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1、第六章 远距离大容量输电,刘轩东 西安交通大学高电压技术教研室,6.1 电力系统的稳定性分析电力系统的静态稳定电力系统的暂态稳定 6.2 直流输电和柔性交流输电高压直流输电（HVDC）柔性交流输电（FACTS）,概述,远距离大容量输电的必然性（资源分布不均匀）煤炭资源主要集中在华北和西北地区水力资源主要集中在西南地区东南地区负荷较为集中 输电方式的研究现状特/超高压交流输电特/超高压直流输电其他输电方式：半波输电、紧凑型交流输电、柔性交流输电、分频输电等。,概述,线路传输容量的制约因素 热极限：功率损耗导致过度发热造成弧垂无法恢复性延展或接头融化 电压约束：为保持线路的电压降在允许范围内，必须
2、限制线路上流过的功率 稳定性约束：维持线路两端的电力系统同步运行，有静态稳定和暂态稳定约束 稳定的概念：电力系统在遭受外部扰动下发电机之间维持同步运行的能力。 交、直流输电线路的约束条件： 交流短线受热极限限制，交流长线受稳定性约束 直流输电受热极限限制,概述,电力系统的稳定性问题 发电机之间失去同步，造成发电机转子之间角度的单调增加或增幅振荡，由于发电机的转子角度习惯上称为功角，因此这类稳定性问题长被称为功角稳定性； 系统中某些节点电压的持续降低，以致使负荷重的感应电动机堵转或引起其他保护装置的动作，这类稳定性问题称为电压稳定性,概述,功角稳定性分类 小干扰稳定：又称为电力系统静态稳定性，它
3、实质上是要求系统的给定平衡点（即给定的稳态运行方式）遭受小扰动后能够保持渐近稳定性；在各种稳态运行条件下，为了适应负荷和其他因素的随机变化，要求系统具有一定的小干扰稳定性裕度； 暂态稳定：系统突然收到较大的扰动（投切大用户或主要元件、发生短路故障）后，各同步机保持同步运行并过渡到新的或者恢复原来稳态运行方式的能力； 动态稳定：系统受到大、小干扰后，在自动调节和控制装置的作用下，保持长过程的运行稳定性的能力。,输电线路的自然功率和电压分布,不考虑输电线路损耗时，输电线路的可用以下方程表示：,若线路终端的负荷阻抗和线路的波阻抗相等，则线路上各点的电压幅值相等，电流幅值也相等，且电压与电流时同相位的
4、。这表明，单位长度线路上电感所消耗的无功功率恰好等于其电容所产生的无功功率，线路本身不需要从系统吸取，也不向系统提供无功功率，线路上没有电压损失。,当线路输送功率大于自然功率，若首端电压恒定，此时单位长度电感所消耗的无功大于电容产生的无功，线路出现无功不足，由首端至末端电压不断下降，电流相量滞后于电压相量。,当线路输送功率小于自然功率时，情况相反，首端至末端电压不断升高。,在符合阻抗和线路波阻抗相等情况下，如果线路在额定电压下运行，则此时线路输送功率为线路的自然功率。,输电线路的自然功率和电压分布,当线路输送功率小于自然功率，线路末端电压升高将对电力系统本身的设备及用户设备安全构成危害，特别是
5、当线路空载时，末端电压上升更多，必须采取措施加以限制。 自然功率是反映线路传输能力的重要指标，对于长距离线路的传输功率为1.11.2Pn比较好，对于距离小于100km的短距离线路，输送能力可以高达45Pn，主要受热极限限制。 分裂导线能够提高自然功率：单根导线自然功率：100%两分裂导线自然功率：125%三分裂导线自然功率：140%四分裂导线自然功率：150%,输电线路传输功率极限,输电线路传送功率与自然功率，线路长度和两端电压相角差的关系：,这表明，当线路长度一定时，最大可能传输功率出现在12=/2时，显然P1或者P2总是大于Pn的。,左图反映了实际电力系统中，各电压等级的输电线路的实际输送
