直流输电与FACTS技术 考试总结资料讲解.docx
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直流输电与FACTS技术考试总结资料讲解
直流输电与FACTS技术考试总结
绪论
·直流输电过程：
一个交流变直流（整流）、传送、直流再变交流（逆变）的过程。
·直流输电的基本原理:
从交流电力系统I向系统II输电时，换流站CS1将送端系统I的交流电变换成直流电，通过直流线路将功率输送到换流站CS2，再由CS2把直流电变换成三相交流电。
通常把交流变换成直流称为整流，而将直流变换成交流称为逆变。
CS1也称为整流站，而CS2又称为逆变站。
·直流输电与交流输电的比较：
1，经济性：
a线路（直流需两根导线，三相交流需三根）。
b两端设备（直流系统两端是换流站，造价更高，主要设备包括特有的换流器滤波器、和换流变压器、无功补偿设备；交流系统两端是交流变电站，包括变压器、断路器、隔离开关）。
c总费用与等价距离（当输电线路增加到一定值时，直流线路所节省的费用抵偿了换流站所增加的费用，此时交直流输电的总费用正好相等，这个距离称为交直流输电的等价距离。
输电距离大于等价距离时适宜采用直流输电）。
2，技术性：
a稳定性（交流系统输送容量受到稳定性的限制，输送容量与输送距离乘积必须小于一定值；直流输电线路所输送容量只受到导线截面限制。
在交直流系统并列的场合，直流输电系统还可提高交流系统稳定性）。
b非同步联络线（交流联络线刚性联接，直流弹性联接）。
C新发电方式与系统的联接
·直流输电优点：
当输送相同的功率时，直流输电线路造价比交流线路低：
可以非同步联网：
输送容量不受稳定性限制；联网不增加短路容量；线路电晕干扰小；线路基本不存在电容电流，不需无功补偿。
缺点：
换流站造价高于变电站；目前尚无适用的直流断路器，发展多端直流输电系统受到一定限制；不能使用变压器变换电压水平；运行过程中产生谐波；换流站需要大量的无功补偿；控制复杂。
适用场合：
远距离大功率输电；海底电缆输电；用电缆向高密度大城市供电；不同额定频率或同频率非同步运行的交流系统之间的联络。
·两端直流输电系统的构成方式：
单极系统、双极系统、非同步联络站。
·直流输电系统的基本组成：
换流器（将交流电转换成直流电,或者将直流电转换成交流电的设备）；换流变压器（向换流器提供适当等级的三相电压源设备。
作用:
使HVDC系统建立自己的对地参考点；减小注入系统的谐波。
）；平波电抗器（作用:
减小注入直流系统的谐波；减小换相失败的几率；防止轻载时直流电流间断；限制直流短路电流峰值。
）；滤波器
（减小注入交、直流系统谐波的设备。
种类:
交流滤波器、直流滤波器。
有源、无源滤波器。
无源滤波器:
单调谐滤波器；双调谐滤波器；高通滤波器。
）
谐波和滤波器
·谐波的危害：
①使交流系统中的发电机，变压器和电容器由于谐波造成附加损耗而发热。
②由于谐波谐振引起电网中局部过电压。
③由于谐波中的负序分量引起电力系统中的保护误动作。
④由于电压波形畸变，引起直流输电控制系统的不稳定和其它一些设备控制系统不稳定。
⑤由于谐波中的能量主要集中在较低次数的分量，而这些分量的频率恰好是在人耳的敏感范围，因而低次谐波将对通讯线路产生严重干扰。
·一个P脉冲的换流器，在直流侧产生kp次特征谐波，在交流侧产生kp±1次特征谐波。
·特征谐波：
