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1 高压直流输电技术 ( 二.) Hgh Voltge Dret Current Trnsmsson Tehnology 西安交通大学高压教研室 汲胜昌 01 年 09 月 ~ 11 月

2 第二章 换流器理论及其特性方程

3 .5 多桥换流器 将两个或多个换流桥串联可获得所要求的高直流电压 换流桥在直流侧串联, 而在交流侧通过换流变的网侧绕 组并联在一起 实际应用中, 一般是由两个 6 脉动换流器组成一个 1 脉 动换流器, 如下图所示

4 .5 多桥换流器 1 关于两个换流变的变比在右图中, 两组换流变一组为 Y0/Y 连接, 另一组为 Y0/ 连接, 二者变比为 : K K Y 选择如此变比的原因?? A C B 1:K Y0/Y Y m1 V1 V V5 1 4 Y 6 Y 5 V4 V6 V n1 m V1 V V5 1 4 V I 负载 因为换相电压为线电压, 选择上述变比的主要目的是使二者的换相电压相等 1:K Y0/ 6 5 V4 V6 V n

5 .5 多桥换流器 关于换流变绕组的联接方式 选择如此连接方式的的原因?? A C B Y m1 V1 V V5 1 4 Y 6 I Y 5 主要为了提供两组相位差为 0 的三相交流电源来为换流器供电 1:K Y0/Y V4 V6 V n1 m V 负载 V1 V V5 1 两个换流变的原边是同一个电源 ( 即 : 交流系统 ) :K Y0/ V4 V6 V n

6 关于换流变绕组的联接方式.5 多桥换流器 三相变压器与单相变压器不同, 除了相电势的相位关系外, 还有线电势的相位关系 高 低压侧 ( 原 副边 ) 线电势之间的相位关系, 除了决定于高 低压 ( 原 副边 ) 绕组的绕向及标志方法外, 还决定于三相绕组的联结方法 三相绕组常用的联接方式有两种, 即 : (1) 星形接法, 或称 Y 接法 ; () 三角形接法, 或称 接法 在各种不同接法时, 高 低压侧 ( 原 副边 ) 的线电势之间的相位关系如下所述

7 关于换流变绕组的联接方式 (1)Y/Y-1 联结组符号 Y/Y 的意义是表示高 低压 ( 原 副边 ) 绕组 的接线方式, 如下图所示 E A A B C * * * E B * * * E E E E C 图中, 高压侧和低压侧的相电势是同相位的, 所以, 线电势也必然是同相位的 用时钟法来表示 : 在三相系统中, 总是令高压侧线电势表示长针 ( 分 针 ), 低压侧线电势表示短针 ( 时针 ) 如果把高压侧线电势相量 E AC 指向钟面上的数字 1, 此时低压侧线电势相量 E 也指向 1, 这相当于 1 点钟的位置, 因此称这种变压器的组别为 Y/Y A C o B o

8 关于换流变绕组的联接方式 ()Y/ -1 联结组符号 Y/ 的意义也是表示高 低压 ( 原 副边 ) 绕 组的接线方式, 如下图所示 A B C * * * * * * EA EB EC E E E 如果把高压侧线电势相量 E AC 指向 A 钟面上的数字 1, 此时低压侧线 电势相量 E 指向 1, 这相当于 1 点 钟的位置, 因此称这种变压器的 o B E E 组别为 Y/Y-1. C E 低压侧超前高压侧

9 关于换流变绕组的联接方式 ()Y/ -11 联结组符号 Y/ 的表示高 低压 ( 原 副边 ) 绕组的接 线方式, 如下图所示 A B C * * * * * * EA EB EC E E E 如果把高压侧线电势相量 E AC 指向 钟面上的数字 1, 此时低压侧线 A E 电势相量 E 指向 11, 这相当于 11 点钟的位置, 因此称这种变压器 的组别为 Y/Y-11. o B E E 高压侧超前低压侧 0 C

