ppt课件-高压直流输电_系统

高压直流输电系统 李兴源四川大学 第1章导论 在特定条件下 高压直流 hvdc 输电的优点超过交流输电 超过30km左右的水下电缆两个交流系统之间的异步联接大容量远距离架空线输电 1 1高压直流输电运行特性及其与交流输电的比较 1 技术性能 2 可靠性 3 经济性 技术性能的比较 1 功率传输特性众所周知 随着输送容量不断增长 稳定问题越来越成为交流输电的制约因素 为了满足稳定问题 通常需采取串补 静补 调相机 开关站等措施 有时甚至不得不提高输电电压 但是 这将增加很多电气设备 代价是昂贵的 直流输电没有相位和功角 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 就可达到传输的目的 无需考虑稳定问题 这是直流输电的重要特点 也是它的一大优势 2 线路故障时的自防护能力交流线路单相接地后 其消除过程一般约0 4 0 8s 加上重合闸时间 约0 6 1s恢复 直流线路单极接地 整流 逆变两侧晶闸管阀立即闭锁 电压降到零 迫使直流电流降到零 故障电弧熄灭不存在电流无法过零的困难 直流线路单极故障的恢复时间一般在0 2 0 35s内 从自身恢复的能力看 交流线路采用单相重合闸 需要满足单相瞬时稳定 才能恢复供电 直流则不存在此***条件 若线路上发生的故障在重合 直流为再启动 中重燃 交流线路就三相跳闸了 直流线路则可用延长留待去游离时间及降压方式来进行第2 第3次再启动 创造线路消除故障 恢复正常运行的条件 对于单片绝缘子损坏 交流必然三相切除 直流则可降压运行 且大都能取得成功 3 过负荷能力通常 交流输电线路具有较高的持续运行能力 受发热条件***的允许最大连续电流比正常输送功率大得多 其最大输送容量往往受稳定极限控制 直流线路也有一定的过负荷能力 受制约的往往是换流站 通常分2h过负荷能力 10s过负荷能力和固有过负荷能力等 前两者葛上直流工程分别为10 和25 后者视环境温度而异 总的来说 就过负荷能力而言 交流有更大的灵活性 直流如果需要具有更大的过负荷能力 则必须在设备选型时要预先考虑 此时需要增加投资 4 利用直流输电调节作用能提高交流系统的稳定性如前所述 直流输电具有快速响应的特点 当交流系统发生故障时 利用直流输电的调节作用 能有效地提高交流系统的稳定性 著名的美国bpa500kv交直流并列运行线路 2回长152lkm交流线路共送2860mw 平均1回送电1430mw 直流的调节作用是重要措施之一 5 潮流和功率控制交流输电取决于网络参数 发电机与负荷的运行方式 值班人员需要进行调度 但又难于控制 直流输电则可全部自动控制 6 短路容量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遮断容量要求而需要更换设备 直流互联时 不论在哪里发生故障 在直流线路上增加的电流都是不大的 因此不增加交流系统的断路容量 7 调度管理由于通过直流线路互联的两端交流系统可以有各自的频率 输送功率也可保持恒定 恒功率 恒电流等 对送端而言 整流站相当了交流系统的一个负荷 对受端而言 逆变站则相当于交流系统的一个电源 互相之间的干扰和影响小 运行管理简单方便 深受电力管理 运行部门的欢迎 对我国当前发展的跨大区互联 合同售电 合资办电等形成的联合电力系统 尤为适宜 8 线路走廊按同电压500kv考虑 1条500kv直流输电线路的走廊约40m 1条500kv交流线路走廊约为50m 但是1条同电压的直流线路输送容量约为交流线路的2倍 直流输电的线路走廊 其传输效率约为交流线路的2倍甚至更多一点 下列因素***了直流输电的应用范围 直流断路器的费用高 不能用变压器来改变电压等级 换流设备的费用高 由于产生谐波 