高壓直流輸電優點原理及現狀前景
時間:2011-12-28 點擊:4767 次
高壓直流輸電優點原理及現狀前景
   摘要:高壓直流輸電作為目前電力電子技術在電力系統中應用最為全面、最為復雜的系統,已成為一門關于電力電子技術應用的專門學科。本文將從其概念,特點,主要構成,在我國的應用現狀及其發展前景等方面作簡單的介紹,。
  關鍵詞:高壓直流輸電,概念,特點(優缺點),應用場合,主要設備,現狀,前景
  1高壓直流輸電簡介
  1.1高壓直流輸電的概念
  高壓直流輸電(High Voltage Direction Current , HVDC)是電力電子技術應用中最為重要、最為傳統,也是發展最為活躍同時也較為成熟的技術。高壓直流輸電是將三相交流電通過換流站整流變成直流電,然后通過直流輸電線路送往另一個換流站逆變成三相交流電的輸電方式。從結構上看,高壓直流輸電是交流-直流-交流形式的電力電子轉換電路。高壓直流輸電的主要設備是兩個換流站和直流輸電線。 兩個換流站分別與兩端的交流系統相連接。
  關于高壓直流輸電的主要設備將在1.3 高壓直流輸電的主要設備 中作較為詳細的介紹。
  1.2高壓直流輸電的特點(優缺點)及其應用場合
  直流輸電由于自身的結構及性能,具有以下特點:
  1)經濟性
  高壓直流輸電的合理性和適用性在遠距離大容量輸電中已得到明顯的表現。由于直流輸電線路的造價和運行費用比交流輸電低,而換流站的造價和運行費用均比交流變電所要高。因此對于同樣輸電容量,輸送距離越遠,直流比交流的經濟型越好。如下圖可以看出當輸電距離大于等價距離時,直流輸電的經濟性優勢便可以體現出來,并且輸電距離越遠其經濟性越好。在實際應用中,對于架空線路此等價距離為600~700km,電纜線路等價距離則可以降低至20~40km。
  另一方面,直流輸電系統的結構使得其工程可以按照電壓等級或級數分階段投資建設。這也同樣體現了高壓直流輸電經濟性方面的特點。
  2)互聯性
  交流輸電能力受到同步發電機間功角穩定問題的限制,且隨著輸電距離的增大,同步機間的聯系電抗增大,穩定問題更為突出,交流輸電能力受到更大的限制。相比之下,直流輸電不存在功角穩定問題,可在設備容量及受段交流系統允許的范圍內,大量輸送電力。
  交流系統聯網的擴展,會造成短路容量的增大,許多場合不得不更換斷路器,而選擇合適的斷路器又十分困難。而采用直流對交流系統進行互聯時,不會造成短路容量的增加,也有利于防止交流系統的故障進一步擴大。因此對于已經存在的龐大交流系統,通過分割成相對獨立的子系統,采用高壓直流互連,可有效減少短路容量,提高系統運行的可靠性。
  直流輸電所連的兩側電網無須同步運行,原因是直流輸電不存在傳輸無功問題,兩側的系統之間沒有無功的交換,也不存在交流系統中頻率的問題。由于直流輸電的這個特性,它可以實現電網的非同步互連。進而也可實現不同頻率交流電網的互連,起到頻率變換器的作用。
  3)控制性
  直流輸電另一個重要特點是潮流快速可控,可由于鎖鏈交流系統的穩定與頻率控制。直流輸電的換流器為基于電力電子器件構成的電能控制電路,因此其對電力潮流的控制迅速而精確。且對于雙端直流輸電而言,可迅速實現潮流的反轉。潮流反轉有正常運行中所需要的慢速潮流反轉和交流系統發生故障需要緊急功率支援時的快速潮流反轉。其迅速的潮流控制對于所連交流系統的穩定控制,交流系統正常運行過程中應對負荷隨機波動的頻率控制及故障狀態下的頻率變動控制都能發揮重要作用。
  4)缺點
  當然,直流輸電也存在一系列的缺點。直流輸電換流站的設備多、結構復雜、造價高、損耗大、運行費用高、可靠性也差。換流站的工作過程中會產生大量諧波,處理不當而流入交流系統的諧波就會對交流電網的運行造成一系列問題。因此必須通過設置大量、成組的濾波器消除這些濾波。其次傳統的電網換相直流輸電在傳送有功功率的同時,會吸收大量無功功率,可達有功功率的50%—60%。需要大量的無功功率補償設備及其相應的控制策略。另外,直流輸電的接地極問題、直流斷路器問題,都還存在一些沒有很好解決的技術難點。
  當受端交流系統的短路容量與直流輸送容量之比小于2時,稱為弱受端系統,這時為了控制受端電壓的穩定性,保證直流輸送的可靠運行,通常要增設調相機、靜止無功功率補償器或靜止無功發生器,且應實現HVDC與這些補償設備的協調控制。
  由于上述直流輸電自身的一系列的特點,使得直流輸電有其適用的領域,接下來論述這些適于高壓直流輸電應用的領域。
  1)海底電纜輸電 從世界范圍來看,直流輸電工程的約三分之一為海底電纜送電。
  2)長距離架空線輸電 有研究工作表明,對于輸送10GW、300km的電力,直流架空線路輸送已開始占有優勢,依據這一分析報告,適用直流架空線路的輸電容量將占到全球總輸電容量的26%以上。
  BTB方式 BTB方式工程約占全世界直流工程的40%,主要用于在不增加交流電網短路容量的情況下,實現功率的融通和緊急功率支援。其以應用可分為交流系統互聯或不同頻率交流系統互聯。如我國的靈寶工程(一般交流系統互聯),日本國內工程(不同頻率交流系統互聯)。