在假设条件下，换流器交流侧的各相电流和直流侧的整流电压中所包含的谐波。
由换流器的脉动数及换流器结构决定。
·消除谐波危害的措施：
1增加换流器脉动数2在换流器交流侧和直流侧装设滤波器。
·非特征谐波产生原因：
1交流系统电压不对称2系统三相电抗不相等3最主要原因：
控制系统发出的触发脉冲间隔不等。
·与2个单调谐滤波器比较，1个双调谐滤波器具有如下优点：
基频下的功耗小；只有一个电感器承受全部冲击电压；投资省。
换流器
·桥阀导通条件：
1.阀承受正向电压2.在触发极上加足够能量的正的触发脉冲。
·三相桥式电路优点：
1.在直流电压相同情况下，桥阀在断态所承受电压的峰值小于等于其他方式。
2.当通过功率为一定值时，换流变压器电网侧绕组容量小于或等于其他方式，阀侧绕组容量小于其他方式。
3.换流变压器接线简单，不需中心抽头，有利于变压器绝缘。
4.阀所需伏安容量小。
5.直流电压纹波小。
·假设条件：
1.交流系统的等效电源的电势是平衡对称正弦的。
2.系统等效阻抗是对称的。
3.直流侧平波电抗器具有无穷大电抗值，因而直流侧电流为不含纹波的稳恒直流。
4.阀具有理想开关的特性。
5.触发脉冲等距。
·换向重叠角γ：
当E，Xr，α不变时，γ随Id增大而增大，而E下降，α减小或Xr增大而其他参数不变时，γ也将增大。
·整流器总功率因数小于基波功率因数：
是因为交流电流中含有丰富的谐波。
这些谐波的存在，使整流器的总视在功率大于基波视在功率。
·直流电压：
α=0，γ=0，Vd=1.35E。
α>0，γ=0，Vd=1.35Ecosα。
α>0，γ>0，Vd=Vd0cosα-RrId=Vd0cos（α+γ/2）cosγ/2。
·安全关断越前角=15°保证逆变器正常运行时阀所需承受反压的最小时间所对应的电角度。
·整流侧阀电压特点：
1，在导通期间，是一条代表很小正向压降的直线，此时为零；2，在阻断期间，只有短时间处在正向电压作用下，大部分时间处在反向电压作用下，所以汞弧换流器工作在整流状态下，易发生逆弧。
·逆变侧阀电压特点：
1，在导通期间，是一条代表很小正向压降的直线，此时为零；2，在阻断期间，有很长一段时间处在正向电压作用下，此时如果电压过高，特别是电压上升过快，阀在该段时间内存在有未经触发就发生误开通（通弧）故障的可能性；而很短时间处在反向电压作用下，而且电压较低，所以逆变器发生反向导通故障的机率较小。
这与整流器情况恰恰相反。
·整流器和逆变器的不同：
触发滞后角的不同；整流器功率从交流侧传送到直流侧，直流侧是负载，而逆变器的功率是从直流侧传送到交流侧，直流侧是电源。
·逆变运行需要三个条件：
一个反极性的直流电源以提供连续的单向电流；一个提供换相电压的有源交流系统；要有足够大的关断越前角，以保证安全运行。
·触发滞后角：
从自然换相点到阀的控制极上加以控制脉冲这段时间，用电气角度来表示。
换相重叠角：
换相过程两相同时导通时所经历的相位角。
触发越前角：
从逆变器阀的控制极上加以控制脉冲到自然换相点这段时间，用电气角度来表示。
关断越前角：
在换相结束时刻到最近一个自然换相点之间的角度。
·比换相压降（等值换相电阻）Rr=3Xr/π意义是一个单位直流电流在换相过程中所引起的压降。
它不是真正的电阻，只是代表换相电流在换相电抗中造成的压降而引起的换流器交流端电压和直流电压的降落，所以等值换相电阻是不消耗有功功率的。
·换相失败：
