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直流输电技术在我国电网中的作用
直流输电技术的发展及其在我国电网中的作用2
1前言
1.1课题来源及研究的目的和意义
电力电子技术诞生近半个世纪以来,使电气工程、电子技术、自动化技术等领域发生了深刻的变化,同时也给人们的生活带来了巨大的影响。
其中高压直流输电是电力电子技术应用最为重要、最为传统,也是发展最为活跃的领域之一。
目前,电力电子技术仍以迅猛的速度发展着,新的电力电子器件层出不穷,新的技术不断涌现,其应用范围也不断扩展。
不论在全世界还是在我国,电力电子技术都已造就了一个很大的产业群,如果再考虑到与电力电子技术相关的上游产业和下游产业,这个产业群就更加庞大了。
因此发展直流输电技术成为眼下的迫切需要。
而将电流自然换相技术与柔性直流技术相结合构成多端直流输电技术更是未来直流输电技术的发展方向。
在2013年1-9月,南方五省区全社会用电量6593亿千瓦时,同比增长5.8%,比全国1-9月全社会用电量增速7.2%低1.4个百分点;其中广东3626亿千瓦时,增长3.7%;广西904亿千瓦时,增长7.0%;云南1045亿千瓦时,增长11.5%;贵州805亿千瓦时,增长7.2%;海南173亿千瓦时,增长9.4%。
也说明随着生活水平的提高、社会的进步,用电需求量也随之提高。
1.2国内外在该方向的研究现状及分析
我国电网随着国民经济和电力工业的高速发展,正面临着空前的发展局面。
到2003年底,全国发电装机容量达3.84亿kW、发电量达1.91亿kWh。
发电总装机容量和年发电量仅次于美国,均列世界第二位。
我国电网结构除台湾外已经形成东北、华北、西北、华东(含福建)、华中(含川渝)和南方等6个跨省区电网和山东、海南、新疆、西藏4个独立省网。
今年3月31日中国南方电网公司宣布,世界第一个±800KV直流输电工程──云南─广东特高压直流输电工程(简称“云广工程”),在孤岛运行调试500万KV试验取得成功。
这是世界首次开展±800KV电压等级孤岛运行满负荷试验,标志着中国电力工业技术与管理达到新的水平。
孤岛运行方式是在直流系统的送端与若干电厂形成相对独立的“孤岛”系统,即与大电网采用交流系统不联网、直接通过直流系统将电力送往受端的方式。
采用孤岛运行方式能有效减少直流系统故障对主网的影响,提高电网的安全稳定水平。
此次云广直流孤岛运行的成功是南方电网公司开展了近2年多的现场调试取得的结果,直流功率从100万KV至500KV共进行了6个阶段试验,虽然调试验证了孤岛运行的技术特征和可能存在的问题,但完善了相应的技术措施。
因此随着电力电子技术的发展,大功率可控硅制造技术的进步、价格下降、可靠性提高,换流站可用率的提高,直流输电技术的日益成熟,直流输电在电力系统中必然得到更多的应用。
1.3直流输电概述
直流输电指以直流电流传输电能,直流输电系统主要由换流站(整流站和逆变站)、直流线路、交流侧和直流侧的电力滤波器、无功补偿装置、换流变压器、直流电抗器以及保护、控制装置等构成。
其中换流器是直流输电系统的核心,它完成交流和直流之间的变换,即AC~DC─DC~AC。
1.3.1国外直流输电技术的发展历史
按照交、直流转换(换流)设备的发展过程,直流输电发展可分为一下几个阶段:
①汞弧换流阀阶段:
1954年之前──实验性阶段(初始阶段)
特点:
(1)直流输电工程的参数比较低;
(2)换流装置几乎都是采用低参数的汞弧阀;
(3)发展速度较慢。
直流输电技术在初始阶段共有三个代表工程:
德国,瑞典,原苏联
②晶闸管换流阀阶段:
1954~1972──发展阶段
特点:
(1)汞弧阀参数有很大的提高;
(2)直流输电具有多方面的目的(水下,互联,远距离,大容量)
(3)技术提高很多。
③新型半导体换流设备的应用:
1972~现在──大力发展阶段
特点:
(1)采用可控硅阀;
(2)几乎全都是超高压;
(3)单回线路的输电能力比前阶段有了很大增加;
(4)发展速度快。
1.3.2直流输电技术的发展
1、应用领域
作为交流输电有力的补充(长距离大容量输电;联网;特殊条件下的输电)
2、技术上的发展
(1)设计标准化、系列化
每一高压直流输电工程都是根据其介入系统的具体要求量身定做的,包括其额定直流功率、额定直流电压、性能要求等重要参数都是按照接入系统的具体要求,优化选取的,还远没有交流设备那样标准化、系列化。
规范化有利于设备设计、制造,降低设备成本、降低工程造价,促进直流输电发展。
(2)换流阀
①应用更高参数的晶闸管,减少阀元件数;
②应用新型器件
光直接触发:
日本三菱、德国西门子;
电容换相技术(CCC)瑞典ABB:
改善换流站无功特性,减少无功消耗;
强迫换相技术(柔性直流输电技术):
减少换流站无功消耗,防止换相失败;
③户外式结构:
提高可靠性,降低成本。
(3)滤波器
①连续性调谐:
改善性能;
②有源型:
减少占地;
(4)直流控制保护
①硬件集成度进一步提高,提高系统可靠性;
②软件编程图示化、人机界面更友好;
③在线监测,自检功能提高、远方诊断;
④主机实时操作系统。
(5)多端直流输电(更灵活、经济)
①应用控制技术
如:
意大利本土—科西嘉—撒丁岛;
拉地松—尼可来—桑迪旁
②开发直流断路器,形成直流网络。
(6)特高压直流技术:
±800KV、±1000KV。
直流输电发展到今天,在一次和二次设备层面均有了长足进步,其发展方向是在保证系统运行可靠的情况下不断提高运行电压、增大输送功率、降低系统损耗、发挥其快速可控性以提高电力系统的稳定性。
一次设备发展的关键是制造和运输限制条件下提高设备的绝缘耐压水平,提高通流能力,研究合理的主电路拓扑,提高直流输电系统动态性能。
二次设备发展技术趋势是不断提高设备可靠性,提高控制性能指标,提高协调控制能力。
通过功能的合理集成、有序分布方便人机交互,不断提高直流输电运行的集约化水平。
2直流输电
2.1直流输电运行特性及其与交流输电的比较
2.1.1直流输电的优点
①当输送相同功率时,直流线路造价低,架空线路杆塔结构较简单,线路走廊窄,
同绝缘水平的电缆直流输电可以运行于较高的电压;
②直流输电的功率和能量损耗小;
③对通信干扰小;
④线路稳态运行时没有电容电流,没有电抗压降,沿线电压分布较平稳,线路本身
无需无功补偿;
⑤直流输电线联系的两端交流系统不需要同步运行,因此可用以实现不同频率或
相同频率交流系统之间的非同步联系;
⑥直流输电线本身不存在交流输电固有的稳定问题,输送距离和功率也不受电力
系统同步运行稳定性的限制;
⑦由直流输电线互相联系的交流系统各自的短路容量不会因互联而显著增大;
⑧直流输电线的功率和电流的调节控制比较容易并且迅速,可以实现各种调节、
控制。
如果交、直流并列运行,有助于提高交流系统的稳定性和改善整个系统
的运行特性。
2.1.2直流输电的缺点
直流输电的发展也受到一些因素的限制。
首先,直流输电的换流站比交流系统的变电所复杂、造价高、运行管理要求高;其次,换流装置(整流和逆变)运行中需要大量的无功补偿,正常运行时可达直流输送功率的40~60%;换流装置在运行中在交流侧和直流侧均会产生谐波,要装设滤波器;直流输电以大地或海水作回路时,会引起沿途金属构件的腐蚀,需要防护措施。
要发展多端直流输电,需研制高压直流断路器。
2.2直流输电的主要应用
①远距离大功率输电;