需要交流和直流滤波器 控制复杂 近年来 直流技术已有了明显的进步 除了上述的第二条除外 其余缺点都可予以克服 这些技术如下 直流断路器的进展 晶闸管的模块化结构和额定值增加 光触发晶闸管 换流器采用12或24脉波运行 采用氧化金属变阻器 换流器控制采用数字和光纤技术 可靠性的比较 强迫停运率电能不可用率总的来说 从可靠性和可用率两个指标来看 交 直流两种输电方式是相当的 都是可行的 经济性的比较 交 直流两种输电方式 就其造价而言 各具如下特色 1 输送容量确定后 直流换流站的规模随之确定 其投资也即固定下来 距离的增加 只与线路造价有关 交流输电则不同 随着输电距离的增加 由于稳定 过电压等要求 需要设置中间开关站 因此 对于交流输电方式 输电距离不单影响线路投资 同时也影响变电部分投资 2 就变电和线路两部分看 直流输电换流站投资占比重很大 面交流输电的输电线路投资占主要成分 3 直流输电功率损失比交流输电小得多 4 当输送功率增大时 直流输电可以采取提高电压 加大导线截面的办法 交流输电则往往只好增加回路数 随着输电距离的改变 交 直流两种输电方式的造价和总费用将相应作增减变化 在某一输电距离下 两者总费用相等 这一距离称为等价距离 这是一个重要的工程初估数据 概括地说 超过这一距离时 采用直流有利 小于这一距离时 采用交流有利 对于超高压输电系统 典型架空线路的等价距离大约为800km 尽管地下电缆或是海底电缆的造价比架空线路高了一个数量级 但其等价距离却只有50km 1 2高压直流输电系统的结构和元件 高压直流联络线大致可分以下几类 1 单极联络线 2 双极联络线 3 同极联络线 图1 3 1单极hvdc联络线 图1 3 2双极hvdc联络线 图1 3 3同极hvdc联络线 高压直流输电系统的元件 第2章换流器理论及特性方程 图2 2 2三相全波桥式电路 图2 2 3三相全波桥式换流器等效电路 整流器和逆变器工作方式 图2 3 1桥式整流器的等效电路 图2 3 4逆变器的等效电路 为正 图2 3 3描述整流器及逆变器运行所用的角 交流量和直流量之间的关系 换流器的稳态方程归纳如下 或 多桥换流器 图2 6 112脉波换流桥 采用12脉波换流桥时 直流电压的纹波减小 6次和18次谐波分量消失 6脉波换流桥的直流侧有6次及其整倍数的谐波 然而12脉冲换流桥只有12次及其整倍数的谐波 第3章高压直流输电系统的控制和特性 3 1控制的基本原理 图3 1 1hvdc输电联络线 a 示意图 b 等值电路 c 电压分布 高压直流系统通过控制整流器和逆变器的内电势 vdorcos 和 vdoicos 来控制线路上任一点的直流电压以及线路电流 或功率 这是通过控制阀的栅 门极的触发角或通过切换换流变压器抽头以控制交流电压来完成的 要变更功率输送的方向 可采取更换两端的直流电压极性的方法 在选择控制特性时 应该考虑下列要求 防止交流系统电压的变化引起直流电流的***动 保持直流电压在额定值附近 保持送端和受端的功率因数尽可能高 防止逆变器的换相失败 运用换流器的快速控制来防止直流电流的***动 这是保证hvdc线路满意运行的一个重要要求 以下是维持高功率因数的几个原因 在给定变压器和阀的电流和电压额定值的条件下 使换流器的额定功率尽可能高 减轻阀上的应力 使换流器所连接的交流系统中设备的损耗和电流额定最小 在负荷增加时 使交流终端的电压降最小 使供给换流器的无功功率费用最小 控制特性 图4 1 2理想的稳态伏安特性 vd是在整流器上测量的值 逆变器特性包括 电压降 图3 1 3实际的换流器控制稳态特性图3 1 4电流调节器 在正常电压下 逆变器的恒熄弧角 cea 特性曲线和整流器持性曲线相交于e 可是 逆变器的cea特性 cd 不会和由表示的在降低电压下的整流器特性曲线相交 