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12 关于换流变绕组的联接方式 为了制造以及应用上的方便统一, 我国规定 : Y/Yo-1 Y/ -11 Yo/ -11 Yo/Y-1 Y/Y-1 有无其他的联结组? 或者说, 相位差是不是必须 0 的倍数? 五种作为标准联结组

13 输出的直流电压 当然, 这两组三相交流电压 ( 相位差为 0, 而换相电压相等的两组电压 ) 可从接线方式分别为 Y/ 和 Y/ 的两台三相双绕组换流 A C B Y m1 V1 V V5 1 4 Y 6 Y 5 I 变得到, 也可从一台三相 Y/Y/ 接线的三绕组变压器的两个次级绕组得到 1:K Y0/Y V4 V6 V n1 m V 负载 各换流变的网侧绕组的三相端 V1 V V5 1 子分别按相并联在一起, 各阀侧绕 4 组接于各自的换流器桥臂上, 且额定线电压是相等的 1:K Y0/ 6 5 V4 V6 V n

14 在一个换流桥上提供的三相线电压与另一桥提供的三相线电压之间移相 0, 因此, 两个桥输出的直流电压也应该是相位相差 0 的六段脉波, 如下图所示 : Y/Y 输出的直流电压 Y/Y 1:K 1:K Y/ 1: K Y/ 1: K 有何优点???

15 Ampltue 输出直流电压的仿真 Frequeny (Hz)

16 4 交流系统的提供的电流 ( 假定 K=1) 即 A C B 这个系统提供的电流 显然, 此电流为两台换流变原边电流的和, 以下内容分别进行求解, 然后再相加, 即可得系统提供的电流 A B C A C B m1 I A C B Y Y V1 V V5 Y Y Y Y 1:1 Y0/Y V4 V6 V EA A B C * * * EB n1 E m C E V * * * 负载 E E p V1 V V5 p p 1: V4 V6 V Y0/ 16 n

17 4 交流系统的提供的电流 对于 Yo/Y 接法的换流变而言, 其高压侧 ( 原边 ) 的电流波形与低压侧 ( 副边 ) 是相同的, Y 和 Y 的波形如下图所示 : Y Y / / 0.0 / / Y Y Y Y Y/ 接法的电流是不是 Y/Y 的相移 0 就可以得到呢?

18 4 交流系统的提供的电流 对于 Yo/ 接法的换流变而言, 需要对其电流详细分析 首先可以肯定的是 :Yo/ 接法的换流变, 其二次侧 ( 阀侧 ) 的线电流必然波形如下所示, 这里暂时不考虑其相位信息 p p p??

19 p p p (4) () () (1) 0 p p p p p p p p p 如图所示, 下列等式成立 : ) ( 1 ) ( 1 ) ( 1 p p p ()-() ) ( p 1: ) ( 交流系统的提供的电流

20 4 交流系统的提供的电流 p p p ( ) 1: π

21 ( I ) 交流系统的提供的电流 -I 的波形 I I I I

22 4 交流系统的提供的电流 的波形 I I I p p 二者的相位关系如何呢? p Y 的波形 I I Y Y Y Y Y Y -I

23 4 交流系统的提供的电流 如右图所示, 不管换流变是 Y/Y 接法还是 Y/ 接法, 其原边的 Y 绕组都是 Y Y 接在一个系统的, 所以 : 所以 Y 和 相位肯定是相同的, 其它两相各相差 10 Y Y Y Y 另外 : p p p 1 ( 1 ( 1 ( ) ) ) p o A C B p p p

24 4 交流系统的提供的电流 的波形 I I I 显然, 两台换流变原边电流相加即可得系统提供的电流 A I I I Y 的波形 Y 的波形 相位相同吗? -I -I

25 4 交流系统的提供的电流 的波形 I I I ( 1 )I I ( 1 )I Y 的波形 I I -π 0 π I ( 1 )I -I ( 1 )I

26 4 交流系统的提供的电流 Y 的波形 的波形 有何优点???

