1、第六章遠距離大容量輸電劉軒東西安交通大學高電壓技術教研室6.1 電力系統的穩定性分析 電力系統的靜態穩定 電力系統的暫態穩定6.2 直流輸電和柔性交流輸電 高壓直流輸電（HVDC） 柔性交流輸電（FACTS）概述u遠距離大容量輸電的必然性（資源分布不均勻） 煤炭資源主要集中在華北和西北地區 水力資源主要集中在西南地區 東南地區負荷較為集中u輸電方式的研究現狀 特/超高壓交流輸電 特/超高壓直流輸電 其他輸電方式：半波輸電、緊湊型交流輸電、柔性交流輸電、分頻輸電等。概述u線路傳輸容量的制約因素熱極限：功率損耗導致過度發熱造成弧垂無法恢復性延展或接頭融化電壓約束：為保持線路的電壓降在允許范圍內，必

2、須限制線路上流過的功率穩定性約束：維持線路兩端的電力系統同步運行，有靜態穩定和暫態穩定約束u穩定的概念：電力系統在遭受外部擾動下發電機之間維持同步運行的能力。u交、直流輸電線路的約束條件：交流短線受熱極限限制，交流長線受穩定性約束直流輸電受熱極限限制 概述u電力系統的穩定性問題發電機之間失去同步，造成發電機轉子之間角度的單調增加或增幅振蕩，由于發電機的轉子角度習慣上稱為功角，因此這類穩定性問題長被稱為功角穩定性；系統中某些節點電壓的持續降低，以致使負荷重的感應電動機堵轉或引起其他保護裝置的動作，這類穩定性問題稱為電壓穩定性概述u功角穩定性分類小干擾穩定：又稱為電力系統靜態穩定性，它實質上是要求

3、系統的給定平衡點（即給定的穩態運行方式）遭受小擾動后能夠保持漸近穩定性； 在各種穩態運行條件下，為了適應負荷和其他因素的隨機變化，要求系統具有一定的小干擾穩定性裕度；暫態穩定：系統突然收到較大的擾動（投切大用戶或主要元件、發生短路故障）后，各同步機保持同步運行并過渡到新的或者恢復原來穩態運行方式的能力；動態穩定：系統受到大、小干擾后，在自動調節和控制裝置的作用下，保持長過程的運行穩定性的能力。輸電線路的自然功率和電壓分布不考慮輸電線路損耗時，輸電線路的可用以下方程表示： 若線路終端的負荷阻抗和線路的波阻抗相等，則線路上各點的電壓幅值相等，電流幅值也相等，且電壓與電流時同相位的。這表明，單位長度

4、線路上電感所消耗的無功功率恰好等于其電容所產生的無功功率，線路本身不需要從系統吸取，也不向系統提供無功功率，線路上沒有電壓損失。當線路輸送功率大于自然功率，若首端電壓恒定，此時單位長度電感所消耗的無功大于電容產生的無功，線路出現無功不足，由首端至末端電壓不斷下降，電流相量滯后于電壓相量。當線路輸送功率小于自然功率時，情況相反，首端至末端電壓不斷升高。 在符合阻抗和線路波阻抗相等情況下，如果線路在額定電壓下運行，則此時線路輸送功率為線路的自然功率。輸電線路的自然功率和電壓分布u當線路輸送功率小于自然功率，線路末端電壓升高將對電力系統本身的設備及用戶設備安全構成危害，特別是當線路空載時，末端電壓上

5、升更多，必須采取措施加以限制。u自然功率是反映線路傳輸能力的重要指標，對于長距離線路的傳輸功率為1.11.2Pn比較好，對于距離小于100km的短距離線路，輸送能力可以高達45Pn，主要受熱極限限制。u分裂導線能夠提高自然功率： 單根導線自然功率：100% 兩分裂導線自然功率：125% 三分裂導線自然功率：140% 四分裂導線自然功率：150%輸電線路傳輸功率極限u輸電線路傳送功率與自然功率，線路長度和兩端電壓相角差的關系：這表明，當線路長度一定時，最大可能傳輸功率出現在12=/2時，顯然P1或者P2總是大于Pn的。左圖反映了實際電力系統中，各電壓等級的輸電線路的實際輸送能力與線路長度的關系。

