直流输电讲义

直流输电(Direct current transmission)，以直流方式实现电能传输的技术。直流输电与交流输电相互配合，发挥各自的特长，构成现代电力传输系统。在以交流输电为主的电力系统中，直流输电具有特殊的作用。除了在采用交流输电有困难的场合，必须采用直流输电外，在电力系统中，它还能提高系统的稳定性，改善系统运行性能并方便其运行和管理。直流输电有两端(也称端对端)直流工程、多端直流工程、背靠背直流工程等类型。直流输电技术的发展历史、现状和趋势可以从创始与发展、原理与构成、特点与应用、研究与前景几个方面阐述。

一、原理与构成

直流输电系统的一次电路主要由整流站、直流线路和逆变站三部分组成。送端与受端交流系统与直流输电系统也有密切的关系，它们给整流器和逆变器提供实现换流的条件，同时送端电力系统作为直流输电的电源提供所传输的功率，而受端则相当于负荷，接受由直流输电送来的功率。两端的交流系统是实现直流输电必不可少的，通常在系统研究中用简化的等值系统来表示。直流输电的控制保护系统与交流输电不同，它是实现直流输电正常起动和停运、正常运行、运行参数的改变和自动调节以及故障处理和保护等必不可少的组成部分。此外，为了利用大地(或海水)为回路，大部分直流输电工程还有接地极和接地极引线。因此，直流输电系统包括整流站，直流输电线路、逆变站、控制保护系统以及接地极及其引线等五部分组成。 

（一）工作原理

图1是直流输电基本原理简图。它包括两个换流站，直流输电线路及两端交流系统Ⅰ和Ⅱ。当系统Ⅰ向系统Ⅱ送电时，换流站1运行于整流状态，把系统Ⅰ送来的三相交流电变换成直流电，经直流线路送到换流站2。此时，换流站2则运行于逆变状态，把直流电变换为三相交流电送入系统Ⅱ。 

由换流的基本理论可知，双极直流输电系统的主要运行参数和变量之间的关系可用公式表示为：

整流站极对地直流电压： 

Ud1=N1 (1.35U1cosα-3/π×Xγ1Id) (1) 

逆变站极对地直流电压： 

Ud2=N2 (1.35U2cosβ+3/π×Xγ2Id) (2) 

直流电流：

Id=(Ud1-Ud2)/ R (3) 

整流站直流功率：

Pd1=2Ud1Id (4)

逆变站直流功率：

Pd2=2Ud2Id (5)

直流线路压降：

ΔUd=Ud1-Ud2=IdR (6)

直流线路损耗： 

ΔPd=Pd1-Pd2=Id2R (7)

整流站消耗的无功功率：

Qc1=Pd1tgφ1 (8)

逆变站消耗的无功功率：

Qc2=Pd2tgφ2 (9)

式中N1、N2为整流站和逆变站每极六脉动换流桥串联数；Xγ1、Xγ2为整流站和逆变站的换相电抗；U1、U2为整流站和逆变站换流变压器阀侧空载线电压；α、β为整流站和逆变站换流器的触发角； R为直流线路电阻；φ1、φ2为整流站和逆变站换流器的功率因数角。

直流输电两端的直流电压可以通过改变触发角α和β进行快速调节。

通常是由逆变站控制直流电压，整流站控制直流电流，从而得到一定的输送功率。

直流功率的改变由整流站控制直流电流来实现。因此，直流输送功率是可控的，这一点与交流输电有很大的不同。 

直流输电线路不传输无功功率，但整流器和逆变器在进行换流时，均需一定量的无功功率。两端换流站消耗的无功功率与直流输送功率和换流器的功率因数角(φ1和φ2)有关，见式(8)、式(9)。因此，当交流系统需要调节无功时，可以快速改变直流输电换流器的功率因数角或直流输送功率来实现无功调节。 

直流输电系统可快速方便地进行输送功率方向的反转(或称潮流反转)。由于换流阀的单向导电性，直流电流的方向不能改变，直流输电的潮流反转是通过改变直流电压的极性来实现的。若从系统Ⅰ向系统Ⅱ送电时，直流电压为正极性，从系统Ⅱ向系统Ⅰ送电时则为负极性。利用两端控制系统可方便快速的改变直流电压的极性，从而实现潮流反转。 

（二）系统构成

直流输电系统可分为两端(或端对端)直流系统和多端直流系统两大类。 

(1)两端直流输电系统。只有一个整流站(送端)和一个逆变站(受端)的直流输电系统。它可分为单极系统、双极系统和背靠背直流系统三种类型。图2给出两端直流系统的基本框图。图中的实线部分为一个单极系统，实线加虚线部分为一个双极系统，当输电线路长度为零时即为背靠背直流系统。 

