高压直流输电系统技术概论

摘要

从高压直流输电系统发展的简要历史观点开始，本文概述了当今世界高压直流输电系统的现状。然后，它回顾了直流输电系统系统的基础技术，并讨论了直流输电系统系统

设计，施工，运行和维护的观点。本文接着讨论了最近高压直流技术的发展。本文还提供了交流系统和直流系统的经济和财务的比较；并简要回顾了高压直流的参考安装系统。本文最后总结了一套简要指南来在当今发展的电力系统中选择直流输电。

在今天的电力行业，鉴于自由化和对环境保护的影响增加，由于以下原因，高压直流解决方案变得更加理想：

• 环境优势
• 经济（最便宜的解决方案）
• 异步互连
• 电力流量控制
• 增加了传输的好处（稳定性，电源质量等）

高压直流传输的发展历史

电力工业的历史已被广泛记载，即首批商用电力是由托马斯·阿尔瓦爱迪生成的直流电力。第一个电力传输系统也是直流系统。但是，低压直流电源不能长距离传输，从而产生了高压交流输电系统。然而，随着高压换流阀的发展，在高电压和远距离下传输直流功率再次成为可能，并由此产生了高压直流输电系统。一些直流输电技术发展的重要里程碑见表1。

当今世界，高压直流系统的安装

自从1954年首次商业化安装以来，已有大量的高压直流输电系统安装在世界各地。图1按区域显示了世界各地不同的高压直流输电系统（文件末尾的图片）。

选择高压直流的理由

在上述项目中选择高压直流有很多不同的原因。在特定项目中的一些原因如下：

• 在巴西伊泰普高压直流被选为向60Hz的系统提供50Hz的功率;并经济性地在远距离上传输大容量的水电。
• 在菲律宾的莱特—吕宋项目中，选择了高压直流来保证通过岛屿互连来供应散货地热能，并提高马尼拉交流输电网络的稳定性。
• 在印度的里亨德—德里项目中，选择直流输电来传输大容量的功率（1500MW）到德里，以确保：最小损失，最小量的正确路径和更好的稳定性和控制。
• 在加拉比，一个从阿根廷转移电能到巴西的独立输电项目，高压直流输电的背靠背系统被选来确保在二十年的电能供应合同下将50HZ的大容量电能供应给60HZ的系统。
• 在瑞典哥德兰，考虑到项目区（考古和旅游区）的环境敏感性，高压直流输电被选来将新开发的风电场连接到维斯比市的主要城市，并提高电能质量。
• 在澳大利亚昆士兰州，高压直流被选为独立输电系统来将两个独立电网（新南威尔士州和昆士兰州）互连，以实现两个系统之间的电力交易（包括电力方向的变化）；确保环境影响很小，缩短施工时间。

有关上述项目的详细信息，请参见其它地方（高压直流输电应用详细信息）。

高压直流输电技术

在直流输电系统中发生的基本过程是在发送端将电流从交流转换为直流（整流器），并在接收端将直流转换为交流（逆变器）。实现转换有三种方式：

• 自换流转换器。自换流转换器在目前的直流输电系统中应用最多。确保换流过程顺利进行的器件是晶闸管，它是一种可以承载非常大的电流，耐受非常高的电压的可控半导体器件。通过串联连接晶闸管，可以建立一个能够在非常高的电压（几百千伏）下工作的晶闸管阀。晶闸管阀以频率（50Hz或60hz）运行，并且通过控制角度，可以改变桥的直流电压电平。这种能力是快速有效地控制发射功率的方式。
• 电容换流变换器。基于可控硅的改进换向时，电容换流变换器概念的特征在于使用在变换器变压器和晶闸管阀之间串联插入的换向电容器。当连接到比较脆弱的网络时，换向电容器可提高转换器的换向故障性能。
• 强迫换流转换器。这种类型的转换器引入了一系列优点，例如无源网络馈电（无发电），有功和无功功率的独立控制，电源质量。这些转换器的阀门由半导体构成，不仅可以开通，而且可以关断。它们被称为电压源转换器。电压源转换器通常使用两种类型的半导体：GTO（门极关断晶闸管）或IGBT（绝缘栅双极型晶体管）。自八十年代初以来，他们都在工业应用中频繁使用。电压源转换器以高频换流。换流器的运行是通过脉冲宽度调制来实现的。使用脉冲宽度调制可以通过改变几乎瞬间完成的PWM模式来创建任何3相角和/或幅度（达到一定限度）。因此，PWM提供了独立控制有功和无功功率的可能性。这使得PWM电压源转换器接近传输网络中的理想组件。从传输网络的角度来看，它作为电机或发电机，无需较大容量即可几乎瞬时控制有功功率和无功功率。