6、隨著線路長度的增加，線路允許的輸送功率迅速下降。電力系統的小干擾穩定u首先通過一個簡單的單機無窮大系統說明基本概念u單機無窮大系統：受端系統的容量比送端發電機的容量大的多，以致在發電機輸送任何功率的情況下，受端電壓U的大小和相位均為恒定。若認為發電機的空載電勢Eq恒定，則發電機的功率特性是一條正弦曲線。對于a點，若系統出現微小擾動，使得功角a增加一個微小增量，發電機的輸出電磁功率達到a，但由于原動機機械功率保持不變，因此，發電機輸出電磁功率大于原動機機械功率，發電機轉子將減速，隨之減小，經過一系列振蕩以后，回到a點。若擾動后，增量為負，情況與上述相反，但最終仍然能夠回到a點的穩定狀態。u在b的

7、時候，如果小擾動使b出現一個增量b，則發電機輸出的電磁功率將減小到b點，小于機械功率，這時過剩的轉矩將使進一步增大，與之相應的電磁功率又將進一步減小，如果這樣繼續下去，的不斷增大標志著發電機與無限大系統非周期性地失去同步，系統中電流、電壓和功率大幅度地波動，系統無法正常工作，最終導致系統瓦解u若小擾動帶來負的增量b，這時電磁功率增加到b，大于機械功率，轉子將減速，隨之減小，當減小到a點后，又開始加速，經過一段時間的振蕩，最終穩定在a點。b點是不穩定的，系統無法維持在b點運行0,00,00PPdPda點：90ob點：0,00,00PPdPd90o穩定不穩定小干擾極限90o小干擾穩定的臨界角度ma

8、xqE UPX結論：90o90o90o0dPd0dPd系統小干擾穩定臨界狀態系統不穩定幾點說明1、上述結論僅適用于簡單電力系統；2、功率極限和穩定極限是不同的兩個概念， 對于簡單無勵磁調節的電力系統，兩者可是為相等3、多級系統的靜態穩定性是不能簡單用功率穩定判據給予判定的。提高小干擾穩定的措施1、采用自動勵磁調節器，提高功率極限，擴大穩定運行范圍；2、提高電壓等級u 功率輸送極限與電壓平方成正比，故提高電壓等級可以大幅度提高功率極限u可以等值地看做是減小線路電抗u提高線路電壓勢必要加強線路絕緣，加大桿塔尺寸并增加變電所投資。因此，一定的輸送功率和輸送距離對應一個經濟上合理的線路額定電壓等級。提

9、高小干擾穩定的措施3、減小線路電抗；u 采用分裂導線u采用串聯電容補償4、改變網絡結構；u 增加輸電線路回數u 采用中間補償裝置（并聯電容補償和靜止補償裝置）5、改善原動機調節性能。電力系統的暫態穩定暫態穩定概念u系統在某個運行情況下突然收到較大的擾動之后，能否經過暫態過程達到新的穩態運行狀態或回到原來的狀態。u引起電力系統大擾動的原因負荷突然變化，如投入和切除大容量用戶投切主要元件，如發電機、變壓器和線路等系統中發生短路故障電力系統的暫態穩定u大干擾下，系統的結構發生變化，發電機的輸出功率便哈，在發電機轉軸上產生了不平衡轉矩，導致發電機的轉子加速或者減速。u各發電機的轉動慣量不同，各機組轉速