②联系不同频率或相同频率而非同步运行的交流系统;
③作网络互联和区域系统之间的联络线(便于控制、又不增大短路容量);
④以海底电缆作跨越海峡送电或用地下电缆向用电密度高的大城市供电;
⑤在电力系统中采用交、直流输电线的并列运行,利用直流输电线的快速调节,
控制、改善电力系统的运行性能。
2.3直流输电类型
1、两端直流输电:
长距离大容量输电;
2、多端直流输电:
增加灵活性,高压大容量直流开关问题;
3、背靠背直流输电:
异步联网、非同步联网;
4、柔性直流输电:
全控器件(GTO,IGBT),容量问题。
2.4直流输电线路的基本类型
就其基本结构而言,直流输电线路可分为架空线路、电缆线路以及架空──电缆混合线路三种类型。
直流架空线路因其结构简单、线路造价低、走廊利用率高、运行损耗小、维护便利以及满足大容量、长距离输电要求的特点,在电网建设中得到越来越多运用。
因此直流输电线路通常采用直流架空线路,只有在架空线线路受到限制的场合才考虑采用电缆线路。
2.5直流输电系统的可靠性的具体指标
直流输电系统的可靠性指标总计超过10项,这里只介绍停运次数、降额等效停运小时、能量可用率、能量利用率四项主要可靠性指标。
停运次数:
包括由于系统或设备故障引起的强迫停运次数。
对于常用的双极直流输电系统,可分为单极停运,以及由于同一原因引起的两个极同时停运的双极停运。
对于每个极有多个独立换流器的直流输电系统,停运次数还可以统计到换流器停运。
不同的停运代表对系统不同水平的扰动。
降额等效停运小时:
直流输电系统由于全部或者部分停运或某些功能受损,使得输送能力低于额定功率称为降额运行。
降额等效停运小时是:
将降额运行持续时间乘以一个系数,该系数为降额运行输送损失的容量与系统最大连续可输送电容量之比。
能量可用率:
衡量由于换流站设备和输电线路(含电缆)强迫和计划停运造成能量传输量限制的程度,数学上定义为统计时间内直流输电系统各种状态下可传输容量乘以对应持续时间的总和与最大允许连续传输容量乘以统计时间的百分比。
能量利用率:
指统计时间内直流输电系统所输送的能量与额定输送容量乘以统计时间之比。
2.6直流输电控制系统分层结构
2.6.1直流控制系统的主要特征
①各层次在结构上分开,层次等级高的控制功能层次等级高的控制功能可以作用于其所属的低等级层次,且作用方向是单向的,即低等级层次不能作用于高等级层次;
②层次等级相同的各控制功能及其相应的硬、软件在结构上尽量分开,以减小相互影响;
③直接面向被控设备的控制功能设置在最低层次等级,控制系统中有关的执行环节也属于这一层次等级,它们一般就近设置在被控设备近旁;
④系统的主要控制功能尽可能地分散到较低的层次等级,以提高系统可用率;
⑤当高层次控制发生故障时,各下层次控制能按照故障前的指令继续工作,并保留尽可能多的控制功能。
复杂的控制系统采用分层结构,可以提高运行的可靠性,使任一控制环节故障所造成的影响和危害程度最小,同时还可提高运行操作和维护的方便性和灵活性。
2.6.2直流控制系统的等级
现代直流输电控制系统一般设有五个层次等级,从高层次等级至低层次等级分别为:
系统控制级、双极控制级、极控制级、换流器控制级、单独控制级和换流阀控制级。
当每极只有一个换流单元时,为简化结构,极控制和换流器控制可以合并为一个级;当只有一回双极线路时,通常系统控制和双极控制合并为一级。
在直流系统各换流站中,需指定其中的一个为主控制站,其他为从控制站。
系统控制级和双极控制级设置在主控制站中,它通过通信系统发出控制指令,协调各换流站的运行。
3高压直流输电及特高压直流输电
3.1高压直流输电系统的原件
①整流桥和叛变桥②直流平波电抗器③交、直流滤波器
