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高压直流输电优点原理及现状前景
时间:2011-12-28 点击:3830 次
高压直流输电优点原理及现状前景
   摘要:高压直流输电作为目前电力电子技术在电力系统中应用最为全面、最为复杂的系统,已成为一门关于电力电子技术应用的专门学科。本文将从其概念,特点,主要构成,在我国的应用现状及其发展前景等方面作简单的介绍,。
  关键词:高压直流输电,概念,特点(优缺点),应用场合,主要设备,现状,前景
  1高压直流输电简介
  1.1高压直流输电的概念
  高压直流输电(High Voltage Direction Current , HVDC)是电力电子技术应用中最为重要、最为传统,也是发展最为活跃同时也较为成熟的技术。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。从结构上看,高压直流输电是交流-直流-交流形式的电力电子转换电路。高压直流输电的主要设备是两个换流站和直流输电线。 两个换流站分别与两端的交流系统相连接。
  关于高压直流输电的主要设备将在1.3 高压直流输电的主要设备 中作较为详细的介绍。
  1.2高压直流输电的特点(优缺点)及其应用场合
  直流输电由于自身的结构及性能,具有以下特点:
  1)经济性
  高压直流输电的合理性和适用性在远距离大容量输电中已得到明显的表现。由于直流输电线路的造价和运行费用比交流输电低,而换流站的造价和运行费用均比交流变电所要高。因此对于同样输电容量,输送距离越远,直流比交流的经济型越好。如下图可以看出当输电距离大于等价距离时,直流输电的经济性优势便可以体现出来,并且输电距离越远其经济性越好。在实际应用中,对于架空线路此等价距离为600~700km,电缆线路等价距离则可以降低至20~40km。
  另一方面,直流输电系统的结构使得其工程可以按照电压等级或级数分阶段投资建设。这也同样体现了高压直流输电经济性方面的特点。
  2)互联性
  交流输电能力受到同步发电机间功角稳定问题的限制,且随着输电距离的增大,同步机间的联系电抗增大,稳定问题更为突出,交流输电能力受到更大的限制。相比之下,直流输电不存在功角稳定问题,可在设备容量及受段交流系统允许的范围内,大量输送电力。
  交流系统联网的扩展,会造成短路容量的增大,许多场合不得不更换断路器,而选择合适的断路器又十分困难。而采用直流对交流系统进行互联时,不会造成短路容量的增加,也有利于防止交流系统的故障进一步扩大。因此对于已经存在的庞大交流系统,通过分割成相对独立的子系统,采用高压直流互连,可有效减少短路容量,提高系统运行的可靠性。
  直流输电所连的两侧电网无须同步运行,原因是直流输电不存在传输无功问题,两侧的系统之间没有无功的交换,也不存在交流系统中频率的问题。由于直流输电的这个特性,它可以实现电网的非同步互连。进而也可实现不同频率交流电网的互连,起到频率变换器的作用。
  3)控制性
  直流输电另一个重要特点是潮流快速可控,可由于锁链交流系统的稳定与频率控制。直流输电的换流器为基于电力电子器件构成的电能控制电路,因此其对电力潮流的控制迅速而精确。且对于双端直流输电而言,可迅速实现潮流的反转。潮流反转有正常运行中所需要的慢速潮流反转和交流系统发生故障需要紧急功率支援时的快速潮流反转。其迅速的潮流控制对于所连交流系统的稳定控制,交流系统正常运行过程中应对负荷随机波动的频率控制及故障状态下的频率变动控制都能发挥重要作用。
  4)缺点
  当然,直流输电也存在一系列的缺点。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、可靠性也差。换流站的工作过程中会产生大量谐波,处理不当而流入交流系统的谐波就会对交流电网的运行造成一系列问题。因此必须通过设置大量、成组的滤波器消除这些滤波。其次传统的电网换相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50%—60%。需要大量的无功功率补偿设备及其相应的控制策略。另外,直流输电的接地极问题、直流断路器问题,都还存在一些没有很好解决的技术难点。
  当受端交流系统的短路容量与直流输送容量之比小于2时,称为弱受端系统,这时为了控制受端电压的稳定性,保证直流输送的可靠运行,通常要增设调相机、静止无功功率补偿器或静止无功发生器,且应实现HVDC与这些补偿设备的协调控制。
  由于上述直流输电自身的一系列的特点,使得直流输电有其适用的领域,接下来论述这些适于高压直流输电应用的领域。
  1)海底电缆输电 从世界范围来看,直流输电工程的约三分之一为海底电缆送电。
  2)长距离架空线输电 有研究工作表明,对于输送10GW、300km的电力,直流架空线路输送已开始占有优势,依据这一分析报告,适用直流架空线路的输电容量将占到全球总输电容量的26%以上。
  BTB方式 BTB方式工程约占全世界直流工程的40%,主要用于在不增加交流电网短路容量的情况下,实现功率的融通和紧急功率支援。其以应用可分为交流系统互联或不同频率交流系统互联。如我国的灵宝工程(一般交流系统互联),日本国内工程(不同频率交流系统互联)。