10、變化也不同。各發電機之間將產生相對運動，轉子間的相對角度發生變化。轉子間的相對角度變化又反過來影響發電機的輸出功率，從而功率不平衡加劇。u這種變化互相聯系、互相影響，形成了以發電機轉子機械運動和電磁功率變化為主體的機電暫態過程。電力系統的暫態穩定大干擾下將有兩種結果發電機轉子間的相對角度逐漸減小，過渡新的平衡點，系統穩定發電機轉子間的相對角度不斷增大，發電機失穩，系統不穩定對于電力系統的暫態穩定性問題，仍用無窮大系統來進行分析暫態故障及其等值電路正常情況故障情況故障切除后電力系統的暫態穩定加速面積：轉子角度從起始角度0增大至故障切除瞬間所對應的角度c過程中發電機轉子增加的動能，即abcd所圍成

11、的面積：減速面積：故障切除后，轉子在制動過程中動能的減少等于制動轉矩所做的功，即defg所圍成的面積：電力系統的暫態穩定電力系統的暫態穩定等面積原則：加速過程中所獲得的等能在減速過程全部釋放完，使轉子在某一點又重新回到同步轉速，即加速面積等于減速面積：極限情況為在h點剛好達到同步轉速，因此極限切除角可以推導出：電力系統的面積定則（簡單判定電力系統暫態穩定的基本準則） 加速面積SabcdSdefg系統保持暫態穩定系統保持暫態穩定系統不能保持暫態穩定說明：該定則僅適用于簡單電力系統； 對于多機系統，該原則不是用，通常用相對功角 的變化趨勢予以判定。提高系統暫態穩定的措施關鍵在于盡量減少加速面積，增

12、加減速面積1、快速切除故障 減少故障切除時間，目前短路后0.06s可切除線路，保護0.02s，開關動作0.04s2、采用自動重合閘裝置 重合閘成功增加了減速面積，從而提高系統的穩定性3、強行勵磁裝置 發電機強行勵磁裝置在系統故障后，增大勵磁電流，減少電勢的衰減，提高暫態穩定性提高系統暫態穩定的措施關鍵在于盡量減少加速面積，增加減速面積4、控制原動機輸出機械功率 快關氣門 連鎖切機：在切除故障的同時，連鎖切除送端發電廠中的一、二臺發電機5、電氣制動 發電機定子并三相電阻 變壓器中性點小電阻接地 變壓器中性點小電抗接地消耗發電機有功功率，減小功率差額限制短路電流直流輸電高壓直流輸電高壓直流輸電換流

13、站：可控硅閥系統換流站：可控硅閥系統特點：穩定性好，控制靈活，短路電流特點：穩定性好，控制靈活，短路電流小，聯絡兩個頻率不同的交流系統小，聯絡兩個頻率不同的交流系統一、直流輸電的接線方式一、直流輸電的接線方式: : 單極線單極線- -地直流輸電地直流輸電 單極兩線直流輸電單極兩線直流輸電 雙極直流輸電雙極直流輸電1.1.單極線單極線- -地直流輸電地直流輸電特點特點: : 結構簡單，經濟結構簡單，經濟 地電流對地下埋設設備的金屬地電流對地下埋設設備的金屬物腐蝕嚴重物腐蝕嚴重 對交流系統的影響對交流系統的影響換流站與直流線路的連接端點換流站與直流線路的連接端點陽極陽極(鐵鐵) 2)(2OHFeO

14、HFe3)(OHFe陰極陰極 222HHe不腐蝕陰極不腐蝕陰極2.2.單極兩線直流輸電單極兩線直流輸電 無大地回流無大地回流3.3.雙極直流輸電雙極直流輸電（一）經濟上 線路 兩端設備 架空線路500km，電纜線路50km時采用直流輸電具有更高的經濟性（二）技術上 接線方式 電容電流 可靠性和靈活性 穩定性 潮流的調節 短路電流 聯絡線高壓直流輸電與高壓交流輸電的比較高壓直流輸電與高壓交流輸電的比較三相交流三相交流CosIUPaaa 32daUU 交流對地電壓有效值CosIUdd23輸送功率輸送功率:（架空線路） 雙極直流雙極直流ddd2IUP 導體允許通過的交導體允許通過的交流電流有效值流電

