高压直流输电系统

当大容量电力需要远距离传输或在水下传输时，采用高压直流输电系统，这比交流输电系统更经济。近年来对工业增长的评价导致电能消耗的增加。

这就需要在传输和互连系统中以最佳成本增加设施，因为传输设备的成本要高得多。

因此，为了获得更高的可靠性，在交流和直流传输之间进行选择是必要的。高效经济的电力输送方式的最佳选择是高压直流输电。让我们简单讨论一下高压直流系统。

什么是直流?

电力以交流电源的形式产生、传输和分配。电力从发电厂通过输配电线路输送到最终用户。传输线很长，在高电压或超高电压下工作。

但是，通过该线路的交流功率传输量受到其电感的限制。为了克服这一点，高压直流(HVDC)传输系统通常被用于高功率传输。

在直流电源系统结束时，直流电源与交流电源倒转，并与后续的交流网络同步。因此整个直流输电系统由换流站、输电部分和逆变站三部分组成。

发送端或换流站由6、12或24脉冲晶闸管桥整流组成，而接收端或逆变站由配置类似的晶闸管桥组成，但在逆变模式下工作。

高压直流输电系统优于暖通空调输电系统的优点

• 在直流输电中，一条线路只需要两个导体。使用接地回路时，只使用一根导线就足够了，使用两根导线和接地回路时，线路的容量增加了一倍。但是，在交流输电的情况下，至少需要三个导体，双回路则需要六个导体。
• 与交流输电相比，它可以减少输电线路，经济有效地长距离传输电力。
• 直流链路连接在两个交流系统之间，消除了保持它们之间同步的需要。供电频率在两边可能相等也可能不相等。只要高压直流连接的系统电压维持在一定的极限，高压直流系统总是保持潮流。但在暖通空调系统中，电源频率的同步是必须的。
• 高压直流系统的潮流易于在高速下控制。换流站中的自动控制器决定通过链路的功率流。
• 没有由于传输线长度的稳定性问题，因为不需要传输无功功率。
• 通过对HVDC链路的快速高效控制，可以动态实现发送端和接收端之间的故障隔离。
• 在电压大于400KV的暖通输电中，由于经济原因，有必要限制可能的开关暂态。使用高压直流，就不会出现这样的问题。