27 系统提供电流的仿真

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29 Ampltue Ampltue Frequeny (Hz) Frequeny (Hz)

30 5 总结 :1 脉动换流器的优点及其它特性 优点 : 1 输出的直流电压中的谐波成分减少了;6n 1n 交流系统中的谐波电流减少了 6n±1 1n±1 这样, 可以简化滤波装置, 节省了换流站的造价 其它特性 : 1 理想空载直流电压 : 每个桥的压降为 : 0 因为是 个桥的串联, 所以总的压降为 : U V U 6 E X I m 1 X I

31 工况 A C B m1 V1 V V5 I 1:1 Y0/Y V4 V6 V n1 m V 负载 V1 V V5 1: Y0/ V4 V6 V n

32 .6 直流输电稳态工况计算常用公式 主要是换流器交流侧和直流侧的电压 电流 有功功率 无功功率以及各种角度之间的关系 在进行直流输电工程设计 设备选择以及对直流输电系统各种运行工况进行稳态计算分析时, 经常用到的计算公式, 即对于 6 脉动 - 工况以及 1 脉动 4-5 工况

33 ( 一 ) 直流输电极对地电压 U (1) 整流站 : ) os ( r m I X E N U () 逆变站 : ) os ( r m I X E N U ) os ( r m I X E N U

34 ( 二 ) 直流电流 I (1) 单极方式 : () 双极方式 : I I U1 U R ( U 1 U ) R R 为直流回路电阻 线路平抗接地引线接地极 其中, 对于不同的直流回路接线方式, 其 R 值不同 假定 : R L 直流输电线路一个极的电阻, 通常正负两极线的电阻相等 ; R SM 为一个极两端换流站平波电抗器的总电阻 ; R GL1 和 R GL 分别为整流站和逆变站接地极引线的电阻 ; R G1 和 R G 分别为整流站和逆变站接地极电阻 1 双极方式 :R=(R L +R SM ) 单极大地回线方式 :R=R L +R SM +R GL1 +R GL +R G1 +R G ) 单极金属回线 :R=R L +R SM 4 单极双导线并联大地回线方式 :R=R L /+R SM +R GL1 +R GL +R G1 +R G )

35 RL R SM 1 双极方式 U 1 I RL R SM I U 流过 地 的电流为零, 所以接地极及接地极引线上的压降为零, 也就说是,U 1 和 U 就是对地的电压 因此 : I U R 1 L U R SM I 1 U ( U ( R L R SM ) ) R ( R L RSM )

36 单极大地回线方式 U 1 I RL R SM U R GL1 R GL 不是真正的 地 R G1 R G I 所以 : ( RG I 1 RGL 1) U1 I ( R R ) U I ( RG RGL ) U 是真正的 L SM 地 U 1 RG 1 RGL 1 RG RGL RL RSM R

37 单极金属回线方式 I RL R SM R L 所以 : U 1 I ( RL R ) U I RL 是真正的 SM 地 0 I U R 1 L U R SM R

38 4 单极双导线并联大地回线方式 R R G1 U 1 R GL1 R I G L R SM R R GL U R L R SM I R G1 R GL1 U R G U R 1 GL R L R SM R

39 ( 三 ) 直流功率 (1) 整流站的直流功率 双极功率 :P 1 =U 1 I 单极功率 :P 1 =U 1 I () 逆变站的直流功率 双极功率 :P =U I 单极功率 :P =U I

40 ( 四 ) 直流回路的压降 U U =U 1 -U =R I 式中,R 为直流回路电阻 对于不同的直流回路接线方式有不同的 R 值 R L 直流输电线路一个极的电阻, 通常正负两极线的电阻相等 ; R SM 为一个极两端换流站平波电抗器的总电阻 ; R GL1 和 R GL 分别为整流站和逆变站接地极引线的电阻 ; R G1 和 R G 分别为整流站和逆变站接地极电阻 1 双极方式 :R=(R L +R SM ) 单极大地回线方式 :R=R L +R SM +R GL1 +R GL +R G1 +R G ) 单极金属回线 :R=R L +R SM 4 单极双导线并联大地回线方式 :R=R L /+R SM +R GL1 +R GL +R G1 +R G )