15、流有效值943. 0Cos當當時時daPP 直流對地電壓直流對地電壓導體允許通過的電導體允許通過的電流流ddd2IUP RUPRIP2d2d2dd22功率損耗功率損耗: :32cos432adPP時，當adPP 輸送功率相同時輸送功率相同時, ,直流功率損耗為交流輸直流功率損耗為交流輸電功率損耗的電功率損耗的2/32/3倍倍943. 0Cos 雙極直流雙極直流三相交流三相交流RIPaa23RCosUPda22232結論1.1.當輸送功率相同時當輸送功率相同時, ,其線路造價低（建其線路造價低（建設費用）設費用）線路：線路：2 2根根架空線路桿塔結構較簡單架空線路桿塔結構較簡單線路走廊較窄線路走

16、廊較窄2. 2. 當輸送功率相同時當輸送功率相同時, ,其功率損耗小（運其功率損耗小（運行費用）行費用）3.3.電纜電纜兩端設備 換流器 濾波器 無功補償設備 換流站造價高交直流等價輸電距離交直流等價輸電距離 500km500km 優點1.1.當輸送功率相同時當輸送功率相同時, ,其線路造價低其線路造價低3.3.兩端交流電力系統不需要同步運行兩端交流電力系統不需要同步運行, ,輸電距離輸電距離不受電力系統同步運行穩定性的限制不受電力系統同步運行穩定性的限制4.4.直流線路的電壓、電流、功率的調節比較容直流線路的電壓、電流、功率的調節比較容易和迅速易和迅速2. 2. 當輸送功率相同時當輸送功率相

17、同時, ,其功率損耗小其功率損耗小二、直流輸電的優缺點及適用場合5.5.可以實現不同頻率或相同頻率交流可以實現不同頻率或相同頻率交流 系統之間的非同步聯系系統之間的非同步聯系6.6.直流輸電線路在穩態運行時沒有電容電直流輸電線路在穩態運行時沒有電容電流流 沿線電壓分布平穩沿線電壓分布平穩線路電壓降較小（僅電阻性壓降線路電壓降較小（僅電阻性壓降）線路部分不需要無功補償裝置線路部分不需要無功補償裝置. .每個極可以作為一個獨立回路運行，便每個極可以作為一個獨立回路運行，便于檢修，分期投資和建設于檢修，分期投資和建設 諧波 消耗無功 換流站造價高 高壓直流斷路器 大地回流造成的腐蝕及對交流系統的影響

18、 閉鎖 缺點直流輸電的主要用途直流輸電的主要用途1. 1. 遠距離大功率輸電遠距離大功率輸電2. 2. 海底電纜送電海底電纜送電3. 3. 不同頻率或相同額定頻率非同步運行不同頻率或相同額定頻率非同步運行 的交流系統之間的聯絡的交流系統之間的聯絡4. 4. 用地下電纜向用電密度高的城市供用地下電纜向用電密度高的城市供電電直流輸電系統的原理接線圖（雙極）直流輸電系統的原理接線圖（雙極）換流器換流器換流閥換流閥閥閥閥臂閥臂二、換流站的工作原理二、換流站的工作原理換流站換流站把三相交流把三相交流電電變換成直流電變換成直流電的換流站的換流站逆變站：逆變站：把直流線路送來的直流電變把直流線路送來的直流電