6、能力与线路长度的关系。 随着线路长度的增加，线路允许的输送功率迅速下降。,电力系统的小干扰稳定,首先通过一个简单的单机无穷大系统说明基本概念 单机无穷大系统：受端系统的容量比送端发电机的容量大的多，以致在发电机输送任何功率的情况下，受端电压U的大小和相位均为恒定。,若认为发电机的空载电势Eq恒定，则发电机的功率特性是一条正弦曲线。,对于a点，若系统出现微小扰动，使得功角a增加一个微小增量，发电机的输出电磁功率达到a，但由于原动机机械功率保持不变，因此，发电机输出电磁功率大于原动机机械功率，发电机转子将减速，随之减小，经过一系列振荡以后，回到a点。 若扰动后，增量为负，情况与上述相反，但最终仍然
7、能够回到a点的稳定状态。,在b的时候，如果小扰动使b出现一个增量b，则发电机输出的电磁功率将减小到b点，小于机械功率，这时过剩的转矩将使进一步增大，与之相应的电磁功率又将进一步减小，如果这样继续下去，的不断增大标志着发电机与无限大系统非周期性地失去同步，系统中电流、电压和功率大幅度地波动，系统无法正常工作，最终导致系统瓦解 若小扰动带来负的增量b，这时电磁功率增加到b，大于机械功率，转子将减速，随之减小，当减小到a点后，又开始加速，经过一段时间的振荡，最终稳定在a点。,b点是不稳定的，系统无法维持在b点运行,a点：,b点：,稳定,不稳定,小干扰极限,小干扰稳定的临界角度,结论：,系统小干扰稳定
8、,临界状态,系统不稳定,几点说明,1、上述结论仅适用于简单电力系统； 2、功率极限和稳定极限是不同的两个概念，对于简单无励磁调节的电力系统，两者可是为相等 3、多级系统的静态稳定性是不能简单用功率稳定判据给予判定的。,提高小干扰稳定的措施,1、采用自动励磁调节器，提高功率极限，扩大稳定运行范围； 2、提高电压等级功率输送极限与电压平方成正比，故提高电压等级可以大幅度提高功率极限 可以等值地看做是减小线路电抗 提高线路电压势必要加强线路绝缘，加大杆塔尺寸并增加变电所投资。因此，一定的输送功率和输送距离对应一个经济上合理的线路额定电压等级。,提高小干扰稳定的措施,3、减小线路电抗；采用分裂导线 采
9、用串联电容补偿 4、改变网络结构；增加输电线路回数采用中间补偿装置（并联电容补偿和静止补偿装置） 5、改善原动机调节性能。,电力系统的暂态稳定,暂态稳定概念 系统在某个运行情况下突然收到较大的扰动之后，能否经过暂态过程达到新的稳态运行状态或回到原来的状态。 引起电力系统大扰动的原因 负荷突然变化，如投入和切除大容量用户 投切主要元件，如发电机、变压器和线路等 系统中发生短路故障,电力系统的暂态稳定,大干扰下，系统的结构发生变化，发电机的输出功率便哈，在发电机转轴上产生了不平衡转矩，导致发电机的转子加速或者减速。 各发电机的转动惯量不同，各机组转速变化也不同。各发电机之间将产生相对运动，转子间的
10、相对角度发生变化。转子间的相对角度变化又反过来影响发电机的输出功率，从而功率不平衡加剧。 这种变化互相联系、互相影响，形成了以发电机转子机械运动和电磁功率变化为主体的机电暂态过程。,电力系统的暂态稳定,大干扰下将有两种结果,发电机转子间的相对角度逐渐减小，过渡新的平衡点，系统稳定发电机转子间的相对角度不断增大，发电机失稳，系统不稳定,对于电力系统的暂态稳定性问题，仍用无穷大系统来进行分析,暂态故障及其等值电路,正常情况,故障情况,故障切除后,电力系统的暂态稳定,加速面积：转子角度从起始角度0增大至故障切除瞬间所对应的角度c过程中发电机转子增加的动能，即abcd所围成的面积：,减速面积：故障切除
11、后，转子在制动过程中动能的减少等于制动转矩所做的功，即defg所围成的面积：,电力系统的暂态稳定,电力系统的暂态稳定,等面积原则：加速过程中所获得的等能在减速过程全部释放完，使转子在某一点又重新回到同步转速，即加速面积等于减速面积：,极限情况为在h点刚好达到同步转速，因此极限切除角可以推导出：,电力系统的面积定则,（简单判定电力系统暂态稳定的基本准则）加速面积SabcdSdefg,系统保持暂态稳定,系统保持暂态稳定,系统不能保持暂态稳定,说明：该定则仅适用于简单电力系统；对于多机系统，该原则不是用，通常用相对功角 的变化趋势予以判定。,提高系统暂态稳定的措施,关键在于尽量减少加速面积，增加减速