  4)短路容量对策 世界范围内,随着电力负荷的增加,电源及电网建设不断扩充,交流电网的规模越来越大。在这种情况下,短路故障发生的故障电流越来越大,直流输电作为限制短路电流的对策获得极大的关注。
  ①负荷供电:都市负荷集中地区供电,有时必须采用地下电缆送电。这种情况下,要求设备占空间小,短路电流过大时,断路器的选择就有困难,这时采用直流输电就表现出一定的优势。采用器件换相的轻型直流输电就更显示出直流输电的这一优点。
  ②系统分割:将已有的大规模交流系统分割为若干相对较小的独立运行的小系统,系统之间采用BTB等直流方法互联,可有效减少故障短路电流。这方面的工程实例还没有,但日本学者对日本的关西、中国、九州、四国的串行系统进行的研究表明,若通过在关西与中国、中国与九州、九州与四国、四国与关西间采用直流方式连接,将可大大抑制短路电流,并实现小系统向大系统的输电。
  1.3高压直流输电的主要设备
  高压直流输电系统的基本工作原理是通过换流装置,将交流电转变为直流电,将直流电传送到受端,再由受端换流装置将直流电转变变为交流电送入受端交流系统。整个过程中换流装置是最重要的电器一次设备。为了满足直流输电中系统的安全稳定及电能质量的要求还需要其他一些设备,如:换流变压器、平波电抗器、无功补偿装置,滤波器、直流接地极、交直流开关设备,直流输电线路等一次设备以及控制与保护装置、远程通信系统等二次设备。下面就高压直流输电的主要设备作以简单介绍。
  换流装置 构成换流装置的基本器件是各种电力电子器件。其中应用最为多的是晶闸管。由几十到数百个晶闸管器件串联可构成一个晶闸管换流阀。换流器一般由6或12个桥臂(换流阀)构成,因此一个直流输电工程所需晶闸管的数量巨大,一般在数千只以上。
  换流装置是直流输电工程中最重要的装置。
  2)换流变压器 换流变压器也是直流输电工程中的主要设备之一,它不仅参与了换流器的交流电与直流电的相互转变,而且承担着改变交流电压数值、抑制直流短路电流的作用。此外还可以削弱交流系统侵入直流系统的过电压,减少换流器注入交流系统的谐波,同时实现交、直流系统的电器隔离。
  3)无功补偿设备 在直流输电系统中换流器所需的无功功率只能采取无功就地补偿原则。在换流站中加装足够容量的无功补偿装置。常见的无功补偿装置有:机械投切式无功补偿装置,静止无功补偿装置同步调相机等。
  4)滤波器 滤波器按照其在直流输电中的用途可分为交流滤波器和直流滤波器,分别接在交、直流母线上,抑制换流器产生的谐波注入交流系统或直流线路。按照其连接方式还可分为串联滤波器、并联滤波器。按电源特性分为有源滤波器和无源滤波器。
  5)直流输电线路 直流输电线路是指直流正极、负极传输导线、金属返回线以及直流接地极引线,其作用是为整流站向逆变站传送直流电流后直流功率提供通路。
  2高压直流输电在我国的应用现状
  我国从上世纪50年代开始从事高压直流输电的研究,并于60年代在中国电力科学研究院建成国内第一个晶闸管阀模拟装置,并于1977年在上海将一条交流电缆线路改为31kV的直流输电试验线路,用以研究高压直流输电。
  尤其是自上世纪80年代末以来我国的高压直流输电研究及发展取得了突飞猛进的提高,目前已投运10个直流输电工程。
为实现我国的“西电东送”战略规划,我国正在积极推进包括±660kV、±800kV、±1000kV特高压直流输电工程的建设。2009年12月28日,世界首个±800千伏特高压直流输电工程———云南至广东特高压直流输电工程成功实现单极投产。这标志着我国电力技术、装备制造达到国际先进水平,在世界输变电领域占领了新的制高点。
  3直流输电发展前景
  3.1轻型直流输电
  传统高压直流输电虽是一门成熟的技术,但在与交流输电的竞争中在某些方面处于不利地位。其应用范围还很局限。
  随着IGBT及GTO晶闸管等全控器件的快速发展,基于器件换相的电压源换流器和电流源换流器得到开发和研究。基于电压源换流器的轻型直流输电已经开始应用于实际工程。
  轻型直流输电不设换流变压器、直流滤波器、平波电抗器、无功功率补设备以及简化了交流滤波器,同时也不需要快速通信设备。它对于电压低于±150kV、容量不超过200MW的输电具有经济上的优越性,他将可能在许多应用领域发挥极大的作用。
  3.2特高压直流输电
  2009年12月28日,世界首个±800千伏特高压直流输电工程———云南至广东特高压直流输电工程成功实现单极投产。研究表明,发展±800kV特高压直流输电技术,实施更大容量、更远距离、更低损耗的电力输送,符合科学发展观要求,符合我国的国情。符合资源节约和优化配置的需要。在未来15年间,围绕大型水电和煤电基地的开发,以及与俄罗斯、中亚国家的能源合作,中国的特高压直流输电线路预计将达到10~15条。
  参考文献
  [1]《高压直流输电原理》 机械工业出版社韩民晓 文俊 徐永海
  [2]《高压直流输电系统》 科学出版社李兴源
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