19、變換成交流電的換流站換成交流電的換流站整流站：整流站： 特點特點 只輸送有功功率，不輸送無功功率只輸送有功功率，不輸送無功功率 換流閥在運行時，它對交流、直流換流閥在運行時，它對交流、直流 系統兩側都將產生諧波系統兩側都將產生諧波在換流站兩側均必須采用濾除諧波的在換流站兩側均必須采用濾除諧波的措施措施1.1.換流站的組成換流站的組成 換流變壓器換流變壓器 換流器換流器 平波電抗器平波電抗器 可控硅導通條件可控硅導通條件1. 1. 閥承受正向電壓閥承受正向電壓2.2.控制極得到觸發脈沖信號控制極得到觸發脈沖信號1.1.閥承受反向電壓閥承受反向電壓2.2.電流過零電流過零 可控硅導通后關斷條件可控

20、硅導通后關斷條件 換流器的原理接線圖換流器的原理接線圖2.2.換流站的工作原理換流站的工作原理三相橋式整流電路三相橋式整流電路(1)(1)整流工作狀態整流工作狀態 假設假設1 1）三相電源對稱）三相電源對稱2 2）平波電抗很大，負載電流）平波電抗很大，負載電流I Id d無紋波無紋波)6sin(mtEea)2sin(mtEeb)65sin(mtEec3 3）可控硅閥）可控硅閥K K1 1KK6 6為理想狀態為理想狀態 Ls = 0導通時壓降為零，關斷后阻抗導通時壓降為零，關斷后阻抗為無窮大為無窮大控制角：可控硅承受正向電壓起到加觸發脈沖使其道控制角：可控硅承受正向電壓起到加觸發脈沖使其道通的瞬

21、間所對應的電角度通的瞬間所對應的電角度換相：從一個可控硅導通變換為另一個可控硅導通的過程換相：從一個可控硅導通變換為另一個可控硅導通的過程K6K1導通K6斷開K2開通K1K2導通 過程演示過程演示六組輪流導通六組輪流導通K5、K6（Ucb)K6、K1 （Uab)K1、K2（Uac)K2、K3（Ubc)K3、K4（Uba)K4、K5（Uca) 每組可控硅導通時間每組可控硅導通時間 電角度電角度o60 每一可控硅導通時間為每一可控硅導通時間為 電角度電角度o120 六脈動整流電路六脈動整流電路直流輸出電壓平均值直流輸出電壓平均值 Edr)()(33tdeeEbadr) t(d)3t(SinE333

22、mCosEm33CosEdo直流輸出電壓隨控制角的增加而減少直流輸出電壓隨控制角的增加而減少,2時直流輸出電壓為零直流輸出電壓為零mdoEE33整流狀態控制角的變化范圍：整流狀態控制角的變化范圍：090090 Ls0 換相角：從開始觸發換相到完全換相所經過的電角度換相角：從開始觸發換相到完全換相所經過的電角度)IE3L2arccos(cosdms換相壓降換相壓降dsIL3整流電壓、電流波形圖整流電壓、電流波形圖（2）逆變工作狀態(90180)CosEdoVdV Vd d0,I0,0,直流側吸收負的功率直流側吸收負的功率我國直流輸電的發展概況我國直流輸電的發展概況已經投運和在建的直流輸電工程已經

23、投運和在建的直流輸電工程 （1 1）舟山直流輸電工程）舟山直流輸電工程 19871987年年1212月投入試運行月投入試運行額定電壓額定電壓100kV100kV，功率功率50MW50MW（2 2）葛上直流輸電工程）葛上直流輸電工程19891989年底建成單極年底建成單極500 kV500 kV，輸送電力輸送電力600MW600MW19901990年建成雙極年建成雙極500 kV500 kV，輸送電力輸送電力1200MW1200MW（3 3）天廣直流輸電工程天廣直流輸電工程額定電壓額定電壓500 kV500 kV，輸送功率輸送功率1800MW1800MW（4 4）嵊泗直流輸電工程）嵊泗直流輸電工程20032003年正式投入運行年正式投入運行額定電壓額定電壓50 kV50 kV，輸送功率雙極輸送功率雙極60MW60MW（5 5）三常直流輸電工程）三常直流輸電工程20002000年開始建設年開始建設 全長全長8