两阀换相结束后，如果退出阀在重新承受正压时未能完全恢复阻断能力，或者换相尚未结束换相电压已经反向，都会导致进入阀向退出阀倒换相，最后结果是退出阀重新导通，进入阀又恢复关断状态，即换相没有成功。
原因：
交流电压突然下降，直流电流突然增大，δ过小等。
一次换相失败：
故障在系统一个周期内，输出电压不正常历时240°。
两次换相失败：
由于直流电抗为有限值，线路上存在电容，整流器定电流调节装置有时滞等原因，Id增大，ϒ增大，有可能形成两次连续换相失败。
影响：
1、两阀连续导通一个周期以上，直流电流了流经换流变压器，将造成变压器偏磁2、由于交流电流被加到直流回路上，有可能在线路电容与电感元件之间造成基波频率的谐振过电压。
直流输电系统的调节与控制
·调节直流输电系统输送的直流电流和直流功率：
1调节两侧的触发角α，β或关断角δ（主调节，调节范围大，调节迅速），2调节两侧换流变压器分接头以调节交流电势Ez,En.（辅助调节，调节范围有限，速度慢）
·整流器定α、逆变器定β运行方式：
不合理由于定α、定β的伏安特性的斜率一般很小，因此当整流侧（逆变侧也是）交流电压有不大的变化时，就会引起直流电流和直流功率的大的波动。
直流书送功率的大幅度波动将引起两端系统运行困难，特别是输送功率在交流系统容量中占有较大比重时。
而直流电流的剧烈变化，会影响直流系统的安全运行。
过大时，可能使换流器严重过载，并且容易引起逆变器换相失败故障；而过小，有可能使直流断续而引起过电压。
·整流器定α、逆变器定δ运行方式：
不合理当交流系统电压变化时，直流电流和直流功率的波动的幅度将更大。
（情况：
逆变侧交流系统为弱系统即系统短路阻抗很大时）（为了保证逆变器的安全运行，减小发生换相失败的几率，要求逆变器的关断越前角δ大于安全关断越前角δ。
而为了提高逆变器的功率因数，又希望δ尽可能小，因此直流输电系统中的逆变器往往采用定δ控制，将δ控制在附近）。
·直流输电基本运行方式：
整流器定电流，逆变器定δ。
（若整~不能定电流，则整~定a，逆~定电流）整流侧的伏安特性由定电流和定a组成，逆变侧由定δ和定电流组成。
为了保证整流器正常工作，整流侧的触发角α有一限制值，即正常运行时应有α≥5°左右。
当整流侧交流电压下降时，为了维持Id=Id0不变，必须减小α角。
如果交流电压下降过多，α减小到a0时仍不能使Id=Id0，整流器就进入定a运行方式。
这时若逆变器仍运行于定δ方式，系统的运行状态将明显恶化。
为了克服这一缺点，在逆变器也装有定电流调节器，其整定值比整流侧的小一个电流裕额∆Id0，即为Id0-∆Id0。
这样当整流侧由于交流电压下降进入定a，逆变侧转入定电流运行方式。
同理，若逆变侧交流电压上升较多，整流侧也会进入定a运行方式。
·逆变侧的定电压运行方式：
将逆变侧的定δ段改为定电压段。
适用于受端系统为弱系统的场合。
优点：
1有利于提高受端系统的电压稳定（逆变站交流母线电压下降时，逆变器的电压调节器将自动减小β以维持直流电压不变。
β减小，功率因数提高，消耗无功功率减少，防止交流电压进一步下降。
如果逆变器采用定δ控制，当交流电压下降，将增大β以保证δ不变，所以功率因数下降，消耗无功增加，电压进一步下降。
在交流系统较弱时，可能引起恶性循环，最终电压崩溃）2在轻负载时，δ比满载时大，对防止换相失败有利。
缺点：
为了保证触发角有一定的调节范围，在额定运行时逆变器的δ角要略大于。
