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高压直流输电技术High Voltage Direct Current TransmissionHVDC,新能源电网研究所,1,2,关于本次课程的安排课时数：32学时 上课地点：教五A105上课时间：第116周；每周一第5，6节授课教师：赵成勇教授，郭春义讲师（赵成勇负责前10周，郭春义负责其余）选课与退出选课：前2周学生可自由选择考核方式期中考试（30%)：闭卷笔试（仅前9周课程内容）期末考核（50%）：写读书笔记或报告(不少于5000字，鼓励仿真研究。此部分希望得分为优的同学要上台汇报（前一部分闭卷笔试成绩前1/3有资格申请）,并回答问题）作业情况（10%）：交作业并检查考勤情况（10%）：上课抽查,3,座位分布和听课要求教室南侧：共62人电气1203班 22人电气1204班 19人电气1205班 12人实践电1201班 9人听课要求：座位按班相对集中，要检查考勤情况 选择自学的学生要提前告诉老师直流输电课程公共邮箱：HVDCTECH163.COM,密码为dianqi11,教室北侧：共47人创新电1201 9人电气1201班 22人电气1202班 16人,4,关于本次课程的安排参考书目：1、浙江大学发电教研组直流输电科研组直流输电北京：水利电力出版社，19852、韩民晓，等编著高压直流输电原理与运行 北京：机械工业出版社，20093、赵成勇著，柔性直流输电建模与仿真。北京：中国电力出版社，2014.4 4、赵成勇著，混合直流输电。北京：科学出版社，2014.65、徐政交直流电力系统动态行为分析北京：机械工业出版社，20046、赵畹君，等高压直流输电工程技术北京：中国电力出版社，2004,课程内容安排,第一章 绪论 第二章 高压直流输电系统的主要设备 第三章 换流器工作原理 第四章 高压直流输电的谐波抑制与无功补偿 第五章 直流控制与保护 第六章 直流输电新技术,电能形态变换的基本方式,输入,输出,直 流 电,交 流 电,直 流 电,交 流 电,逆变换通常称为逆变器,顺变换通常称为整流器,交直交变换器交交变换器,基本概念,直流变换 通常称为直流斩波器,能利用控制信号从关断变为导通状态吗,可控阀器件,能利用控制信号从导通变为关断状态吗,导通可控阀器件,导通状态闭锁阀器件,反向截止晶闸管SCR,整流二极管 D,反向导通晶闸管,三端双向晶闸管TRIAC,GTO,GTR，MOSFET，IGCT IGBT,反向导通GTO,不可控阀器件,非导通状态闭锁阀器件,控制信号解除后还保持导通状态吗,导通关断可控阀器件,电力电子变换器件状态分类,N,N,Y,Y,N,Y,电流驱动型,电压驱动型,功率集成器件 PID,智能模块IPM，功率集成电路PIC,基本概念,6 kV,6 kA GTO,半控控器件（）已应用于1000MW VSC-HVDC,西北华中背靠背联网工程扩建项目360M750M1100MW，330kV,500kV.换流站控制及自动化装置国产化实验在我校重点实验室展开。,基本概念,大功率器件制造水平及应用,全控型器件及其换流技术与装置是发展方向,单个IGBT最高参数6.5kV，750A4.5kV，1200A3.3kV，1500A,10,直流输电发展历程,绪论,11,早期的直流输电系统,绪论,直流电是人类最先认识和利用的电能,12,早期的直流输电概念是由法国物理学家Marcel Deprez于1881年提出来的，即由直流发电机产生直流电能，通过输电线路向远方的直流负荷供电。1882年，他在57km的电报线路上进行了直流输电系统试验，其工作电压和输电容量分别为2.0kV和1.5kW。然而，由于其线路损耗过高，这种系统难以实际应用。,早期的直流输电系统,14,1882年，爱迪生电力照明公司在纽约主持建造了世界第一个直流电力系统，包括6台12千瓦直流发电机，用110伏电压将电力线连接成网络为6000盏电灯供电。1882年在我国，外商集资创办成立了商业化运营的上海电光公司，为城市照明提供直流电力。,早期的直流输电系统,15,托马斯爱迪生（1847年1931年），有1093项专利。1892年创立爱迪生通用电气公司。爱迪生力挺直流电，是为了让他发明的电灯泡有用武之地，不然人们不会使用电灯泡，他也赚不到钱。因为爱迪生错误的打压了交流电的应用，爱迪生通用电气公司的股东以此为耻，一致通过将他赶出公司，更名为通用电气公司。