高压直流输电系统的组成

高压直流输电系统中必不可少的部件是6/12/24脉冲变流器、合适的换流比和分接变换变压器、直流侧和交流侧滤波器、直流侧平滑电抗器、并联电容器和直流输电线路。

转换器单元

高压直流输电需要在线路两端各有一个变流器。发送端变流器作为整流器，将交流电源转换为直流电源，接收端变流器作为逆变器，将直流电源转换为交流电源。

该装置通常由两个三相变换器串联组成一个12脉冲变换器。该变流器由12个可控硅阀组成，这些阀可包装成单阀、双阀或四阀布置。

由于电力电子器件的评估，晶闸管阀已被高功率处理设备所取代，如栅关断晶闸管(GTOs)， igbt和光触发晶闸管。

这些阀门通过空气、水或油冷却，它们基于模块化概念设计，每个模块由一系列连接的可控硅电平组成。

阀门的发射信号在变换器控制器中产生，并通过a传输到阀门中的每个可控硅管光纤光指导系统。光信号进一步转换为电信号使用门驱动放大器与脉冲变压器。

这些阀门采用缓冲电路、无间隙避雷器和保护点火电路进行保护。

变换器变压器

高压直流系统中交流整流前使用的变压器称为换流变压器。换流变压器的不同配置包括三相两绕组、单相三绕组和单相两绕组变压器。

变压器阀侧绕组采用星型、三角型与不接地中性点连接，交流电源侧绕组与接地中性点并联。

控制变压器的设计与交流系统中使用的变压器有些不同。这些设计是为了承受直流电压应力和增加涡流损失由于谐波电流。

换流变压器的谐波含量比传统变压器高得多，造成额外的泄漏磁通，并在绕组中形成局部热点。为了避免这些热点，需要适当的磁分流和有效的冷却安排。

过滤器

由于晶闸管的重复放电，在高压直流系统中产生谐波。这些谐波被传输到交流网络，导致设备过热，也干扰通信系统。

为了减少谐波，采用了滤波器和滤波技术。过滤器的类型包括

空调过滤器

这些是由无源元件制成的，它们为交流谐波电流提供低阻抗和分流路径。在高压直流系统中，通常采用调谐和阻尼滤波器的布置。

直流滤波器

类似于交流滤波器，这些也用于过滤谐波。直流端使用的滤波器，通常比交流端使用的滤波器更小，更便宜。现代直流滤波器是有源型的，其中无源部分减少到最小。

为了减少谐波对通信系统造成的干扰，在高压直流输电线路中采用了专门设计的直流滤波器。

高频过滤器

它们用于抑制高频电流，并连接在换流变压器和车站交流母线之间。有时这些连接在直流滤波器和直流线之间，也在中性侧。

并联电容器或无功补偿

由于换流站发射角的延迟，在转换过程中产生无功伏安。由于直流系统不需要或产生任何无功功率，这必须通过在系统两端连接并联电容器来适当补偿。

平和反应堆

它是一个大型串联电抗器，用于直流侧，以平滑直流电流和保护目的。它通过阻止来自转换器的输入电流的突然变化来调节直流电流到一个固定值。它可以连接在线路侧、中性侧或中间位置。

传输介质或线路或电缆

架空线路是陆地大容量电力传输最常用的传输介质。在高压直流输电系统中，两根不同极性的导体将电力从发送端传输到接收端。

与交流输电相比，在相同的功率处理能力下，直流输电所需的导体尺寸较小。由于没有频率，导体中不存在表皮效应。

水下传输时采用高压直流电缆。大多数这样的电缆是充油型。它的绝缘材料是浸有高粘度油的纸带。

直流和交流开关柜

开关柜设备为整个高压直流系统提供各种电气故障的保护，并提供计量指示。开关柜设备包括隔离开关、避雷器、直流断路器、交流断路器等。

HVDC系统的类型

主要有三种类型的HVDC链路，并在下面讨论。

单极的链接

在这种直流系统中，发送端和接收端变换器由具有正极性或负极性的单一导体(或线)连接。由于无线电干扰较小，架空线路大多采用负极性。

它使用地面或海水作为返回路径。有时也会使用金属回弹。值得注意的是，与交流相比，接地对直流提供更少的电阻。下图显示了单极链路。

双相联系

这是HVDC系统最常用的配置。它使用两个导体;一个是正导体或极，另一个是相同大小的负导体(通常为±650V)。

每个终端有两组相同额定值的变流器串联在直流侧。中性点(转换器之间的连接点)在一端或两端接地，因此极点独立工作。

通常情况下，两极工作在相同的电流下，因此在这些条件下没有接地电流。

当一根导线发生故障时，另一根接地导线可提供额定负荷的一半，从而提高系统的可靠性。双极链路有两个独立的电路，它可以作为单极链路在紧急情况下运行。

单极的链接

这种线路有两个或两个以上具有相同极性的导体，通常为负极性，它们与接地返回一起工作。当某一导体发生故障时，可将变流器设备连接到健康极上，以增加线路损耗为代价，通过过载可提供50%以上的额定功率。

这是不可能的情况下双极环节，分级绝缘用于负极和正极。当不可避免地有持续的接地电流时，采用这种系统。

该系统的优点是由于线路上的负极性造成的电晕损失和无线电干扰较少。然而，大的接地回流电流是主要的缺点。

高压直流系统的应用

• 长距离大容量电力传输
• 通过地下或水下电缆传输大容量电力
• 单独控制的交流系统的互连
• 综合电力系统中潮流的稳定
• 平行的交流和直流线路
• 变频
• 直流输电与交流配电