2.5 超特高压直流输电系统的传输特性与换流站的无功补偿

2.5.1 超特高压直流输电系统的主接线与等效电路

我国西电东送传输距离远、容量大，由于交流输电受稳定性的限制，因此采用可控硅元件作换流器件的（±500kV）超高压和（±800kV,±1100kV）特高压直流输电方式。

图2.24示出超、特高压直流输电系统的主接线。

图2.24中，1为变压器；2为可控换流器；3为平波电抗器；4为直流滤波器；5为直流输电线路，是直流输电网的正负极；6为交流滤波及无功补偿器。S ₁ 与S ₂ 为两侧交流系统；中间部分是由换流器及直流输电线路构成的直流回路。两侧换流器必须是顺向串联，否则电流不可流通。

图2.25示出直流输电网的等效电路。

图2.25中，（ U ₁ , U ₂ ）是1、2两侧换流器生成的直流电压：与换流元件的正方向相同的电压称为正向电压；与换流元件的正方向相反的电压称为反向电压。对照图2.24与图2.25可见： U ₁ 为正向电压， U ₂ 为反向电压。生成电流必要条件是正向电压高于反向电压。电流算式为：

式中 ， i ₁₂ 为直流回路电流； R ₁₂ 为直流回路电阻；Δ U =（ U ₁ - U ₂ ）为正、反向电压差。

由于1侧生成的直流电压 U ₁ 与直流电流 i ₁₂ 的方向相同，因此功率由交流侧送入直流侧，称为整流侧；反之，2侧生成的直流电压 U ₂ 与直流电流 i ₁₂ 的方向相反，因此功率由直流侧送到交流侧，称为逆变侧。保证整流侧的直流电压高于逆变侧的直流电压是生成直流电流的必要条件。

直流电压的方向是由可控硅换流器的触发角确定的：当触发角为（0< α <90 ° ）时生成正向电压；当触发角为（90 ° < α <180 ° ）时生成反向电压。可以同时改变直流电压的方向和高低，即可实现两侧“整流”与“逆变”的交换，使直流输电系统传输功率的方向反转。

两个交流系统之间仅有直接流输电线连接时可在不同的频率下运行，称两个交流系统“异步并联”，这时两个交流系统的功率传送量可由直流输电系统控制。这种方式往往应用于两个国家之间的电网联络，使两国之间的功率传输可控，从而保持两国交流电网的独立性，直流系统起了“隔断”作用。

当两个交流系统相邻采用直流连接时，两侧换流站相邻没有输电线，称为“背靠背”直流输电。苏联将“背靠背”换流站称为直流“插座”。

交流系统采用交流输电线连接时必须在同一个频率下运行，因此称为同步并联。优点是一个交流系统功率不平衡引起频率、电压变化时，另一个交流系统会自动作出响应，通过改变联络线功率协助阻止频率与电压的变化，因此可以提高两个系统的运行稳定性；缺点是联络线上功率不可控。

交流系统采用直流异步连接的优点是联络线上的功率可控；缺点是直流具有“隔断”作用：当一个交流系统功率不平衡引起频率、电压变化时，另一个交流系统不会自动作出响应，因此运行稳定性较差。因此，异步连接的两个交流系统都需要有足够的稳定性控制能力。

含可控硅整流器的输电系统在触发角不为零时将产生谐波并吸收交流系统的无功，其大小与触发角等因素相关。滤波及无功补偿器的作用是消除谐波并进行无功补偿，以保证电能质量与运行稳定性。

由3.3节可知：交流输电由于受稳定性限制，一条1000kV交流特高压输电线路，传播常数 β =6.16 °/ 100km，波阻抗 z _C =244.5Ω，自然功率 P _N =4090MW。长度 l =654km时，其最大传输功率为4144MW，接近其自然功率。而一条±1100kV特高压直流输电线路传输功率可达12000MW，传输距离逾3000km。因此我国西电东送均采用特高压直流输电方式，将西部丰富的水电、风电与光电直接输送到东部负荷区，特高压直流输电技术为我国西部清洁能源的开发与利用做出了十分重大的贡献。

2.5.2 不可控三相换流电路的运行特性

（1）换流定义与换流器件

所谓换流指的是交流与直流的相互转换：交流变直流称为整流；直流变交流称为逆变。电力系统的直流输电工程中通常使用三相桥式换流电路，换流阀元件分为不可控元件与可控元件，前者为二极管无控制极，电流不可控；后者为三极管有控制极，电流可控。可控元件又分为半控元件与全控元件，前者仅控开通不控关断；后者既可控开通又可控关断。

