当等级的不接地三相电压源。（长距离、大容量高压直流输电系统中，换流变压器全部采用单相双绕组型式。）。La 为平波电抗器，其作用是防止轻负荷时直流电流断续，抑制直流故障电流的快速增加，以及减小直流电流纹波等。ACF 和 DCF 分别是交流滤波器和直流滤波器，其作用分别是抑制换流器注入交、直流系统的谐波。交流滤波器还有无功补偿的功能。此外，高压直流输电系统还有直流线路和控制保护系统 (图 3-1 中未标出)。（2）6 脉波整流器工作原理及各种工况 整流器高压直流输电线路以及将直流电变换为交流电的逆变器三部分组成高压直流输电是交流直流交流形式的电力电子换流电路常规高压直流输电半控型的晶闸管采取电网换相高压直流输电全控型电力电子器件采用器件换相分类长系统的构成直流单级输电大地或海水回流方式导体回流方式直流双极输电中性点两端接地方式中性点单端接地方式中性线方式直流多回线输电线路并联多回输电方式换流器并联的多回线输电方式多端直流输电并联多端直流输电方式中互连性可实现电网的非同步互连可实现不同频率交流电网的互连控制性具有潮流快可控的特点缺点直流输电换流站的设备多结构复杂造价高损耗大运行费用高可靠性也较差换流器工作时会产生大量的谐波处理不当会对电网运行造 各种工况：单桥整流器共有 3 种运行方式，1）正常运行方式工况 2-3：指在 60的重复周期中，2 个阀臂和 3 个阀臂轮流导通的运行方式。单桥整流器工作在工况 2-3 状态的前提条件：触发延迟角 0a90-u/2，同时换相角 u 600。正常运行时，单桥整流器的触发延迟角 a 为 1020，换相 角 u=15 25。特点：1）在每个工频周期中，由 6 个持续 60且形状完全相同的波形组成，习惯上称这样的 60周期为重复周期，单桥整流器又称为 6 脉波整流器。2）每一个重复周期中，整流电压由两部分组成，一部分为交流系统等值电源线电压值，即大齿部分，对应两个阀臂同时导通的状态。另部分为小齿部分，对应三个阀臂同时导通的状态。2）非正常运行方式工况 3：指在 60的重复周期中，始终只有 3 个阀臂轮流导通的运行方式。单桥整流器工作在工况 3 状态的前提条件是:触发延迟角 a=0 30，同时换相角 u=60。如果直流输送功率过大，致使直流电流增加较多时，满足工况 3 的要求则过渡到工况 3.特点：1）出现强制延迟现象。触发延迟角越小，则强迫触发延迟角越大。2）始终只有 3 个阀臂同时导通。3）故障运行方式工况 3-4：指在 60的重复周期中，3 个阀臂和 4 个阀臂 轮流导通的运行方式。单桥整流器工作在工况 3-4 状态的前提条件是 90-u/2，同时换相角 60u=120。:触发延迟角为 30 a=如果直流电流增加很多，比如直流线路短路时，换相角 将会从正常运行时 的 1525增加到大于 60，则从工况 2-3 过渡到工况 3-4.（3）12 脉波整流器的结构、双桥 12 脉波整流器的工作原理 （4）6 脉波逆变器工作原理及工况 （5）逆变器成功实现逆变需要同时满足的三个条件 1.外接直流电源，其极性必须与晶闸管的导通方向一致。2.外接交流系统，其在直流侧产生的整流电压平均值应小于直流电源电压。3.晶闸管的触发延迟角 应在 90180 的范围内连续可调。（6）12 脉波逆变器可能发生换相失败 当关断角过小时，12 脉波逆变器会发生换相失败，导致逆变器直流侧短时间的短路，直流电压偏高。如果发生连续换相失败，则直流电流增加过多，直流控制保护系统将动作，采取故障紧急移相的控制措施，使高压直流输电系统单极或双极停止运行。如果只有发生一次换相失败，直流电流增高较小，整流侧定直流电流控制动作，很快就能将直流电流调回到预定值。整流器高压直流输电线路以及将直流电变换为交流电的逆变器三部分组成高压直流输电是交流直流交流形式的电力电子换流电路常规高压直流输电半控型的晶闸管采取电网换相高压直流输电全控型电力电子器件采用器件换相分类长系统的构成直流单级输电大地或海水回流方式导体回流方式直流双极输电中性点两端接地方式中性点单端接地方式中性线方式直流多回线输电线路并联多回输电方式换流器并联的多回线输电方式多端直流输电并联多端直流输电方式中互连性可实现电网的非同步互连可实现不同频率交流电网的互连控制性具有潮流快可控的特点缺点直流输电换流站的设备多结构复杂造价高损耗大运行费用高可靠性也较差换流器工作时会产生大量的谐波处理不当会对电网运行造 第 4 章 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿 （1）谐波的污染与危害（作业题）主要表现在对电力与信号的干扰影响方面。