所以 整流器电压的大幅度降低会引起电流和功率在短时间内下降到零 这个时间取决于直流电抗器 从而系统将会停运 为了避免上述问题 逆变器也要配置一个电流*** 其整定的电流值比整流器的电流整定值小 完整的逆变器特性曲线由dgh给出 它包括两部分 一部分为恒定熄弧角 cea 特性曲线 一部分为恒定电流特性曲线 整流器和逆变器的组合特性 图3 1 5每个换流器有逆变和整流组合特性的运行 可选择的逆变器控制方式 1 直流电压控制方式 用闭环电压控制取代调节 到固定值 cea 可以保证在直流线路上的一个期望点维持恒定电压 通常该点为送端 整流器 维持期望的直流电压所必需的逆变器电压可以通过计算线路的ri电压降来估计 与恒定 角控制 有下降的电压特性曲线 相比较 这种电压控制方式的有点在于 它的逆变器v i特性曲线是一条水平线 如图3 1 6 a 所示 另外 这种电压控制方式的 值略高 因而换相失败的可能性较小 一般来说 和抽头切换装置相配合 该电压控制方式维持 角大约在18 2 恒定 角控制 用触发超前角 表示的逆变器等值电路如图2 17 a 所示 保持恒定时 逆变器的v i特性曲线斜率为正 如图3 1 6 b 所示 在低负荷时 恒定的 还能保证不会产生换相失败 可是 在较高的电流 较大的叠弧 下 会遇到最小 值问题 恒定 控制方式并不适用于正常运行状态 它被认为时一种备用的控制方式 在暂态条件下直接作用于触发角是有益的 5 控制方式的稳定性如图3 1 7所示 在接近于逆变器的cea特性曲线和cc特性曲线的过渡部分的某些电压水平下 整流器的特性曲线和逆变器的cea特性曲线的交点不能很好地确定 在这个区域内 交流电压的微小变动将引起直流电流的大改变 100 而且会在控制方式与抽头切换之间产生来回摆动的趋势 为避免这个问题 经常在逆变器的cea和cc控制特性曲线的过渡部分引入一个斜率为正的特性 恒定 如图3 1 8 a 所示 另一种变化如图3 1 8 b 所示 它是通过一个电压反馈回路来控制直流电压 图3 1 6可选择的逆变器运行方式 图3 1 7控制方式混淆的区域 图3 1 8使控制方式稳定的修正伏安特性 7 电流***确定电流指令时必须考虑如下*** 1 最大电流*** 为避免换流阀受到过热损害 一般短时间最大电流限定在正常满负荷电流的1 2到1 3倍 2 最小电流*** 当电流值较低时 电流的波动会引起它的不连续或间断 因此 在12脉波的运行情况下 电流在一个周期内会被中断12次 这种情况是不允许的 因为在中断瞬间电流变化率很高 会在变压器绕组和直流电抗器上感应出高电压 ldi dt 3 低电压***电流指令 vdcol 在低电压条件下 要想保持额定直流电流或额定功率是不可期望或不可能的 其原因如下 当一个换流器的电压降超过30 时 和它相隔很远的换流器的无功需求将增加 这对交流系统可能有不利的影响 远端换流器的或 必须更高以控制电流 因而引起无功功率的增加 系统电压水平的降低也会使滤波器和电容器所提供的无功功率明显减少 而通常换流器吸收的无功功率大部分由它们提供 当电压降低时 也会面临换相失败和电压不稳定的风险 这些和低电压条件下的运行状况有关的问题可通过引入 依赖于电压的电流指令*** vdcol 来防止 当电压降低到预定值以下时 这个***降低了最大容许直流电流 vdcol特性曲线可能是交流换相电压或直流电压的函数 图3 1 9示出了这两种类型的vdcol 图3 1 9依赖于电压的电流指令*** a 作为交流电压函数的电流*** b 作为直流电压函数的电流*** 图3 1 10有vdcol 最小电流和最小触发角***的静态伏安特性 8 最小触发角***如图3 1 5所示 通过控制电流指令和电流裕度可以控制线路的传输功率 这些信号能通过一个远动通信线路传送到换流站 