这使得定电压调节时的逆变器的功率因数比定δ运行时的低，消耗的无功较多。
·定电流控制特点：
因为电流为定值而不随电压的降低而加大，所以动态性能较好，不但可以改善直流输电的运行性能，同时也可以限制过电流和防止换流器过载，并使因故障引起的损害最小;防止系统因交流电压的波动而停运。
因此，在正常运行过程中，HVDC系统整流侧基本上采用恒定电流控制。
直流电流调节器的稳态和暂态性能是决定直流输电控制系统性能好坏的重要因素。
定电流控制的基本原理是把实际的电流和电流的给定值进行比较，当出现差别时，通过一个闭环控制器控制换流器触发角，从而控制直流电压以使电流差值减小或
消失，来保证实际电流值等于或接近给定值。
·各级的功能：
主控制级通常接收来自调度中心的直流输送功率指令，经过控制运算以后发送一个直流电流指令给极控制级；极控制级经过控制运算以后发送一个触发角指令给各个桥控制级；桥或者换流器单元（阀组）控制级功能为：
取触发脉冲的同步信号；产生满足要求的触发脉冲系列以触发晶闸管阀。
·软启动：
直流输电系统起动时，采用逐渐升压的方式，以免产生过电压。
·启动过程：
起动时限起动逆变器，使β为最大上限值，然后按α=90°触发整流器，同时使电流调节器整定值按一定规律上升，整流器直流电流也随之上升。
逆变侧，当电流大于不连续值后，控制系统便自动逐步减小β，同时监视δ，保证δ>δ0，直到Id=Id0、δ=δ0后，起动过程结束。
·停机过程：
使整流侧电流调节器电流整定值按一定规律下降，同时逆变侧电流调节器使β增大，直至达到β上限值。
当电流降到0后，停发两侧换流器触发脉冲，停机完成。
·快速停机方式：
将整流器的触发相位快速增大到α=100°~130°，使其转入逆变运行状态，于是平波电抗器、直流线路电感、线路电容中储存的能量就迅速送到两侧交流系统，直流电流迅速降到0.（处理直流线路短路等故障）
·利用旁通对起动：
在两侧投入旁通对，直流线路通过旁通对短路，将直流线路上残余能量泄放掉。
然后整流器旁通对退出（解锁），进行软启动。
逆变器仍由旁通对短路，有利于快速通过电流不连续区，待电流越过不连续区后解锁逆变器，以后的过程与软启动过程相同。
·利用旁通对停机：
当电流减小到不连续区附近时，也可以投入旁通对，使换流器越过电流间断区而停机。
·潮流反转：
将电流裕量指令从II侧切至I侧，I侧的电流整定值从Id0变成Id0-∆Id，II侧电流整定值从Id0-∆Id变成Id0。
由于直流系统的电流在Id附近，I侧将检测到电流大于整定值，它的电流调节器将增大α以减小Id。
同时，逆变侧将检测到Id小于其定电流调节器整定值Id0，自动从定δ控制转到定电流控制，并增大β，力图维持电流Id等于Id0。
这样I侧α不断增大，II侧β不断增大，当I侧α>90°是进入逆变状态，II侧β>90°进入整流状态。
这个过程一直进行到I侧δ=δ0，自动转到定δ控制，潮流反转完成。
意义：
直流输电的优点之一是能迅速而方便地实现潮流翻转，这样不仅在正常运行时可以按照经济的原则调节输送功率的大小和方向，而且还可以在事故情况下很方便地实现事故紧急支援。
因此，潮流翻转这一特点，大大加强了两个交流系统的联系，从而提高了系统运行的稳定性和可靠性。
柔性交流输电系统（FACTS）
·定义：
所谓FACTS，即是装有电力电子型或其它静止型控制器以加强可控性和增大电力传输能力的交流输电系统.