对电力的危害：.旋转电动机 （换流变压器过负荷）等的附加谐波损耗与发热，缩短使用寿命；.谐波谐振过电压，造成电气元器件及设备的故障与损坏；.电能计量错误。在对信号干扰方面有：.对通信系统产生电磁干扰，使电信质量下降；.使重要的和敏感的自动控制、保护装置误动作；.危害到功率处理器自身的正常运行。（2）谐波的分类 （3）换流器交流侧的特征谐波 电流中只含有 6 k 1 次的谐波，6 k 1 次谐波称为 6 脉波换流器交流侧的特 征谐波，ia 的表达式为：i a 2 3I d (sin w1t 1 sin 5w1t 1 sin 7w1t 1 sin 11w1t 1 sin 13w1t 1 sin 17w1t 1 sin 19w1t)5 7 11 13 17 19 电网侧的总电流只含有 12 k 1 次的谐波称为 12 脉波换流器交流侧的特征谐波。电网侧 A 相电流为：i A 2 2 3I d (sin w1t 1 sin11w1t 1 sin13w1t 1 sin 23w1t 1 sin 25w1t)11 13 23 25 （4）换流器直流侧的特征谐波 （5）换流器交流侧的非特征谐波（不考）（6）换流器直流侧的非特征谐波 产生直流侧非特性谐波的因素：1）交流母线电压中含有谐波电压，直流侧将产生非特性谐波电压。（7）谐波抑制设备（填空或选择）滤波器、平波电抗器、中性点冲击电容器 （8）无功补偿装置分组容量的确定原则（不考）整流器高压直流输电线路以及将直流电变换为交流电的逆变器三部分组成高压直流输电是交流直流交流形式的电力电子换流电路常规高压直流输电半控型的晶闸管采取电网换相高压直流输电全控型电力电子器件采用器件换相分类长系统的构成直流单级输电大地或海水回流方式导体回流方式直流双极输电中性点两端接地方式中性点单端接地方式中性线方式直流多回线输电线路并联多回输电方式换流器并联的多回线输电方式多端直流输电并联多端直流输电方式中互连性可实现电网的非同步互连可实现不同频率交流电网的互连控制性具有潮流快可控的特点缺点直流输电换流站的设备多结构复杂造价高损耗大运行费用高可靠性也较差换流器工作时会产生大量的谐波处理不当会对电网运行造 （9）无功补偿设备（填空或选择）主要有机械投切的电容器和电抗器、同步调相机和静止无功补偿装置 3 类。前两类是传统的无功补偿装置，最后一类是新型的。（10）FC-TCR 型 SVC （11）静止无功补偿装置与直流系统的协调控制策略制定时需要考虑的因素 1、直流启动时交直流系统无功功率交换控制 2、直流启动过程中滤波器投切引起的换流母线暂态过电压及稳态过电压控制 3、功补偿装置 U-I 特性斜率与分接头的协调控制，避免分接头的频繁振荡投切 4、直流系统故障及交流系统故障时的协调控制，避免因静止无功补偿装置的不当控制引起系统不稳定及直流功率的延迟恢复 5、静止无功补偿装置控制系统参数及直流控制系统参数的协调整定 6、考虑弱受端系统负荷特性对直流控制器级静止无功补偿协调控制策略的影响 （12）换流器如何无功电压控制 1.低负荷下增加无功消耗 2.帮助进行不平衡无功的精密控制 3.降低无功补偿设备投切时的暂态电压方式 第 5 章 电网换相直流输电的控制与保护 （1）基本控制方式（换流器的相位控制）基本控制方式：定电流控制、定电压控制、定功率控制。另外，在逆变器还有定熄弧角控制。（3）换流变压器阀侧电压恒定的控制方式的特征 1.不用切换分接头，即可快速实现从最小值到额定值的输送功率。2.变压器分接头只在补偿交流系统电压变动时使用，没有必要补偿直流电流 整流器高压直流输电线路以及将直流电变换为交流电的逆变器三部分组成高压直流输电是交流直流交流形式的电力电子换流电路常规高压直流输电半控型的晶闸管采取电网换相高压直流输电全控型电力电子器件采用器件换相分类长系统的构成直流单级输电大地或海水回流方式导体回流方式直流双极输电中性点两端接地方式中性点单端接地方式中性线方式直流多回线输电线路并联多回输电方式换流器并联的多回线输电方式多端直流输电并联多端直流输电方式中互连性可实现电网的非同步互连可实现不同频率交流电网的互连控制性具有潮流快可控的特点缺点直流输电换流站的设备多结构复杂造价高损耗大运行费用高可靠性也较差换流器工作时会产生大量的谐波处理不当会对电网运行造 变动造成的直流电压变化，较小的分接头调整范围即可满足要求。