在换相失败或直流线路故障时 逆变器可能切换为整流方式 这将逆转功率输送方向 为预防这种情况 在逆变器控制中引入最小 *** 如图3 1 10中逆变器v i特性曲线的最下面部分所示 这就将逆变器的触发角限定在大于900的某个值 其典型范围为950到1100 但是 在特定故障条件下 可以允许整流器运行于逆变区域以帮助系统 结果 典型地加于整流器触发角的最大***值在900到1400之间 9 功率控制通常 要求hvdc联络线传输预定的功率 在这种应用中 相应的电流指令等于功率指令 p0 除以测量的直流电压 10 交流系统的辅助控制为了提高交流系统性能 从交流系统量中得到的辅助信号可用于控制换流器 控制策略包括直流电压或直流电流进行调节 或同时对它们进行调节 另外 特定的控制方法可用于帮助直流系统从故障状况恢复正常 这些更高级的控制方法将在后续章节中进行更详细的讨论 3 1 3基本控制原理的概括 基于下面两个重要原因 hvdc系统基本上采用定电流控制 1 ***过电流 并使因故障引起的损害最小 2 防止系统因交流电压的波动而停运 这是因为高速恒定电流控制特性使得hvdc系统的运行十分稳定 以下是基本控制系统的重要方面 1 整流器采用电流控制和***控制 最***角整定在50左右 以保证触发时换流阀上有足够的正电压 从而确保换相成功 在电流控制方式下 一个闭环调节器控制触发角 从而控制了直流电压 以保证直流电流等于电流指令 换流变压器的抽头切换装置控制保持的范围为100到200 用时间延迟来防止暂时偏移期间抽头的不必要动作 2 逆变器采用恒定熄弧角 cea 控制和电流控制 在cea控制方式下 被调节到150左右 这个值表示了在可接受的无功需求和换相失败的低风险之间所能做的权衡 尽管cea控制是标准控制 仍可作一些包括电压控制和 控制的调整 抽头切换装置控制用于将 调节到接近期望的范围 即150到200 3 在正常条件下 整流器为电流控制方式 逆变器运行在cea控制方式 如果整流端的交流电压下降 整流器触发角也会减小 直到它达到*** 这时 整流器切换为控制 而逆变器设为电流控制 4 为保证良好运行和设备安全 确定电流指令时应考虑几个*** 最大电流*** 最小电流***和依赖于电压的电流*** 5 除了上述基本控制方法之外 可以来用更高级的控制来改善交流 直流系统的相互作用和提高交流系统的性能 迄今为止 所有的控制方案都应用了上述整流器和逆变器的运行方式 但是 为了提高弱交流系统的性能 有可能采用这样一种方案 即逆变器连续运行于电流控制方式而整流器为最小控制方式 3 2控制系统的实现 图3 2 1基本控制方案 图3 2 2hvdc系统控制分层的不同等级 3 4起动 停运和潮流的逆转 3 3 1阀的闭锁和旁路阀的闭锁 停止 是通过切断一个换流桥所有阀的门极的正脉冲来达到的 但这样可能导致由于中断电流引起的过电压 在某些事例中 逆变器的阀的闭锁可能造成通过原先导通相的持续导通 将交流电压加于直流线路上 以及将直流电流加于换流变压器上 因此 当阀闭锁时 必须将换流桥旁路 这是用如图3 3 1所示的旁路阀和旁路开关来实现的 阀的电流转换到旁路阀 然后旁路开关合上以避免旁路阀流过持续电流 图3 3 1用一个***阀的旁路图3 3 2出发一对阀的旁路 3 3 2起动 停运和潮流的逆转 1 起动起动和停止hvdc系统的程序因厂商和设备制造年代的不同而不同 电压 电流和功率的上升速率要适合具体的应用场合 常规起动 解除闭锁 程序如下 逆变器或整流器均可先起动 先起动的换流器建立阀的触发和导通 解除闭锁的触发角被控制在60o至70o的范围 使电压保持低值 随着通信的延迟 其它换流器也建立触发 用60o至70o的触发角以维持相当低的电压 而约为0 2至0 3pu 