,早期的直流输电系统,17,直流电压的提升和降低是困难的。为了提高直流电压，提出了串联直流输电系统（发电侧和配电侧均串联），但是经济性低，可靠性差，缺少电气隔离。Rene Thury对串联系统进行了重大改进：在直流电机上加装自动调节器、并联短路器的方法，实现了串联系统中任何一台发电机或电动机的故障退出与重新接入以及运行调整，极大地提高了可靠性。,典型的Thury串联系统,由于直流输电的诸多困难，交流输电应运而生,18,1884年到1885年，匈牙利Kroly Zipernowsky、Ott Blthy 和Miksa Dri提出了心式和壳式铁心变压器技术。1888年5月16日，美国科学家Nikola Tesla（特斯拉）在美国电气工程师学会（AIEE）上，发表了题为A New System of Alternating Current Motors and Transformers的著名演讲。1889年，英国工程师Charles Parsons制造出汽轮发电机。1891年，欧洲建设了第一个三相交流输电系统，工作电压和输送距离分别为25kV和175km。,交流发电机的发明者,尼古拉特斯拉诞生于1856年。1882年，他继爱迪生推广直流电后不久，即发明了并制造出世界上第一台交流电发电机。实验物理学派领导人，军事派科学家（区别于爱因斯坦的理论物理学派）于1912年和爱迪生共同获得诺贝尔奖，但他拒绝和爱迪生一起领奖而放弃。,早期的直流输电很快不再存在,21,随着三相交流同步发电机、变压器、异步电动机等技术的日益成熟，特别是交流输电系统的低成本投入和高额的回报，使早期的直流输电系统很快就被三相交流输电系统所替代。到1937年，早期的直流输电系统不再存在，越来越多的三相交流输电系统出现在世界各地。由于正弦交流电有便于变压（升降压）、产生旋转磁场等技术特点，逐渐形成了今天占统治地位的三相交流电网。,交流电为什么要选用正弦函数波形？,1893年4月，美国电气工程师发表了一篇论文，他说如果交流电采用正弦波，就可以引入“阻抗”概念，和直流电路一样可利用欧姆定律来计算交流电路。这篇文章发表后，正弦波立即在电气工程领域得到应用。,论文中提出，正弦交流电路如同直流电路一样，电压和电流有效值之比为一常数，称之为阻抗；因此，在线性电路中是遵守欧姆定律的。他从电气参数计算上说明了采用正弦函数波形交流电的理由。,23,传统的直流输电系统,直流输电再次兴起,24,20世纪50年代后，电力需求日益增长，三相交流输电线路和交流电网迅速发展。尽管如此，交流输电技术在实际应用中也遇到了难题。在远距离大容量输电方面，由于交流架空输电线路存在电容效应、趋肤效应和传输线效应，其输电容量和输送距离受到限制。在交流电网联网方面，一是无法实现两个不同工作频率的交流电网的 联网；二是当两个相同工作频率的交流电网联网形成更大的交流电网后，受到系统运行稳定性差和短路容量增大等限制。在电缆输电方面，由于电缆电容远大于架空线路，电缆电容的充放电电流产生很大损耗，严重限制了电缆输电距离和效率。在一定条件下的技术经济比较结果表明，采用直流输电更为合理，且比交流输电有更好的经济效益和优越的运行特性。因而，直流输电重新被人们重视。,25,直流输电的优点及特点：1、输送相同容量下，线路造价低，适合于远距离输电；直流架空线路的走廊宽度约为交流线路的一半，可以充分利用线路走廊的资源；等价距离概念。2、适合于海下电缆输送 在同等绝缘材料条件下，直流电缆的允许工作电压比在交流电压下约高3倍；绝缘老化慢，使用寿命长；,26,3、大电网之间通过直流输电互联(如背靠背方式，back to back DC transmission system)，两个交流电网之间可以非同步（解耦）运行，不会互相干扰和影响，输送功率的大小和方向可以快速控制和调节，可迅速进行网间功率支援等。5、直流输电系统的投入不会增加原有电力系统的短路电流容量，也不受系统稳定极限的限制；6、直流输电工程的一个极发生故障时另一个极能继续运行，且可充分发挥其过负荷能力，即可以不减少或少减少输送功率损失；7、直流本身带有调制功能，可以根据系统的要求作出反应，可以对机电振荡产生阻尼，可以阻尼低频振荡，从而提高电力系统暂态稳定水平；,日本东、西部电力系统分别以50赫和60赫运行,由两个直流背靠背变频站互联,北海道和本州之间采用直流海底电缆互联,最终采用双极250千伏输电线路。