·FACTS的基本内涵是：
基于采用现代大功率电力电子技术构成的各种FACTS控制器，结合先进的控制理论和计算机信息处理技术等，实现对交流输电网运行参数和变量（如电压、相角、阻抗、潮流等）更加快速、连续和频繁的调节，即所谓柔性（或灵活）输电控制，进而达到提高输电系统运行效率、稳定性和可靠性的目的。
基石：
大功率电力电子技术。
核心：
FACTS控制器。
关键：
对输电网参数和变量的柔性化控制。
·FACTS特点：
1利用FACTS元件可以快速、平滑地调节系统参数，从而灵活、迅速地改变系统的潮流分布。
2FACTS元件具有快速可控的特点，对提高系统的暂态稳定性有十分显著的作用。
3FACTS元件可以断续或连续地调节控制参数，可以用来调节系统的阻尼，抑制或消除振荡，改善系统的动态稳定性。
4电子开关理论上可以无限次操作而无机械磨损，因而提高了系统控制的灵活性和可靠性。
5FACTS技术的显著特点是可以充分利用现有输电线路和设备，以增加FACTS元件的方法，在现有电力系统内逐步实施。
·FACTS与HVDC相同之处：
1历史同样悠久2共同的基础：
大功率电力电子技术3使用的最终目标一致：
提高电力系统的整体运行性能。
差异之处1、HVDC基于直流传输原理：
交－直－交，控制这种功率交换来达到目的；FACTS基于交流输电原理：
（等效地）改变交流电网的参数，从而调节其功率传输来达到目的。
2、HVDC要求能控制较大的功率：
依赖高耐压和大容量的晶闸管器件；FACTS是通过调节交流电网的参数而“间接”控制电网功率，“四两拨千斤”：
容量要求低，可采用耐压和容量不及晶闸管的可关断器件。
柔性交流输电系统（FACTS）
·FACTS控制器的分类：
并联型、串联型、串并联型、其它。
·并联补偿装置的作用：
并联补偿可以改变系统的导纳矩阵的对角元素或向系统中注入电流，因此通过并联补偿可以方便地向系统注入或从系统吸收有功功率及无功功率，控制电力系统的有功功率或无功功率的平衡。
具体作用：
维持或控制节点电压；向电力系统提供或从系统中吸收有功功率；向电力系统提供或从系统中吸收无功功率；通过控制功率变化，阻尼系统振荡；改变电力系统的动态特性；提供电力系统的静态稳定性；快速可控的并联补偿可以提高电力系统的暂态稳定性；改变系统的阻抗特性。
·串联补偿装置的作用：
串联补偿可以改变传输线的等效阻抗或者在线路中串入补偿电压，因此通过串联补偿可以方便调节系统的有功及无功潮流，从而有效的控制电力系统的电压水平和功率平衡。
·静止无功补偿器SVC功能主要有：
（1）通过动态无功功率的快速调节，提高电力系统稳定性。
（2）抑制由于负荷、发电机、传输线停运以及短路等造成的系统振荡。
（3）抑制由于线路投切等造成的系统稳态过电压，维护电压水平。
（4）通过控制无功减少线损。
（5）在诸如大容量电动机启动这样的负荷投运时，稳定母线电压。
（6）抑制电压闪变。
（7）改善由于单相大负荷造成的三相不平衡。
（8）当出现暂态稳定摇摆时，支持系统电压、维持系统同步。
·静止无功发生器SVG，STACOM（STATCOM的作用：
动态补偿交流母线无功功率，稳定交流母线电压。
）四种工作模式：
空载、容性、感性、有源滤波
·有源电力滤波器（APF）基本原理：
通过产生于补偿谐波形状一致、相位相反的电流，来抵消非线性负荷产生的谐波电流，以使谐波不会流入公共供电回路。
电路结构：
APF实质上是一个与负荷谐波电流及基波无功电流反相位的特殊补偿电流源，由四个部分组成：
无功电流或谐波成分检测部分。
控制系统。
逆变电源。
输出部分。
·SVG&SVC比较:
（1）SVG具有更好的处理特性。
SVC在系统电压较低时，表现为电容的特性，即无功随电压的降低按平方关系下降。
而SVG则在低电压时，表现为定电流特性，因而无功功率只随电压的降低按一次方关系下降。
2）SVG采用PWM控制，具有更快的响应特性。
（3）SVG中，无功调节不是通过控制容抗或感抗的大小实现的，因而，无需直接与系统连接的电容器或电抗器，不存在系统谐振问题，且大大减小了设备体积。
相同容量下，SVG体积约为SVC的1/3。
（4）由于SVG三相的出力可以各自独立地进行控制，因而可以用于三相不平衡负荷的动态补偿。
这一点对SVG用于电气化铁道、电弧炉的电压波动补偿非常有利。
（5）SVG具有有源滤波器的特性，可以用于需要有源滤波的场合。