④无功功率补偿装置⑤接地电极⑥直流输电线
⑦交流断路器
3.2HVDC运行特性及其与交流输电的比较
1、输送相同功率时,直流输电所用线材仅为交流输电的2/3~1/2;
2、在电缆输电线路中,直流输电没有电容电流产生,而交流输电线路存在电容电流,引起损耗;
3、直流输电时,期两侧交流系统不需要同步运行,而交流输电必须同步运行;
4、直流输电发生故障的损失比交流输电小;
5、在直流输电线路中,当一极发生故障时,只需停运故障极,另一极仍可输送不少于一半功率的电能。
但在交流输电线路中,任何一相发生永久性故障,就必须全线停电;
6、特高压交流输电工程线路走廊宽度为90~120m,可输送功率为6GW,而特高压直流输电工程输送功率为6.4GW,其线路走廊宽度为76~84m,可节约土地资源16%~30%。
3.3高压直流输电谐波的危害
1、使电机、电容器等设备由于附加损耗增加而过热,缩短寿命;
2、产生谐波放大甚至谐振,危及设备安全;
3、引起电机机械振动;
4、对电信设备产生干扰;
5、使控制保护设备误动作;
6、降低测量精度。
3.4换流器特征谐波
特征谐波:
在假设条件下,换流器交流测的各相电流和直流侧的整流电压中所包含的谐波。
即换流器交流测特征谐波和换流器直流侧特征谐波。
3.4.1特征谐波分析的假设条件
1、交流电源为对称的正弦波;
2、交流输电系统及换流变压器主抗对称;
3、不计交流系统中各元件的电阻及换流变压器的激磁导纳;
4、平波电抗器的电感为无穷大;
5、晶闸管具有理想的开关特征;
6、等间隔触发。
3.4.2换流器交流测特征谐波
影响谐波电流数值的因素:
1、换相角
:
随着
的增加,每次谐波有多个极值点,但总趋势为下降。
2、触发角α:
α增加,各次谐波数值减小,但影响小。
3、谐波次数
:
增加,各次谐波数值减小。
3.4.3换流器直流测特征谐波
影响谐波电压数值的因素:
1、换相角
:
随着
的增加,每次谐波有多个极值点,但总趋势为上升。
2、触发角α:
α增加,各次谐波数值增大。
3、谐波次数
:
增加,各次谐波数值减小。
3.5高压直流联络线的分类
1、单极HVDC联络线:
只有一极导线或者两极导线中只有一极导线上有电流在输送电能,单极系统可以采用正极性或者负极性,换流站出线端对地为正则为正极,为负则为负极。
通常采用负极,因为电磁干扰和可听噪声因素。
单极系统不同形式接线:
因其回线方式不同有大地回线、金属回线、双导线并联大地回线等3种方式。
2、双极HVDC联络线:
采用两根导线,一正一负,每一端有两个额定电压的换流器串联在直流侧。
正常运行时,两极电流相等,无接地电流,两极可独立运行。
双极系统因中性点的接地方式不同有三种类型:
(1)双极中性点两端接地;
(2)双极中性点一端接地;双极金属中线。
3、同级HVDC联络线:
同级联络线导线数不少于两根,所有导线为同极性。
3.6特高压直流输电的主要技术特点
与特高压交流输电技术相比,UHVDC的主要技术特点为:
(1)UHVDC系统中间不落点,可点对点、大功率、远距离直接将电力输送至负荷中心;
(2)UHVDC控制方式灵活、快速,可以减少或避免大量过网潮流,按照送、受两端运行方式变化而改变潮流;
(3)UHVDC的电压高、输送容量大、线路走廊窄,适合大功率、远距离输电;
(4)在交直流混合输电的情况下,利用直流有功功率调制可以有效抑制与其并列的交流线路的功率振荡,包括区域性低频振荡,提高交流系统的动态稳定性;
(5)当发生直流系统闭锁时,UHVDC两端交流系统将承受很大的功率冲击。
3.7对于特高压直流输电线路导线型式的选择
在特高压直流输电工程中,线路导线型式的选择除了要满足远距离安全传输电能外,还必须满足环境保护的要求。