图2 两端直流输电系统基本框图

单极系统有单极大地回线和单极金属回线两种接线方式。双极系统是大多数直流输电工程采用的系统构成方式。通常两端换流站的中性点均接地，整流站对地正负两极通过正负两根极线与逆变站的正负两极相互连接，形成直流侧的闭环回路。正常运行时，两极电流相等，地中无电流流过；当两极电流不等时，地中电流为两极电流之差值；当一极停运时，另一极的全部电流将自动从大地回路返回，形成单极大地回线方式，可保证至少输送双极额定功率的一半。双极中的任一极均能构成一个运行的单极输电系统，两个极的电压和电流可以不相等。当两个极的电压和电流相等时称为双极对称运行方式，不相等时则为电压或电流的不对称运行方式。当输电线路或换流站的一个极发生故障必须退出运行时，双极方式的直流工程，可以转为单极大地回线、单极金属回线或单极双导线并联大地回线方式运行。双极系统还有只在一端换流站中性点接地的两导线方式和三导线方式(其中一根导线为低绝缘的中线)两种类型，但在实际工程中很少采用。 

(2)多端直流输电系统。与交流系统有三个或三个以上连接端口的直流输电系统。利用多端直流系统可以多电源供电或多落点受电，还可联系多个交流电网也可将交流电网分成多个运行的孤立电网。多端直流系统中，每个换流站的交流侧分别与各自的交流电网相连，直流侧通过直流线路相互连接，形成直流网络。多端直流系统直流侧的接线方式有换流站并联和串联方式以及输电线路分支形和闭环形等方式。 

二、特点与应用

直流输电的主要特点与其两端需要换流和输电部分为直流电这两个基本点有关。直流输电的应用范围取决于直流输电技术的发展水平和电力工业发展的需要。 

（一）直流输电特点

（1）直流架空线路结构简单(只需两根导线)，造价低、损耗小。和交流输电相比，输送同样的容量，直流架空线路可节省约1/3导体，其线路造价比交流线路低，并且在此条件下，直流的线路损耗也比交流低。

（2）电缆耐受直流电压的能力比交流电压约高3倍以上。直流电缆输送容量大，造价低，不易老化，寿命长。在直流电压作用下，电缆无电容电流，可实现远距离电缆送电。

（3）直流输电本身无交流输电的稳定问题。对于远距离大容量输电，输送功率不受稳定极限的，具有良好的技术经济性能。

（4）采用直流输电可实现电网间的非同步互联，不增加被联电网的短路容量，被联电网可不同频率或非同步运行，增强各电网的性和可靠性，运行管理也方便。

（5）利用直流输电的快速控制，可改善交流系统的运行性能。根据交流系统的需要，可快速改变直流输送的有功和换流器消耗的无功，对交流系统的有功和无功平衡起快速调节作用，从而提高其频率和电压的稳定性，提高电能质量和电网运行的可靠性。

（6）直流输电采用大地为回路，直流电流向电阻率很低的大地深层流去，可很好地利用大地这个良导体。利用大地或海水为回路可提高直流输电系统的运行可靠性和经济性。

（7）直流输电换流站比交流变电所增加了换流装置及相关的配套设备。所采用的晶闸管换流阀，结构复杂，价格贵，且不具备自然关断电流的能力，使换流器的性能受到。同时，换流器对交流侧为谐波电流源，对直流侧为谐波电压源，在换流的过程中换流器还需要大量的无功功率(约为输送容量的40%～60%)。

因此，换流站必须配备相应的交、直流滤波器和无功补偿设备。此外，直流电的灭弧问题，给直流断路器的制造带来困难，也使得多端直流输电的发展缓慢。综上所述，直流输电的换流站比交流输电的变电所结构复杂，造价高，损耗大，运行可靠性也相应较低，直流输电换流技术还需要进一步的开发和完善。 

二）直流输电应用

直流输电的应用场合可分为两大类型：

（1）采用交流输电在技术上有困难或不可能，只有采用直流输电的场合，如：不同频率电网之间的联网或向不同频率的电网送电；因稳定问题采用交流输电不能联网时；长距离电缆送电采用交流电缆因电容电流太大而无法实现时等。

（2）在技术上采用交流输电或直流输电均能实现，但采用直流输电的技术经济性能比交流输电好。对于第②种类型选用直流或交流一般是由对工程的技术经济论证结果来决定。

直流输电的应用范围主要有： 

(1)远距离大容量输电。直流输电线路的造价和运行费用均比交流输电线路低，换流站造价和运行费用均比交流变电所高。因此，对同样的输送容量，输送距离越远，直流比交流的经济性能越好。一般定义为当直流线路和换流站的造价与交流线路和变电所的造价相等时的输电距离为等价距离。也就是说对于一定的输送功率，当输电距离大于等价距离时，采用直流比较经济。世界上已运行的直流工程约有1/3为这种类型。 