高压直流输电系统的组件

为了协助传输系统的设计者，提出并讨论了构成高压直流系统的组件以及这些组件中可用的选项。高压直流系统的三个主要元件是：发送和接收端的转换站，传输介质和电极。

转换站：每端的转换站是相互复制的，因此包括从交流到的所有必需的设备，反之亦然。 转换站的主要部件有：

晶闸管换流阀：晶闸管换流阀由于应用场合和制造商的不同，可以根据不同的方式来进行组合。然而，最常见的晶闸管换流阀的排列方式是通过三个四重阀构成的十二脉冲组。每个晶闸管阀由一定数量的串联连接的晶闸管及其辅助电路组成。地电位控制设备与高电位晶闸管之间的所有通信均采用光纤。

电压源转换器阀门：电压源转换器由两级或多级转换器，相电抗和交流滤波器组成。转换桥中的每个阀门都是由一定数量串联的IGBT及其辅助电子元件构成。电压源转换器，控制设备和冷却设备被封装起来（比如标准集装箱），这使得运输和安装变得很容易。

所有现代化的高压直流换流阀都是水冷和空气绝缘的。

变压器：转换变压器使交流电压电平适应直流电压电平，有助于换向电抗。通常它们是单相三绕组型，但是根据运输要求和额定功率，它们也可以采用其它方式。

交流滤波器和电容器组：在12脉冲高压直流转换器的交流侧，电流产生了11,13,23,25次高次谐波。安装滤波器是为了将谐波含量限制在网络的要求的水平以下。在转换过程中转换器消耗的无功功率，部分由滤波器组补偿，其余由电容器组补偿。

在电容换流的情况下，无功功率由串联安装在换流阀和转换变压器之间的电容器来补偿。切换无功补偿设备的消除简化了交流开关场所，减少了所需的断路器数量，从而减少了使用电容换流转换器建造高压直流电站所需的面积。

使用电压源转换器时，不需要补偿转换器本身消耗的任何无功功率，并且交流侧的电流谐波直接与PWM频率相关。因此，与传统转换器相比，这种类型的转换器中滤波器的数量显著减少。

直流滤波器：高压直流转换器在所有工作模式中都会产生谐波。这种谐波可能在电信系统中造成干扰。因此，通常会使用专门设计的直流滤波器来减少干扰。通常，纯电缆传输和背对背高压直流电站是不需要滤波器的。但是，如果在部分或全部传输系统中使用OH线，则需要安装直流滤波器。

处理在直流端产生谐波所需的滤波器通常要比交流侧的滤波器小得多，便宜得多。现代的直流滤波器是有源直流滤波器。在这些滤波器中，被动部件很少，现代电力电子设备用于测量，反相和重新注入谐波，从而使滤波非常有效。

传输介质

对于陆上的大容量电力传输，使用最频繁的传输介质是架空线路。该架空线路通常是双极型的，即具有不同极性的两根导线。高压直流电缆通常用于海底的电力传输。最常见的电缆类型是固体的和充油的。固体类型在许多情况下是最经济的。其绝缘材料由浸渍有高粘度油的纸带组成。这种类型没有长度限制，今天的设计可用于约1000米的深度。自备充油电缆完全充满低粘度油，并始终在压力下工作。这种电缆类型的最大长度似乎约为60公里。

近年来，新型电力电缆技术的发展已经加快，如今，高压直流地下或海底电力传输技术已经有了新的高压直流电缆。这种新的高压直流电缆由聚乙烯制成，用于基于电压源转换器的高压直流系统。

设计，施工，运行和维护考虑

一般来说，在开展高压直流系统设计前，要先定好基本参数，如传输功率，传输距离，电压水平，暂时连续过载，接收端网络状态，环境要求等。

对于投标目的，概念设计是按照技术规范或制造商和客户之间密切协作完成的。最终的设计和规格实际上是与制造商/供应商的招标和谈判的结果。建议选择交钥匙的方式来合同执行，即使在发达国家也是如此。