按设备或系统条件优化 的电流流通 起动成功后 用缓和的触发角 或 变化速率使电压上升 维持约为0 2至0 3pu的初始电流 直至电压达到设定值 40 至80 然后电流指令增至期望值 当电流建立 并且能由整流器维持时 逆变器进入电压 裕度角控制方式 整个过程所花时间短至零点几秒或长 2 停运 闭锁 不像交流系统用断路器操作来切断一条线路 直流线路是通过控制来逐渐停运的 通过下面方法将电压和电流减至零来闭锁一个极 电压和电流在100ms至300ms内逐渐降下来 然后整流器运行于逆变区或接近逆变区 这将释放直流系统的任何储能 如果有旁路开关 则将旁路开关合上 如果两组阀中的一组被闭锁 它不能将电流降为零 因此 该阀组的触发角斜坡地变到90o 由旁路开关形成旁路 而阀被闭锁 可以***斜坡速率以避免调节器方式的改变 3 潮流逆转在任一方向输送潮流是hvdc系统的固有能力 大多数的方案都有允许双向潮流的全控特点 潮流逆转可通过前面描述的一系列斜坡式的改变而平滑地过渡 也可通过闭锁或不闭锁阀的触发来非常快速地进行 潮流逆转的控制技术可以遵循下面步骤 将电流阶跃或斜坡式地减到0 1至0 5pu 紧随电流斜坡式到达所要求的水平后 紧跟着将电压按斜坡或指数规律降低 升高 所要遵循的程序通常取决于交流系统承受由此带来的扰动的能力和在规定的时间内实现潮流逆转的需要 典型地 快速潮流逆转的时间应为约20ms至30ms 虽然交流系统的*** 直流电缆设计的约束或功率调度条件可能使这个时间增至几秒钟 高压直流输电系统的控制能满足整个要求范围 第4章谐波及其抑制 换流站交流侧的三相电流和直流侧电压中的谐波 其次数和特性比较有规律 它们统称为特征谐波 脉波数为的换流器在直流电压仅仅产生次的特征谐波电压 而在交流电流中产生次的特征谐波电流 其中是任意正整数 实际上 用于计算特征谐波的理想条件是不存在的 总是存在比较小量的非特征谐波 关于交流电流谐波 术语 非特征 表示由表达式确定的以外的谐波次数 谐波抑制装置的选择滤波装置平波电抗器 第5章高压直流输电系统的故障和保护 5 1换流器的异常运行根据故障的根源 换流器的异常运行可以分为如下三类 1 阀及其有关设备故障 主要形式有 失通 误通 2 换相失败 这是在逆变器运行期间最常见的故障 这种故障常随其它内部或外部扰动之后发生 3 换流站内部短路 虽然这种故障很少见 但是在换流站设计中必须加以考虑 5 1 1失通 误通失通是阀在计划导通期间触发失败 而误通则是阀在计划非导通期间阻断失败 这些故障是出于控制和触发设备的各种故障而造成的 当这些故障发生在逆变端时 它们的影响更为严重 除非故障持续地存在 它们对整流器运行不会构成严重的扰动 但是当持续存在时则可能会在直流侧引起电压和电流的振荡 5 1 2换相失败在换相电压反向 具有足够的去游离裕度 之前未能完成换相的故障称为换相失败 换相失败不是由于对换流阀的误操作引起的 而是由换流阀外部电路的条件引起的 换相失败对于逆变器来说更为普遍 而且是在大直流电流或低交流电压之类的扰动期间发生 仅当触发电路发生故障时 整流器才会发生换相失败 因5 1 1阐明了逆变器怎样出现换相失败 其中考虑的是从阀1到阀3的换相失败 由于直流电流的增加 交流电压降低 可能由交流系统的短路引起 滞后触发或者这几种因素的组合 换流阀1在反向之前没有被截止 在换流阀3中的电流将减小到零并截止 换流阀1中的电流又将回到 因而换流阀1将继续导通 如图5 1 2所示 当换流阀4接着被触发时 由于换流阀1仍处于导通 在换流桥的直流侧将跨接一个短接电路 由于零直流电压使换流阀5两端的电压为负 因此换流阀5不能导通 换流阀4截止 而换流阀6按正常方式被触发 图5 1 1逆变器中的换相失败 图5 1 2换相失败期间的阀电流 