·串联补偿与并联补偿的不同之处
（1）并联补偿只需要电力系统提供一个节点，另一端为大地或悬空的中性点；而串联补偿需要电网提供两个接入点。
（2）并联补偿装置通常只改变节点导纳矩阵的对角线元素，或者等效为注入电力系统的电流源；而串联补偿装置会改变导纳矩阵的非对角元素，或者等效为注入的电压源。
（3）并联补偿装置与所接入点的短路容量相比通常较小，主要通过注入或吸收电流改变系统中电流的分布。
对节点电压和潮流的控制能力通常较弱。
串联补偿能直接改变线路的等效阻抗或通过插入电压源来改变传输线的电压自然分布特性，从而调节电压分布，对电压和潮流的控制能力强。
（4）并联补偿产生补偿效果后通常可以使节点附近的区域受益，适合于电力部门采用，而串联补偿可以针对特定的用户，因而对特定用户的补偿采用串联补偿更加合适。
（5）并联补偿装置需要承受全部的节点电压，串联补偿装置需要承受全部的线路电流
VSC-HVDC技术
·传统的HVDC缺点：
1,需要交流电网提供换相电流，该电流实际上是相间短路电流，因此要保证换相的可靠，受端交流系统必须具有足够的容量，即必须有足够的短路比，当受端电网比较弱时便容易发生换相失败。
2,由于开通滞后角α和熄弧角γ的存在及波形的非正弦，传统的HVDC要吸收大量的无功功率，其数值约为输送直流功率的40~60%，这就需要大量的无功补偿及滤波设备，而且在甩负荷时会出现无功过剩，可能导致过电压。
3,因为传统的HVDC需要交流电网提供换相电流，这就要求受端系统必须是有源网络。
因此，传统的HVDC不能向无源网络（如孤立负荷）输送电能。
·柔性直流输电的应用场合：
非同步联网；连接分布电源；向城市中心送电；促进电力市场发展；提高配电网电能质量；向远方孤立负荷点送电；多端VSC-HVDC网络。
·柔性直流输电构成：
换流桥（换流桥每个桥臂是由若干个IGBT级联而成。
IGBT旁边都反并联一个二极管，它不仅是负载向直流侧反馈能量的通道，同时也起续流的作用。
）换流变压器（不同于CSC-HVDC，VSC-HVDC并不需要特殊的换流变压器或移相变压器，其所用换流变压器与常规的单相或三相变压器大体类似。
）换流电抗器（滤除换流器所产生的特征谐波，以获得期望的基波电流和基波电压；抑制直流过电流的上升速度。
）直流电容器（为逆变器提供电压支撑；缓冲桥臂关断时的冲击电流；减小直流侧谐波。
）交流滤波器（滤去交流侧电压谐波分量；对系统提供部分无功补偿的作用。
）
·VSC-HVDC与常规HVDC的区别：
功率范围：
传统的HVDC主要运行于较大的功率范围，约在250MW以上；而VSC-HVDC输送的功率可以从几MW到几百MW，直流电压可达±150kV。
模型组件：
VSC-HVDC是以一套有若干标准规格的换流站模块为基础，大多数设备在制造厂家就被封装起来；而传统的HVDC往往是根据系统运行的需要以及某些特殊的用途而设计和装配的。
换流电路：
VSC-HVDC换流站通过VSC控制IGBT的通断，因此，电路结构与传统HVDC有着很大的不同。
运行的独立性：
VSC-HVDC不依赖于交流系统去维持电压和频率的稳定；与传统的HVDC相比，短路容量并不重要。
VSC-HVDC可以给无源网络直接供电；而传统的HVDC在受端电网中必须有旋转电机。
对功率的控制：
传统的HVDC终端可以通过滤波器和串联电抗的通断以及在某种程度上对触发角的控制来达到对功率的控制，但是这种控制需要额外的设备和额外的损耗；VSC-HVDC则可以在很短的时间内形成任意的相角或幅值，这为独立地控制有功和无功提供了可能性。
·VSC-HVDC的技术特点1VSC电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，不需要外加的换向电压。
2正常运行时VSC可以同时且独立控制有功和无功，控制更加灵活方便。
3VSC不仅不需要交流侧提供无功功率，而且能够起到STATCOM的作用。
4潮流反转时直流电流方向反转，而直流电压极性不变。
5由于VSC交流侧电流可以控制，所以不会增加系统的短路容量。
6VSC通常采用SPWM技术，开关频率相对较高，经过低通滤波后就可得到所需交流电压，可以不用变压器，所需滤波装置的容量也大大减小。
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