在施工方面，基于可控硅的大型系统可能需要三年时间，从合同日起至调试期间，基于电压源变换器的高压直流系统只需要一年时间。下表显示了不同高压直流技术的经验：

在旨在将系统可用性保持在设计级别的连续活动的范围内的操作中，括半导体和基于微处理器的控制系统，现代高压直流可以实现远程操作。现在有一些已经安装好的是在无人操作的情况下运行的。此外，现代高压直流系统在设计时就是要实现无人操作。这个特点在技术成熟，人口稀少的国家显得尤为重要，而且几个人可以从中心控制室运行多条高压直流输电线路。

高压直流系统的维护与高压交流系统相当。变电站高压设备与交流变电站相应的设备相当，维护方式可以相同。维护将集中在：交流和直流滤波器，平滑电抗器，壁套管，阀门冷却设备，晶闸管阀门。在上述各方面，供应商在安装，调试和初期运行期间提供充分的培训和技术支持。

建议正常日常维护为每年一周。较新的系统甚至可以在两年后才进行维护。事实上，在双极系统中，在需要维护的时间内一次停运一极，另一极可以继续正常运行，并且根据内置的过载能力，它可以在维护时带一部分负载。

此外，还应进行预防性维护，以使电站和设备能够在维护成本，运行动作和计划停机时获得最佳平衡的可用性。作为指导价值，目标是根据Cigregrave;协议14-97实现98％的可用性。

虽然高压直流输电系统可能只需要少数熟练的人员进行操作和维护，但是有几个因素影响了电站所需的人员数量。这些因素是：当地惯例和规定，工作条件，工会要求，安全规定和其他地方规则可以单独或一起影响安装设备类型所需的人员总数。

成本结构

高压直流输电系统的成本取决于许多因素，例如要传输的电力容量，传输介质的类型，环境条件和其他安全性，法规要求等。即使有这些因素，也可用于优化设计（不同换向）技术，各种滤波器，变压器等）使得难以给出高压直流系统的成本。然而，转换站的典型成本结构可以如下：

作为指导，下面的一个例子显示了2000MW的交流输电系统与直流输电系统的价格

差异。

在计算中做出的假设：

对于交流传输，假设双回线路的每公里价格为250kUSD/km（每个），交流变电站和串联补偿（600公里以上）估计为80MUSD。

对于高压直流传输，假设双极OH线路的每公里价格为250kUSD/km，转换站估计为250MUSD。

强烈建议跟制造商联系来获得关于成本和替代品的初步信息。制造商应该能够根据几个数据，如转换器要连接的交流网络的额定功率，传输距离，传输类型，电压水平，来给出预算价格。

直流输电电压水平的选择对安装总成本有直接的影响。在设计阶段，从投资和损耗的角度来做优化以确定最优的电压水平。损失的成本也非常重要—在评估损失时，必须考虑能源成本和使用传输的时间。最后应考虑折旧期和期望回报率（或折现率）。因此，为了估算高压直流输电系统的成本，建议进行生命周期成本分析。

需要两个不同的比较来突出高压交流和高压直流输电系统的成本比较—一个是基于晶闸管的高压直流输电系统和高压交流传输系统；另一个是基于电压源变换器的直流输电系统与交流系统和当地的发电站。

基于晶闸管的高压直流系统与高压交流系统相比：高压直流输电换流站的投资成本高于高压交流变电站。另一方面，高压直流案例中传输介质（架空电线和电缆）的成本，土地征用/通行费用较低。此外，高压直流案例的运行和维护成本较低。高压直流系统的初始损耗水平较高，但不会随着传输距离变化。相比之下，高压交流系统的损耗水平随着距离的增加而增加。下图显示了成本的详细信息（考虑和不考虑损耗）。

盈亏平衡距离取决于几个因素，如传输媒介（电缆或OH线），不同的地域因素（许可证，当地劳工成本等）。在比较高压交流输电和高压直流输电时，重要的是将双极型高压直流输电与双回路高压交流输电进行比较，特别是考虑到可用性和可靠性时。

基于电压源变换器的高压直流系统与交流系统或当地发电源相比：基于电压源变换器的高压直流输电系统适用于小功率的设备（高达200MW）和相对短距离区域的电力传输。下图显示，与高压交流输电系统或负荷中心的发电源相比，基于电压源变换器的高压直流输电在经济上是更好的替代方案。

作为参考，下面介绍了使用地面电缆的50MW的基于电压源变换器的输电系统的价格实例。

然而，盈亏平衡距离和功率转移水平标准和相对的成本信息应以适当的角度来考虑，原因如下： 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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