其中,线路电磁环境限值的要求成为导线选择的最主要因素。
同时,从经济上讲,线路导线型式的选择还直接关系到工程建设投资及运行成本。
因此特高压直流导线截面和分裂型式的研究,除了要满足经济电流密度和长期允许载流量的要求外,还要在综合考虑电磁环境限值以及建设投资、运行损耗的情况下,通过对不同结构方式、不同海拔高度下导线表面场强和起晕电压的计算研究,以及对电场强度、离子流密度、可听噪声和无线电干扰进行分析,从而确定最终的导线分裂型式和子导线截面。
对于±800千伏特高压直流工程,为了满足环境影响限值要求,尤其是可听噪声。
4柔性直流输电
4.1柔性直流输电技术的特点
柔性直流输电是以全控型电力电子器件、电压源换流器和新型调制技术为突出标志的新一代直流输电技术,具有无需无功补偿和电网支撑换相、占地面积和环境影响小等特点。
从技术上来说,柔性直流输电是以电压源换流器为核心的新一代直流输电技术,其采用最先进的电压源型换流器和全控器件,是常规直流输电技术的换代升级。
相比于交流输电和常规直流输电,在传输能量的同时,还能灵活地调节与之相连的交流系统电压。
具有可控性较好、运行方式灵活、适用场合多等显著优点。
柔性直流输电系统适用于可再生能源发电并网、孤岛和城市供电等方面,特别是在风力发电并网方面,柔性直流输电系统的综合优势最为明显。
柔性直流输电技术在提高电力系统稳定性,增加系统动态无功支撑,改善电能质量,解决非线性负荷、冲击性负荷和三相不平衡等产生的问题,保障敏感设备供电等方面也都具有较强的技术优势。
4.2柔性直流输电技术的优势
与传统直流输电相比,柔性直流输电的优势主要体现在孤岛供电、有功功率与无功功率控制等方面。
如在孤岛供电中,常规直流要求在岛上具备发电机组之类的电源点,而柔性直流只需设备启动的电源。
将有功功率和无功功率比作淋浴房中的热水管和冷水管,常规直流只能控制热水管,而柔性直流可以灵活调解冷水和热水的流向、水量、比例等。
与交流输电相比,柔性直流输电的优势主要体现在长距离输电、新能源消纳、成本控制等方面。
如在长距离电缆输电中,交流电缆越长,电能损耗越高,输送的有效电能越少,就像烧好的开水沿着管子往外送,管子越长,水温越低,末端用户就可能用不上热水;柔性直流这相当于一根保温管,直到末端用户,水温都是恒定的。
更为重要的是,柔性直流输电可传输来自多个站点的风能、太阳能等清洁能源,通过大容量、长距离的电力传输通道,到达多个城市的负荷中心,为新能源并网、大城市供电等领域提供;一种有效的解决方案。
4.3柔性直流输电技术开发的作用和意义
柔性直流输电是构建智能化电网的重要装备,对于坚强智能电网的建设和电网的经济、安全、可靠运行,有着显著的促进作用,是改变大电网发展格局的战略选择。
4.4柔性直流输电典型应用领域
①风电场并网;②多端直流互联;③太阳能发电并网;④海上钻井平台/孤岛供电;⑤特大城市供电;⑥电网互联
4.5柔性直流输电国内外发展现状
柔性直流输电技术是当今世界上电力电子应用技术的制高点;
目前国际上还只有ABB一家公司有商业运行的柔性直流输电工程;
我国在柔性直流输电技术研究方面的起步相对较晚,与国际先进水平相比具有一定的差距;
但由于柔性直流输电本身具有的巨大优势,国内多个科研机构和高校都积极开展了柔性直流输电的相关研究工作,取得了显著的成果。
2011年7月25日,我国自主研发的首个柔性直流输电(上海南汇风电场)工程正式投入运行,该工程额定电压为±30KV,额定电流为300A,采用模块化多电平换流器拓扑。
4.6国外对柔性直流输电的规划
美、英、德3国都规划在2020年前建设50条左右的柔性直流输电线路。