,27,传统直流输电尚待克服的缺点：1、换流设备造价昂贵；2、无论整流侧还是逆变侧均需要大量的无功功率。需要增设补偿装置，约为输送功率4060%容量的电容器装备。3、换流设备是最大的谐波发生源，需要在其交流侧和直流侧装设大容量，多调谐的滤波器。占地约为换流站的15%多；4、直流变压器、直流断路器、直流传感器等电力元件及设备尚待开发。,传统的直流输电系统,28,传统直流输电系统是建立在发电和配电均为交流电基础上的。传统直流输电是先将送端的交流电整流为直流电，由直流输电线路送到受端，再将直流电逆变为交流电，送入受端的交流电网。传统直流输电系统经历了汞弧阀换流器和晶闸管阀换流器两个阶段。,传统的直流输电系统 早期采用汞弧阀换流器,29,1901年发明的汞弧阀只能用于整流，不能用于逆变。1914年提出栅控汞弧阀概念，1928年研制成功，可实现整流和逆变。1920年到1940年期间，先后研制出不同类型的大功率汞弧阀。1932年，美国建成了一个连接40Hz交流电网与60Hz负荷的12kV直流输电系统。1954年，瑞典建成了一个连接瑞典大陆与哥特兰岛的海底电缆的直流输电系统，其工作电压、输电容量和距离为100kV、20MW和90km。1977年，最后一个采用汞弧阀的直流输电系统投入运行。在1954年到1977年期间，全世界共有12个采用汞弧阀的直流输电系统投入运行，最高工作电压为450kV，最大输电容量为1440MW，最长输送距离为1362km。汞弧阀制造技术复杂、价格昂贵、逆弧故障率较高、可靠性较低、运行维护不便。,30,1971年150kV 汞弧阀,瑞典直流工程,传统的直流输电系统 后期完全采用晶闸管换流器,31,1957年，发明了晶闸管阀（又称可控硅整流器）。20世纪70年代，高压大功率晶闸管阀以及微机控制技术开始应用于直流输电系统，使其运行性能与可靠性得到明显改善。1970年，瑞典大陆与哥特兰岛的直流输电系统进行扩建增容，将晶闸管阀换流器叠加在原有的汞弧阀换流器上，增容后工作电压由100kV提高到150kV、输电容量由20MW提高到30MW。1972年，第一个全部采用晶闸管阀换流器的80kV、320MW的背靠背直流联网工程在加拿大投入运行。1979年，莫桑比克到南非的直流输电系统投入运行，其工作电压、输送距离和输电容量分别为533kV、1920MW、1410km。此后，基于晶闸管阀换流器的高压大容量直流输电系统得到快速发展。,传统的直流输电系统 大功率晶闸管换流器占主导地位,32,1977年，我国上海曾经建成31kV工业性实验直流电缆线路；1987年，中国第一条直流输电工程舟山直流输电工程投运，其工作电压、输送距离和输电容量分别为100kV、100MW、54km。2010年，世界上第一个800kV特高压直流输电系统在中国投入运行，输电容量和输送距离分别为5000MW和1418km。2014年1月，世界上输电容量最大的800kV特高压直流输电系统-哈密至郑州在中国投运行，输电容量为8000MW。至此我国特高压工程共运行4条。容量均为世界之最。目前，我国的1100kV特高压直流输电系统也即将开展建设。,传统的直流输电系统-晶闸管换流器,33,超高压直接光控晶闸管换流阀,向家坝-上海特高压800kV直流示范工程换流阀,广东肇庆500kV直流换流站换流阀,上海20MW，30kV柔性直流输电换流阀,宁东山东660kV超高压直流输电换流阀,6英寸、8500伏、4000安培（长期运行能力4500安培）大功率晶閘管器件,VSC-HVDCHVDC_Plus SeimensHVDC_LightABB,中国已经成为直流输电大国 电压最高、容量最大、数量最多,35,柔性直流输电系统,36,1990年，加拿大McGill大学的Boon-Teck Ooi等首次提出使用PWM技术控制的VSC(Voltage Source Converter)进行直流输电的概念。1997年，ABB公司在瑞典中部的Hallsjon和Grangesberg之间建成首条的工业试验工程。从此柔性直流输电系统作为一种新兴的输电技术开始进入大发展的商业应用阶段。,Prof.Boon-Teck Ooi Ph.D.