3.轻负荷时的熄弧角变大，减少出现换相失败的情况。（4）整流器、逆变器的协调控制 （5）协调控制的典型示例框图图 5-10 （6）故障种类 换流站内故障类型：桥臂短路、换相失败、逆变器触角信号闭锁、全压起动 作业题：一、试比较常规高压直流输电与轻型直流输电优劣及适用范围？常规高压直流输电 轻型直流输电 换流站设备结构造价 运行费用 谐波对无功功率 的需求向小容量交流系统及不含旋转电动机的负荷供 电 实现无人值班或少人值守运行 适用范围 整流器高压直流输电线路以及将直流电变换为交流电的逆变器三部分组成高压直流输电是交流直流交流形式的电力电子换流电路常规高压直流输电半控型的晶闸管采取电网换相高压直流输电全控型电力电子器件采用器件换相分类长系统的构成直流单级输电大地或海水回流方式导体回流方式直流双极输电中性点两端接地方式中性点单端接地方式中性线方式直流多回线输电线路并联多回输电方式换流器并联的多回线输电方式多端直流输电并联多端直流输电方式中互连性可实现电网的非同步互连可实现不同频率交流电网的互连控制性具有潮流快可控的特点缺点直流输电换流站的设备多结构复杂造价高损耗大运行费用高可靠性也较差换流器工作时会产生大量的谐波处理不当会对电网运行造多 少 复杂 简单 高 低 高 低 大 小 大 小 不能 能 不能 局限在 220KV 及以上电压等级的远距离大容量输电、海底电缆输电及不同额定频率或相同额 能 适用于电压低于 150KV、容量 不超过 200MW 的输电 整流器高压直流输电线路以及将直流电变换为交流电的逆变器三部分组成高压直流输电是交流直流交流形式的电力电子换流电路常规高压直流输电半控型的晶闸管采取电网换相高压直流输电全控型电力电子器件采用器件换相分类长系统的构成直流单级输电大地或海水回流方式导体回流方式直流双极输电中性点两端接地方式中性点单端接地方式中性线方式直流多回线输电线路并联多回输电方式换流器并联的多回线输电方式多端直流输电并联多端直流输电方式中互连性可实现电网的非同步互连可实现不同频率交流电网的互连控制性具有潮流快可控的特点缺点直流输电换流站的设备多结构复杂造价高损耗大运行费用高可靠性也较差换流器工作时会产生大量的谐波处理不当会对电网运行造 定频率交流系统间的非同步互联 等方面 二、谐波对电力系统危害主要表现在以下几方面？答：主要表现在对电力与信号的干扰影响方面。对电力的危害：.旋转电 动机（换流变压器过负荷）等的附加谐波损耗与发热，缩短使用寿命；.谐波 谐振过电压，造成电气元器件及设备的故障与损坏；.电能计量错误。在对信号干扰方面有：.对通信系统产生电磁干扰，使电信质量下降；.使重要的和敏感的自动控制、保护装置误动作；.危害到功率处理器自身的正常运行。三、对于换流站在运行过程中所需无功功率为什么不能依靠或不能主要依靠所接入交流系统来提供？答：因为当换流站从交流系统吸取或输出大量无功功率时，将会导致无功损耗，同时换流站的交流电压将会大幅度变化。所以在换流站中根据换流器的无功功率特性装设合适的无功补偿装置，是保证高压直流系统安全稳定运行的重要条件之一。注意：接地极极址距离换流站要有一定距离，但不宜过远，通常在 2060KM 之间。极址距离重要的交流变电站也应足够远，距离一般大于 10Km。长距离直流架空输电线路工程，换流站配置交流滤波器和直流滤波器；直流电缆输电线路工程，只安装交流滤波器。平波电抗器的电感量在满足主要性能要求的前提下应尽量小些，通常为 0.271.5H（针对直流架空线路）或 12200mH（针对直流电缆线路）在额度工况时整流装置所需的无功功率约为有功功率的 3050，逆变装置约为 4060.(填空或选择)整流器高压直流输电线路以及将直流电变换为交流电的逆变器三部分组成高压直流输电是交流直流交流形式的电力电子换流电路常规高压直流输电半控型的晶闸管采取电网换相高压直流输电全控型电力电子器件采用器件换相分类长系统的构成直流单级输电大地或海水回流方式导体回流方式直流双极输电中性点两端接地方式中性点单端接地方式中性线方式直流多回线输电线路并联多回输电方式换流器并联的多回线输电方式多端直流输电并联多端直流输电方式中互连性可实现电网的非同步互连可实现不同频率交流电网的互连控制性具有潮流快可控的特点缺点直流输电换流站的设备多结构复杂造价高损耗大运行费用高可靠性也较差换流器工作时会产生大量的谐波处理不当会对电网运行造