随着可断器件、直流电网制造水平的不断提高,柔性直流输电将会成为直流电网中最主要的输电方式。
据有关数据显示,随着新能源的快速发展,柔性直流输电技术的市场需求将更加强劲,未来10年内,世界范围内的柔性直流输电市场规模将在1000亿元以上。
然而,柔性直流输电还将面临如何实现高电压、大功率、架空线路使用、混合结构直流输电等方面的挑战。
4.7柔性直流输电对可再生能源发展的意义
从柔性直流输电技术本身来说,它能够给风电场提供良好的动态无功支撑,避免风电场的无功补偿设备投资,同时提供优异的并网性能,防止风电场的电压波动对交流系统的影响,并同时改善风电场对系统波动的抗干扰能力。
由于能够提供电压支撑作用,它还能大幅度提升风电场在交流系统发生故障情况下的低电压穿越能力,另外,由于柔性直流输电不受距离限制,因此也是国外大型远距离海上风电场并网的唯一选择。
基于以上显著优势,柔性直流输电目前已成为国际上公认的风电场并网的最佳技术方案。
目前柔性直流输电换流站的单位成本大约为常规直流输电的1.5倍左右,但是随着技术的改进以及工程的大量应用,其造价也在逐渐降低。
尤其是当传输距离较长时,使用柔性直流输电方案与交流输电相比其技术经济性就更为优越。
因此在我国风电场(尤其是海上风电场)大规模开发利用越来越多的情况下,柔性直流输电技术的大规模推广应用,对于满足我国清洁高效的能源利用的需要,有着显著的意义。
4.8柔性直流输电不同等级的经济比较
柔性直流输电技术是智能电网发展具有代表性的关键技术之一。
针对陆上输电系统采用柔性直流输电时的经济性进行了详细分析。
考虑相同的输送容量在柔性直流输电电压区间(-12^P,12^P)内,选取2种电压等级下的换流站造价、电缆造价、传输损耗和运行成本等经济性指标进行了比较,得出以下结论。
1、几百兆瓦及以下的柔性直流输电工程,电压等级水平在几十千伏到几百千伏之间。
2、工程电压等级越高,换流站造价越高。
3、工程电压等级越高,电缆所消耗的原材料越少,电缆造价越小。
4、考虑换流站、电缆和其他因素,工程电压等级越高,柔性直流输电的总工程造价越小。
5、工程电压等级越高,运行维护费用和传送费用越小。
从长远看,随着柔性直流输电技术的成熟,已经换流站等设备的造价进一步降低,柔性直流输电系统运行的经济性将会更好,综合优势更加明显,从而更具有推广应用价值。
5总结
电力是我们生活、工作中最重要的能源,虽然随着电力电子技术的进步,各种输电系统能缓解一定的供电压力,但这不是从根本上解决问题,因为人口的增长,社会的发展也会跟随着增大供电的压力。
虽然论文是围绕着“直流输电技术的发展及其在我国电网中的作用”来展开,但个人认为,我们更应该思考如何节约电能,以最小的能源,环境代价满足经济社会发展的需求。
电力浪费,成为电能消耗的一个巨大黑洞。
因此建议供电部门应该加强用电需求侧管理,积极引导社会科学用电、节约用电,提高社会各界开展需求侧管理的积极性和实施效果。
同时根据电力电量平衡结果,制订科学合理的错峰方案,切实保障社会正常供用电秩序,和加快电价改革与灵活开展错峰置换、峰谷置换等多种形式的电力交易,实现相互调剂支援。
需求侧管理在有效缓解电力供需矛盾、提高用电效率以及促进节能减排等方面能发挥着重要作用。
所以,我们可以通过加强用电管理,采取技术上可行、经济上合理的节电措施,以达到减少电能的直接和间接损耗,提高能源效率和保护环境目的。
在发展电力电子技术的同时,也应该注重意识到节约电能的重要性及如何科学的使用电力能源,更加爱护我们人类依赖生存的家园。
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- 关 键 词:
- 直流 输电 技术 我国 电网 中的 作用