双重换相失败是指在同一周波内连续出现两次换相失败 如果换流阀l到换流阀3的换相不成功 又紧接着从换流阀2到换流阀4的换相失败 则换流阀1和2将持续导通 直到下个周波它们又能再次正常导通 在只有换流阀1和2导通的期间 a c相端的交流电压将出现 并跨接在直流端 双重换相失败是非常少见的 通常 在一次换相失败后 或者在逆变器的控制下将下次换相的触发角充分超前 或者在换流阀1和3以及2和4导通期间 双叠弧 来促进换相 双重换相失败和单次相失败一样都是自矫正的 5 1 3整流站内部短路整流站内部短路虽然少见 但它却可能出现在换流站的各个部位 非导通阀上 换流桥两端 换流变压器交流侧相间 换流桥直流侧接地 换流变压器阀侧交流单相接地 换流站极或直流母线接地 这些故障的起因可能是接地开关误操作 也可能是绝缘老化或冲击避雷器失效 在暂态过电压期间尤其是如此 非导通阀上的闪络造成相间短路 在导通阀中将通过很大的过电流 最大应力的情况出现在以小触发延迟角运行时的整流过程中 而且在刚刚换相后的时刻最为严重 因为此时阀中的电流只受到变压器漏抗和系统电源阻抗的*** 5 2交流和直流系统故障的响应 hvdc输电系统的运行受发生在直流线路 换流器或交流系统上的故障影响 故障的影响通过换流器控制的动作反映出来 在交流系统中 用继电器和断路器来检测和消除故障 与之鲜明对照的是 大多数直流系统的故障可以自己消除或通过换流器控制作用来消除 仅在某些情况下才需要将一个桥或整个极退出运行 因此 对于交流系统以及直流系统故障 hvdc系统要有满意的响应 换流器起着决定性的作用 5 4高压直流输电系统主要保护的配置 在直流输电系统中 通常采用下列各种操作作为保护措施的基本手段 快速改变换流装置的触发脉冲相位 也称控制极移相 进行故障产生后的控制 停送控制极脉冲 也称控制极或栅极闭锁 投入旁路阀或旁路对 投入旁路刀闸 交流断路器跳闸 自动再起动 5 4 2保护的原则 一个直流系统由两个极不相同的部分组成 相距甚远的整流 逆变两个换流站 由架空线或电缆连接 同时还有两接地电极及其连接线 即便像直流系统如此复杂的结构 其保护也应该从系统最基本的特性考虑设计 大量的必要保护功能之间的正确协调是十分必要的 直流系统的保护功能应该严格地遵循交流系统保护区域交叠的传统理念 这能够有效地保护到整个系统而不留一点死角 同时在发生任何假定故障时都能够有冗余保护做出响应 一个双极系统保护系统则应该是单极系统的两倍 同时这两套保护系统具有高度的***性 在双极直流系统里 仅仅只有接地极线路的引出端是共用的 一个直流系统中众多元件 组件和子系统的保护需要很好地协调并形成一个有效的系统 换流器可以提供很多快速和可靠的保护功能 通过这些保护功能 可以在许多事故中 避免闭锁和使系统迅速且 柔和 地恢复功率传送 直流系统交流侧的元件保护 交流母线和线路保护可以通过微机保护实现 同时直流侧的保护则可以通过直流换流站的控制调节功能来实现 大多数保护功能的参数也是控制调节功能所需要的 这使得系统具有传感器和测量数据处理的自我监控功能 一般说来 由于元件调节功能的高可靠性 以及保护设计要求高冗余度 系统直流侧的保护功能得到了很好的保证 保护的n 1原则中有两条要求 1 任意一元件退出运行 保护系统的测量量不受影响 2 保护的退出不应该导致系统元件或某一部分的的非正常停运 第一条原则可以通过保护的冗余度或备用保护得到满足 第二条原则更为困难些 在某些情况下 可能需要装设三套并行的保护系统 并遵循 三选二 的惯例 监控所有重要的保护功能和控制参数 例如动作值 延时时间 整定值等 是十分重要的 如果可能 系统运行期间保护系统有必要具有对这些参数的调节

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