(2)电力系统联网。用传统的交流输电方式联网，将形成同步运行的大电网，可取得联网效益，但也带来一些大电网存在的问题，如稳定问题，故障后可能引起的大面积停电，短路容量增大等。采用直流方式联网，可以取得同样的联网效益，并且可避免大电网带来的问题，同时还可以改善原交流电网的运行性能。主要有：

1）直流联网为非同期联网，与采用交流的同期联网有本质的不同。被联电网可以不同频率或频率相同但非同步运行。

2）被联电网间交换的功率，可方便快速的进行控制，而不受两网运行条件的影响，便于经营管理。

3）不增加被联电网的短路容量，不需考虑联网后因短路容量的增加，断路器因遮断容量不够而需要更换以及电缆需要采取限流措施等问题。

4）利用直流的快速控制改善交流系统的运行性能，减少故障时两网之间的相互影响，提高大电网的运行可靠性。

采用直流输电联网有以下两种类型：

1）背靠背直流联网。其特点是无直流输电线路，整流和逆变在一个背靠背换流站内。因无直流输电线路，可以选择较低的直流侧电压，较小的平波电抗值，一般可省去直流滤波器，从而可降低换流站的造价，并且还可快速方便地调节换流站的无功功率，改善被联电网的电压稳定性。世界上的背靠背直流工程约占全部直流工程的1/3。

2）远距离送电同时兼作联网。如我国的葛洲坝—上海和三峡—常州直流输电工程均属此种类型。 

(3)远距离海底电缆送电。由于远距离大容量电缆送电采用直流比交流有明显的优势，跨越海峡或向沿海岛屿的直流海底电缆工程也越来越多。这种类型的工程约占全部直流工程的1/4。 

(4)大城市地下电缆送电。大城市用电密度高，人口稠密，选择高压架空线路走廊比较困难，采用高压直流地下电缆将电力送到大城市负荷中心，具有较好的技术经济性，是值得考虑的选择方式。 

（5）轻型直流输电。采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)电压源换流器的轻型直流输电，在向孤立的远方负荷区送电、小型水电或风力发电与主干电网的连接以及小容量远距离的配电线路等场合有较强的发展潜力。

换流站

换流站(Converter station)，直流输电系统中实现交直流电力变换的电力工程设施。换流站一侧接入交流系统，另一侧与直流电力网络相连，是直流输电系统中最重要的环节。站内装设有换流器及其冷却装置、换流变压器、平波电抗器、换流站无功补偿装置、换流站交流滤波装置、换流站直流滤波装置、直流输电系统通信设施、换流站开关设备及直流控制保护装置和必要的辅助设备与设施。 

换流站按其不同的运行方式可分为整流站和逆变站。整流站将交流电变换为直流电， 逆变站将直流电变换为交流电。 通过改变换流站内核心设备换流器的触发相位， 可实现换流器的整流或逆变运行方式，因此换流站既可作为整流站运行，又可作为逆变站运行。 

换流器是换流站的核心部分，按每一工频周期的直流电压波形的脉动数(也称脉波数)不同，换流器可分为12脉动(也称12脉波)和6脉动(也称6脉波)两种。6脉动换流器实质上是一个三相桥式换流器，12脉动换流器由两个相位相差30°基波电角度的6脉动换流器串级组成。12脉动换流器所产生的交流侧谐波和直流侧谐波均比6脉动换流器小，因此除早期换流站有采用6脉动换流器作为基本换流单元外，近些年新建的高电压、大容量的换流站广泛采用12脉动换流器作为基本换流单元，以减少交、直流滤波器的组数、简化接线、节省投资。

直流输电换流站主要构成示意图

1—6脉动换流器；2—12脉动换流器；3—换流变压器；4—平波电抗器；5—直流滤波器；

6—交流滤波器；7—无功功率补偿设备；8—控制装置；9—中性点；10—接地电极；

11—直流端，接到直流线路；12—交流端，接到交流三相系统

换流阀

换流阀是直流输电工程的核心设备，通过依次将三相交流电压连接到直流端得到期望的直流电压和实现对功率的控制，

 其价值约占换流站成套设备总价的22～25%。换流阀的设计应用了电力电子技术、光控转换技术、高压技术、控制技术和均压技术、冷却技术、高压用绝缘材料的最新技术和研究成果，主要的技术难点在于：换流阀暂态仿真模型的建立；换流阀高电位整体屏蔽和屏蔽性能的研究；换流阀绝缘配合、局部放电水平的控制与抑制技术；换流阀关键器件的开发研制；换流阀阀冷却、光电转换技术、控制和均压技术的集成；换流阀型式试验方法的研究。

换流阀厅

就是放置换流阀的封闭建筑，要求极好的电磁屏蔽性能。屏蔽换流产生的电磁干扰。墙壁地板全都有铺设金属板。