(McGill)McGill University,柔性直流输电系统 以全控功率器件为标志,37,ABB公司称之为轻型直流输电（HVDC Light）并作为商标注册；Siemens公司将其注册为新型直流HVDCPLUS；国际上电力方面的权威学术组织CIGRE和IEEE将其正式称为VSC-HVDC(Voltage Source Converter based HVDC)，即“电压源换流器型高压直流输电”。国内很多专家称之为“柔性直流（HVDC-Flexible）”。,柔性直流输电系统,38,柔性直流输电系统-将取代传统直流输电（晶闸管阀换流器）,截止到目前，世界上已投运VSC-HVDC工程22项电压等级最高320 kV，容量最大1000MW（已投运）中国上海南汇风电场VSC-HVDC输电工程已建成舟山多端VSC-HVDC工程和南方电网多端VSC-HVDC工程已建成，厦门VSC-HVDC工程(1000MW,320 kV)、云南广西VSC-HVDC异步联网工程(320 kV/1000MW VSC-HVDC,500 kV/1000MW HVDC 并联BACK-TO-BACK运行)已开建,世界已投运22项,我国已投运22项,在相当长时间内，以晶闸管换相换流器构成的高电压大功率直流输电为骨干，以电压源型换流器构成的中小功率直流输电为辅的局面仍将持续。LCC-HVDC(Line Commutated Converter based HVDC),39,40,直流输电需求的发展推动大功率器件的制作，而新型功率器件的出现改变换流拓扑及工作原理，改变直流输电的应用,41,42,43,衢山岛,嵊泗岛,岱山岛,舟山岛,芦潮港,洋山岛,浙江舟山5端直流输电系统,作用：多端VSC-HVDC的示范工程 风电并网 孤岛供电,系统参数：直流电压200 kV，5端容量最大为400MW,光伏发电,风力发电,能量控制,负载接入,新能源电力变换和电能质量实验室,45,我国电网现状特点,绪论,我国电网的发展现状与特点大容量、长距离、高电压、强耦合、强影响,随着工业生产的持续发展和国民经济的稳步增长，面对能源赋存和需求的逆向分布格局，当前和今后一段时间我国电网发展有以下特点：1）集中式大型机组群协调运行水平成熟2）远距离、大功率、交直流混合输电及区域性互联电网已经形成3）规模化可再生新能源发电迅速增长（分布式电源也开始引起关注）4）柔性化输电模式快速发展，多种类型FACTS装置增强了系统的可控性5）各种功率特性的电力变换装置大量应用，强化了系统的非线性特性6）大容量电网储能技术已开展研究 但是，日益复杂的人造巨大系统的安全稳定、优质高效运行问题变得更加突出，系统的可靠性、稳定性，可控性问题也越来越困难，电力科技工作者面临着前所未有的机遇与挑战。,46,华北电网,南方电网,台湾,陕北煤电,华中电网,济南,徐州,雅龙江梯级,南阳,上海,华东电网,荆门,恩施,乐山,蒙西煤电,唐山,青岛,南京,沿海核电,连云港,沿海核电,重庆,沿海核电,温州,西北电网,准东,吐鲁番变,乌北变,玛纳斯,呼盟,高岭背靠背,泉州,赣州,海南,新疆分区电网,西藏地方电网,川渝电网,三峡/葛洲坝,晋东南煤电,灵宝背靠背,昆西北,罗平,天生桥,安顺,平果,贺州,金安桥水电,茂名,江门,北郊,广州,深圳,博罗,罗洞,沿海核电,图 例,500千伏以上交流,500千伏直流,800千伏直流,1100千伏直流,660千伏直流,400千伏直流,47,东北电网,蒙东煤电,5端HVDC,VSC-HVDC,多馈入交直流混合输电的相互作用与影响是 新能源电力系统中需要解决的关键问题,日益复杂的人造巨大系统的安全稳定、可靠 运行面临着重大挑战,我国电网的发展现状与特点,48,计划2015年至2020年，国家电网将逐步形成 两纵两横、“五纵五横”的1000kV特高压交流同步网架结构，以及20多条800kV及以上的特高压直流输电骨干通道，联接“三北”的各大型煤电基地、水电基地、核电基地、可再生能源基地和以“三华”（华东-华中-华北）电网为主要受端的负荷中心，逐步建成交直流混合输电、各级电网协调发展、清洁安全、稳定可靠的网络平台。,学习高压直流输电系统的必要性,49,我国交直流电网具有大容量、长距离、高电压、强耦合、强影响的特点；规模化新能源的接入与消纳加剧了电源与电网、网与网之间的相互依赖和相互影响作用；随着特高压超大容量直流输送馈入点的增多，给系统带了安全稳定问题。新型柔性直流输电为电网的安全稳定运行提供了新的手段。,高压直流输电符合国家重大发展需求，为我们提供了很好的发展机遇,