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1、直流输电工程概述特点及应用 1.1 直流输电工程概述直流输电工程是以直流电的型式来传送电能的一种工程。将发电厂里发出的交流电，经过整流器变成直流电传输，再经逆变器将直流电变换为交流电送至受端交流电网。主要应用于远距离大功率的输电，非同步交流系统的联网，网络互联、区域系统联络，海底电缆等，以其线路投资少、损耗小，无电容电流、无电抗压降，线路不需无功补偿，不存在交流输电的稳定问题，运行可靠等优点取胜。然而，直流输电也存在着一些缺点:换流设备比较昂贵，消耗的无功功率多，缺乏直流开关，产生谐波影响等。在我国，已有许多成熟的工程：舟山直流输电工程，我国的第一项直流输电工程；葛洲坝到上海500kV直流输电
2、工程；三峡到常州500kV直流输电工程；向家坝到上海800kV直流输电工程；云南到广州800kV直流输电工程等。直流输电工程按照换流站数量来分类，可以分为两端直流输电和多端直流输电，目前世界上已运行的直流输电工程多数都是两端直流输电系统；按照线路长度分类，可以分为长距离直流输电和背靠背直流输电；按照电压等级分类，可以分为高压直流输电和特高压直流输电；按照工程的性质来分类，可以分为远距离大容量直流架空线路工程、背靠背直流联网工程、跨海峡直流海底电缆工程、向大城市送电的直流地下电缆工程、向孤立负荷点送电或从孤立电站向电网送电的直流工程以及与交流输电并联的直流输电工程。高压直流输电(HVDC)是指6
3、00kV及以下电压等级的直流输电技术。在我国，特高压直流输电指的是500kV。利用了稳定的直流电具有无感抗，容抗也不起作用，无同步问题等优点而采用的大功率远距离直流输电。 特高压直流输电(UHVDC)是指600kV以上电压等级的直流输电技术。在我国，高压直流输电指的是800kV。主要特点是输送容量大、输电距离远，电压高，可用于电力系统非同步联网，是实现我国能源资源优化配置的有效途径。一般采用高可靠性的双极两端中性点接线方式。 直流输电系统原理如图1-1图1-1 两端直流输电系统构成原理图1换流变压器；2换流器；3平波电抗器；4交流滤波器；5直流滤波器；6控制保护系统；7接地极引线；8接地极；9
4、-远东通信系统1.2.1 直流输电的优点 (1)直流输电架空线路仅需正负两极导线，所以杆塔结构简单、线路造价低、损耗小；直流输电所需要的线路走廊较窄；与交流输电相比，输送同样功率，直流架空线路可节省约1/3的钢芯铝绞线，1/32/3的钢材，线路造价为交流输电的2/3；同时，当线路在直流电压作用下，不存在电容电流，线路沿线的电压分布均匀，不需安装并联电抗器1。 (2)直流输电线路输电容量大、造价低、损耗小、寿命长、不易老化且输电距离不受限制。对于同样绝缘厚度和芯线截面的电缆，用于交流输电比用于直流输电的输电容量要大的多，因为电缆耐受直流电压的能力比耐受交流电压的能力约高3倍以上。直流电缆线路只需
5、一根或两根电缆，而交流电缆线路则需要三相三根电缆。直流电缆不存在电容电流，其输送距离将不受限制，有利于进行远距离电缆送电。直流电缆的损耗主要有电阻损耗，而交流电缆中除电阻损耗外，还有绝缘中的介质损耗和铅皮及铠装中的磁感应损耗，因此直流电缆线路的造价要比交流电缆线路低得多。 (3)直流输电不存在交流输电的稳定问题 ，有利于远距离大容量送电。在直流输电系统中，整流站和逆变站隔离，不需要进行同步运行，因此也不存在同步运行的稳定问题，输电距离和输电容量不受影响，对远距离和大容量输电及其有利。 (4)采用直流输电实现电力系统的非同步联网，被连电网可以使额定频率不同的电网，也可以是非同步运行的电网。非同步
6、并联可以不增加被连电网的短路容量，相应的不需要更换断路器和要求电缆采取限流措施。 (5)直流输送的有功功率和换流站消耗的无功功率均可由控制系统进行控制，利用这种快速可控性来改善交流系统的运行性能，可以提高交流系统的频率和电压的稳定性，提高电网运行和电能质量的可靠性。 (6)直流电压作用下，只有电阻会起作用，而电容和电感均不会作用。直流输电采用大地为回路，可以很好的利用这个两导体，使直流电流向电阻率很低的大地深层流去，即省去以及的导线，损耗小，又会降低运费。在双极直流输电系统中，大地回路通常作为备用导线，使双极系统相当于两个单极系统来运行。一极发生故障，可马上转变为单极运行，很大程度的提高了输电
7、系统的运行可靠性。 (7)直流系统可以方便的进行分期建设和增容扩建，有利于发挥投资效益。 (8)直流输电输送的有功及两端换流站消耗的无功都可以采用手动和或自动的方式进行快速控制，有利于进行电网的经济运行和现代化管理。1.2.2 直流输电的缺点晶闸管换流器在进行换流时需要消耗大量的无功功率。每一个站都需要设置专门的无功补偿装置。当交流滤波器所提供的无功功率不能满足无功补偿的要求时，还需另外装设静电电容器;当换流站接于弱交流系统时，为改善换相条件和提高系统动态电压的稳定性，还需装设静止无功补偿装置或同步调相机。可采用新型可关断半导体器件或电容换相换流器，来解决因此产生的费用增加。对交流侧来说，换流