12、面积 1、快速切除故障减少故障切除时间，目前短路后0.06s可切除线路，保护0.02s，开关动作0.04s 2、采用自动重合闸装置重合闸成功增加了减速面积，从而提高系统的稳定性 3、强行励磁装置发电机强行励磁装置在系统故障后，增大励磁电流，减少电势的衰减，提高暂态稳定性,提高系统暂态稳定的措施,关键在于尽量减少加速面积，增加减速面积 4、控制原动机输出机械功率快关气门连锁切机：在切除故障的同时，连锁切除送端发电厂中的一、二台发电机 5、电气制动发电机定子并三相电阻变压器中性点小电阻接地变压器中性点小电抗接地,消耗发电机有功功率，减小功率差额,限制短路电流,直流输电,高压直流输电,换流站：可控硅
13、阀系统特点：稳定性好，控制灵活，短路电流小，联络两个频率不同的交流系统,一、直流输电的接线方式:,单极线-地直流输电,单极两线直流输电,双极直流输电,1.单极线-地直流输电,特点:,结构简单，经济,地电流对地下埋设设备的金属物腐蚀严重,对交流系统的影响,换流站与直流线路的连接端点,阳极(铁),阴极,不腐蚀阴极,2.单极两线直流输电,无大地回流,3.双极直流输电,（一）经济上 线路 两端设备 架空线路500km，电缆线路50km时采用直流输电具有更高的经济性 （二）技术上 接线方式 电容电流 可靠性和灵活性 稳定性 潮流的调节 短路电流 联络线,高压直流输电与高压交流输电的比较,三相交流,输送功
14、率:（架空线路）,双极直流,导体允许通过的交流电流有效值,当,时,直流对地电压,导体允许通过的电流,功率损耗:,输送功率相同时,直流功率损耗为交流输电功率损耗的2/3倍,双极直流,三相交流,结论,1.当输送功率相同时,其线路造价低（建设费用）,线路：2根,架空线路杆塔结构较简单,线路走廊较窄,2. 当输送功率相同时,其功率损耗小（运行费用）,3.电缆,两端设备,换流器 滤波器 无功补偿设备 换流站造价高,交直流等价输电距离 500km,优点,1.当输送功率相同时,其线路造价低,3.两端交流电力系统不需要同步运行,输电距离不受电力系统同步运行稳定性的限制,4.直流线路的电压、电流、功率的调节比较
15、容易和迅速,2. 当输送功率相同时,其功率损耗小,二、直流输电的优缺点及适用场合,5.可以实现不同频率或相同频率交流系统之间的非同步联系,6.直流输电线路在稳态运行时没有电容电流,沿线电压分布平稳,线路电压降较小（仅电阻性压降）,线路部分不需要无功补偿装置,.每个极可以作为一个独立回路运行，便于检修，分期投资和建设,谐波 消耗无功 换流站造价高 高压直流断路器 大地回流造成的腐蚀及对交流系统的影响 闭锁,缺点,直流输电的主要用途,1. 远距离大功率输电,2. 海底电缆送电,3. 不同频率或相同额定频率非同步运行的交流系统之间的联络,4. 用地下电缆向用电密度高的城市供电,直流输电系统的原理接线
16、图（双极）,换流器 换流阀 阀 阀臂,二、换流站的工作原理,换流站,把三相交流电变换成直流电的换流站,逆变站：,把直流线路送来的直流电变换成交流电的换流站,整流站：,特点,只输送有功功率，不输送无功功率,换流阀在运行时，它对交流、直流系统两侧都将产生谐波,在换流站两侧均必须采用滤除谐波的措施,1.换流站的组成,换流变压器,换流器,平波电抗器,可控硅导通条件,1. 阀承受正向电压,2.控制极得到触发脉冲信号,1.阀承受反向电压,2.电流过零,可控硅导通后关断条件,换流器的原理接线图,2.换流站的工作原理,三相桥式整流电路,(1)整流工作状态,假设,1）三相电源对称,2）平波电抗很大，负载电流Id无纹波,3）可控硅阀K1K6为理想状态,Ls = 0,导通时压降为零，关断后阻抗 为无穷大,控制角：可控硅承受正向电压起到加触发脉冲使其道通的瞬间所对应的电角度,换相：从一个可控硅导通变换为另一个可控硅导通的过程,K6K1导通,K6断开,K2开通,K1K2导通,