  4)短路容量對策 世界范圍內,隨著電力負荷的增加,電源及電網建設不斷擴充,交流電網的規模越來越大。在這種情況下,短路故障發生的故障電流越來越大,直流輸電作為限制短路電流的對策獲得極大的關注。
 ?、儇摵晒╇姡憾际胸摵杉械貐^供電,有時必須采用地下電纜送電。這種情況下,要求設備占空間小,短路電流過大時,斷路器的選擇就有困難,這時采用直流輸電就表現出一定的優勢。采用器件換相的輕型直流輸電就更顯示出直流輸電的這一優點。
 ?、谙到y分割:將已有的大規模交流系統分割為若干相對較小的獨立運行的小系統,系統之間采用BTB等直流方法互聯,可有效減少故障短路電流。這方面的工程實例還沒有,但日本學者對日本的關西、中國、九州、四國的串行系統進行的研究表明,若通過在關西與中國、中國與九州、九州與四國、四國與關西間采用直流方式連接,將可大大抑制短路電流,并實現小系統向大系統的輸電。
  1.3高壓直流輸電的主要設備
  高壓直流輸電系統的基本工作原理是通過換流裝置,將交流電轉變為直流電,將直流電傳送到受端,再由受端換流裝置將直流電轉變變為交流電送入受端交流系統。整個過程中換流裝置是最重要的電器一次設備。為了滿足直流輸電中系統的安全穩定及電能質量的要求還需要其他一些設備,如:換流變壓器、平波電抗器、無功補償裝置,濾波器、直流接地極、交直流開關設備,直流輸電線路等一次設備以及控制與保護裝置、遠程通信系統等二次設備。下面就高壓直流輸電的主要設備作以簡單介紹。
  換流裝置 構成換流裝置的基本器件是各種電力電子器件。其中應用最為多的是晶閘管。由幾十到數百個晶閘管器件串聯可構成一個晶閘管換流閥。換流器一般由6或12個橋臂(換流閥)構成,因此一個直流輸電工程所需晶閘管的數量巨大,一般在數千只以上。
  換流裝置是直流輸電工程中最重要的裝置。
  2)換流變壓器 換流變壓器也是直流輸電工程中的主要設備之一,它不僅參與了換流器的交流電與直流電的相互轉變,而且承擔著改變交流電壓數值、抑制直流短路電流的作用。此外還可以削弱交流系統侵入直流系統的過電壓,減少換流器注入交流系統的諧波,同時實現交、直流系統的電器隔離。
  3)無功補償設備 在直流輸電系統中換流器所需的無功功率只能采取無功就地補償原則。在換流站中加裝足夠容量的無功補償裝置。常見的無功補償裝置有:機械投切式無功補償裝置,靜止無功補償裝置同步調相機等。
  4)濾波器 濾波器按照其在直流輸電中的用途可分為交流濾波器和直流濾波器,分別接在交、直流母線上,抑制換流器產生的諧波注入交流系統或直流線路。按照其連接方式還可分為串聯濾波器、并聯濾波器。按電源特性分為有源濾波器和無源濾波器。
  5)直流輸電線路 直流輸電線路是指直流正極、負極傳輸導線、金屬返回線以及直流接地極引線,其作用是為整流站向逆變站傳送直流電流后直流功率提供通路。
  2高壓直流輸電在我國的應用現狀
  我國從上世紀50年代開始從事高壓直流輸電的研究,并于60年代在中國電力科學研究院建成國內第一個晶閘管閥模擬裝置,并于1977年在上海將一條交流電纜線路改為31kV的直流輸電試驗線路,用以研究高壓直流輸電。
  尤其是自上世紀80年代末以來我國的高壓直流輸電研究及發展取得了突飛猛進的提高,目前已投運10個直流輸電工程。
為實現我國的“西電東送”戰略規劃,我國正在積極推進包括±660kV、±800kV、±1000kV特高壓直流輸電工程的建設。2009年12月28日,世界首個±800千伏特高壓直流輸電工程———云南至廣東特高壓直流輸電工程成功實現單極投產。這標志著我國電力技術、裝備制造達到國際先進水平,在世界輸變電領域占領了新的制高點。
  3直流輸電發展前景
  3.1輕型直流輸電
  傳統高壓直流輸電雖是一門成熟的技術,但在與交流輸電的競爭中在某些方面處于不利地位。其應用范圍還很局限。
  隨著IGBT及GTO晶閘管等全控器件的快速發展,基于器件換相的電壓源換流器和電流源換流器得到開發和研究?;陔妷涸磽Q流器的輕型直流輸電已經開始應用于實際工程。
  輕型直流輸電不設換流變壓器、直流濾波器、平波電抗器、無功功率補設備以及簡化了交流濾波器,同時也不需要快速通信設備。它對于電壓低于±150kV、容量不超過200MW的輸電具有經濟上的優越性,他將可能在許多應用領域發揮極大的作用。
  3.2特高壓直流輸電
  2009年12月28日,世界首個±800千伏特高壓直流輸電工程———云南至廣東特高壓直流輸電工程成功實現單極投產。研究表明,發展±800kV特高壓直流輸電技術,實施更大容量、更遠距離、更低損耗的電力輸送,符合科學發展觀要求,符合我國的國情。符合資源節約和優化配置的需要。在未來15年間,圍繞大型水電和煤電基地的開發,以及與俄羅斯、中亞國家的能源合作,中國的特高壓直流輸電線路預計將達到10~15條。
  參考文獻
  [1]《高壓直流輸電原理》 機械工業出版社韓民曉 文俊 徐永海
  [2]《高壓直流輸電系統》 科學出版社李興源
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