8、器除了可以看作是一个负荷(整流站)或电源(逆变站)外，它还是一个谐波电流源。它畸变交流电压、电流形。向交流系统发出一系列的高次谐波电流，为了减少流入交流系统的谐波电流，需装设交流滤波器，以保证换流站交流母线电压的畸变率在允许的范围内。对直流侧来说，换流器除了可以看作是一个电源(整流站)或负荷(逆变站)外，它还是一个谐波电压源。它畸变直流电压、电流波形，向直流侧发出一系列的谐波电压，进而在线路上产生谐波电流，需装设在直流侧必须装设平波电抗器和直流滤波器以保证直流线路上的谐波电流在允许的范围内2。这同样要增加换流站的投资和运行费用。当采用新型的高频可关断半导体器件(如IGBT、IGCT、碳化硅元件
9、等)和脉宽调制(PWM)技术进行换流时，换流器产生的谐波将大幅度降低，滤波系统则可相应的简化。 直流输电利用大地(或海水)为回路而带来的一些技术问题，比如接地极附近地下(或海水中)的直流电流对金属构件管道、电缆等埋设物的腐蚀问题;地中直流电流通过中性点接地变压器使变压器饱和所引起的问题;对通信系统和航海磁性罗盘的干扰等。直流输电换流站比交流变电所的设备多、结构复杂、造价高、损耗大、运行费用高、可靠性较差。通常交流变电所的主要设备是变压器和断路器，而直流换流站除换流变压器和相应的断路器外，还有换流阀、平波电抗器、交、直流滤波器、无功补偿设备以及各种类型的交、直流避雷器等。因此换流站的造价比同样规
10、模的交流变电所的造价高出数倍3。由于设备多，换流站的损耗和运行费用也相应增加，同时换流站的运行和维护比较复杂、对运行人员的要求较高。1.3 直流输电的应用 在电流系统中，直流输电还只是交流输电的补充。随着直流输电技术的发展，其应用范围将不断扩大。目前，直流输电的应用主要有以下几个方面： (1)远距离大容量输电。对于直流输电线路来说，其造价和运费均比交流输电要低，但是换流站的造价和运费却要比交流换流站的运费高出很多。因此，对同样的输电容量，输送距离越远，直流比交流的经济性能好越好。 (2)电力系统互联。电网互联有利于资源的优化配置及应用，因此，电网互联必然是电力系统发展的趋势和走向。而传统的交流
11、输电联网，尽管取得了联网效益，但对于稳定性、短路容量增大等也是电网的大问题，而直流输电却能克服。 (3)直流电缆送电。对于直流电缆来说，它是没有电容电流的，输电容量不会受到距离限制。因此，远距离大容量跨海峡的海底电缆送电大部分均采用直流电缆，损耗小、造价低，输送容量大。 (4)现有交流输电线路的增容改造。直流输电的输电密度比交流输电高，改造现有的交流输电线路为直流输电线路是利用已有的线路走廊，提高输电能力值得考虑的办法。 (5)轻型直流输电(HDTV light)轻型直流输电是20世纪90年代开始发展的一种新型直流输电工程。主要应用于向孤立的远方小负荷区供电、小型水电站或风力发电站与主干电网的
12、连接。小型背靠背换流站以及输送功率较小的配电网。该换流器的控制性能好，在配电网中有较好的竞争力。1.4 哈密南郑州直流输电工程简介新疆哈密南至郑州800kV特高压直流工程起自新疆哈密南部能源基地，止于河南郑州，途经新疆、甘肃、宁夏、陕西、山西、河南6个省(区)，线路全长2210km，工程额定电压800kV，额定电流5000A，额定输送功率8000MW，工程投资233.9亿元。计划于2012年5月开工建设，2013年9月30日实现低端双极投运，2014年实现全面投运。工程建成后，将充分发挥特高压直流输电距离长，经济性好优势，每年可向河南提供超过400亿kwh的电量，相当于输送2000多万吨的标准
13、煤，可减少排放SO231.7万吨、氮氧化物26.7万吨，既能有效缓解空气污染压力，节省大量土地资源，带来巨大环境保护效益，又对推动中部崛起、中原经济区建设具有重要意义4。汇总后文主要参数如表1-1整流站逆变站直流功率PdNMW80007471.855直流电流IdNA5000直流电压UdNkV800747.1855触发角deg15关断角deg17短路阻抗ukpu0.20.2相对感性压降dxnpu0.1020.102相对阻性压降drnpu0.0030.003空载电压 Udi0NkV232.6565219.776变压器容量（6脉动换流器）SNMVA1218.18661150.7445变压器二次侧电压
14、UvNkV172.3881162.7970变压器一次侧电压UackV530515换流器阀组的无功功率QacMvar4522.32214426.7721表1-1 哈郑工程主要参数1.5 换流站主要设备在高压直流输电系统中，换流站是最为重要关键的环节，是直流电转换为交流电或者交流电转换为直流电的实现环节。换流站主接线的选择对于直流输电工程的运行可靠性和经济性都具有着重要的意义。换流站的主要设施有：换流阀、换流变压器、平波电抗器、交流开关设备、交流滤波器及交流无功补偿装置、直流开关设备、直流滤波器、控制与保护装置、站外接地极以及远程通信设备。直流输电工程的系统结构按照换流站数量可以分为两端换流站系统和多端直流输电系统，目前世界上已经成功运行的直流输电系统大多为两端直流输电系统5，常规的两端直流输电系统构成如图1-2所示。图1.2 换流站主要设备示意图