41 ( 五 ) 直流线路的损耗 P P P RI

42 ( 六 ) 换流站消耗的无功功率 (1) 整流站 1 ) ( tn C U U P P Q (1) 整流站 1 ) ( tn 0 C U U P P Q ϕ 1 和 ϕ 为功率因数角, 对应的功率因数为 : os )] os( [os 1 os m r E I X U U 0 os )] os( [os 1 os m r E I X U U

43 ( 七 ) 换流站与交流系统交换的无功功率 Q s Q C Q F Q RC ( 八 ) 功率因数 见 ( 六 ), 已讲

44 ( 九 ) 换相角 X r1 (1) 整流站 1 ros[os ] E X r I () 逆变站 ros[os ] E I m1 m

45 ( 十 ) 换流器交流侧电流 整流器交流侧与逆变器交流侧电流与直流电流的关系相同, 可近似表示为 : 6 I 有效值 I I I 6 I 基波 I 0. 78I

46 ( 十一 ) 换流变的视在功率 (1) 整流站 S1 U 01 I () 逆变站 S U 0 I

47 .7 直流换流技术新发展 一 光直接触发晶闸管应用 大多数直流输电工程采用电触发晶闸管 (ETT) 所组成的换流阀进行换流 电 光 电 ( 触发方式复杂, 故障率高 ) 采用光直接触发晶闸管 (LTT) 的换流阀, 使触发系统得到简化 ( 西门子采用 )

48 二 电容换相换流器 (CCC) CCC 换流器是在常规换流器和换流变压器之间串联换相电容而构成 电容换相换流技术的特点 : 可以减少换流器的无功消耗, 且无功消耗基本不随直流输送有功的变化而变化, 减少了换流站无功补偿设备和相应的投切开关等 电容换相换流器可以显著提高交直流系统的稳定性, 增强抗干扰能力, 减少换相失败机率, 可以抑制直流短路电流, 电容换相换流器应用于弱交流系统, 更有利于其性能的发挥

49 CCC 换流器优点 : 1 改善换流器无功功率特性 提高逆变器运行稳定性 降低换流站甩负荷过电压 4 降低换流阀短路电流 CCC 换流器缺点 : 1 三个换相电容器上的电压不平衡, 有可能引起换相失败 在换相电容器和换流变压器之间发生接地故障时, 换相电容器将通过换流阀放电 对绝缘水平的影响

50 三 轻型直流输电 名称 : (ABB)HVDC-Lght( 已投入商业应用 ) (SIEMENS)HVDC-PLUS ( 国内 ) 柔性直流 与常规直流输电的不同 : 采用具有关断能力的高频绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 器件以及脉宽调制 (PWM) 技术而组成的电压源换流器 (VSC) 进行换流 可以减少换流站的设备, 简化换流站的结构

51 轻型直流输电的特点 : 1 减少换流站的设备 简化换流站的结构 对于小容量低电压的换流站, 便于采用模块式结构, 从而可降低造价, 提高可靠性, 缩短工期, 在经济上具有较好的竞争力 采用新型换流器, 使输电工程具有良好的运行性能, 如两端换流站可独立快速进行有功和无功的调节来适应交流系统的要求 ; 不增加系统的短路功率 ; 可向无源的负荷点送电 ; 谐波性能好等

52 应用领域 1 向远方的孤立负荷点送电 从主电网向负荷提供低成本能源 ; 向无源网络供电 向城市送电 利用已有路权, 提高供电能力 ; 平衡多路城市供电潮流 解决环保型再生能源发电系统的接入电网问题 可再生能源发电装置 4 离岸发电的联网问题 提高可用性和经济性 ; 小规模发电装置向主电网供电 ; 5 非同步运行的独立电网之间的联网 非同步网络互联 ; 对功率交换的完全控制 6 推动多端直流输电系统的发展 直流侧的电压极性总是不变, 可方便的并联 ; 网络扩充能力 ;

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