（2）换流电路的结构

如图2.26所示为二极管组成的不可控三相整流桥，只能整流不可逆变。

图2.26中，按所在交流的相和直流的正负极对6个整流管命名，分别称为正极管A ⁺ ,B ⁺ ,C ⁺ 与负极管A-,B-,C-。 E 为交流线电压有效值， u _d 为直流电压， i _d 为直流电流。

（3）换相的定义与换相成功的条件

换流桥的正常运行状态是：①同一个极的三个换流管只有一个是导通的，其他两管处于关闭状态；②在每一个交流周期内，同一个极的三个换流管轮流导通120 ° ，关断240 ° 。

同极中两管的电流转换称为换相，电流转换的起始点称为换相点，随后换相管电流导通，被换相管电流截断称为换相成功。

换相成功的电压条件是：正极管换相时刻交流电网给予换相管的电位应高于其他两相电位。图2.27示出A ⁺ 管的导通与截止区间。

负极管换相时刻交流电网给予换相管的电位应低于其他两相电位。图2.28示出A-管的导通与截止区间。

二极管这种依靠电网电压进行换相的方式称为“电网换相”，又称“自然换相”。

（4）直流侧电压波形

自然换相的三个正极管轮流导通120 ° ，总是将最高电位的交流母线接入直流正极母线；三个负极管轮流导通120 ° ，总是将最低电位的交流母线接入直流负极母线。同时可见：当一相正极管导通120 ° 时，其他两相处于最低电位的负极管按相序各导通60 ° ，即一个正极管导通时将按相序向直流母线引入两个线电压，因此在交流电压的一个周期内，换向器依次将（ u _AB , u _AC ; u _BC , u _BA ; u _CA , u _CB ）的顶部各取60 ° 生成6脉冲直流电压，如图2.29所示。

图2.29中标出了6个线电压的下标文字，其物理意义是：前一个字母表示正极管导通的相，后一个字母表示负极导通的相。

6脉冲直流电压的平均值为：

式中 ， E 为交流线电压的有效值。

见图2.24，换流站的正、负极均由接线组别相位差30 ° 的两组变压器组成（例如11点接线与12点接线），各自的换流器输出的6脉冲直流电压也相差30 ° ，两个6脉冲直流电压串联后的峰谷叠加获得12脉冲直流电压，如图2.30所示。

图2.30中，下标为1的电压是第1组换流桥生成的直流电压；下标为2的电压是第2组换流桥生成的直流电压。12脉冲直流电压的波动较6脉冲小，减小了直流电压谐波的幅值，可以减小滤波器的容量。

经滤波后的直流电流接近恒定，为一水平直线。

（5）交流侧电流波形

每周期内交流侧各相的正负半波各导通120 ° 为直流侧提供电流，电流如图2.31所示。

由图2.31可见，交流侧的电流在正、负半波内都是宽度为120 ° 的方波。

2.5.3 可控三相换流电路的运行特性

（1）电路结构

图2.32为可控硅换流器接线图，换流器采用可控硅三极管，换流桥在m、n两端生成的直流电压大小与正负可以改变。

给三极管控制极触发脉冲是使其导通的必要条件，因此可控三相换流桥换相成功的充分条件有二：

①正极管换相时刻交流电网给予换相管的电位应高于被换相管的电位；负极换相时刻交流电网给予换相管的电位应低于被换相管的电位。

②在保证满足电压条件的区间内给控制极触发脉冲。

图2.33绘出了A ⁺ 管换C ⁺ 管与A-管换C-管保证满足电压条件的触发区间：正极管应为本相电压的（30 ° ~210 ° ），负极管应为本相电压的（210 ° ~30 ° ），宽度均为180 ° 。图中，实线为起始相位；虚线为终止相位。

以换流管电流的正方向作为换流桥产生的直流电压的正方向，改变控制极触发脉冲的位时刻可以改变直流电压的大小和方向。将触发区间分为两半：触发脉冲在前90 ° ，换流桥生成的直流电压的方向为正向（m为正，n为负），该电压生成正向电流，将交流电网的功率送入直流电网，称为整流状态；触发脉冲在后90 ° ，换流桥生成的直流电压的方向为反向（m为负，n为正），需要外部直流电网中有较高的正向电压才能生成电流，这时换流器吸收功率送入交流电网，称为逆变状态。

（2）换相参数的定义

记整流侧下标为r，逆变侧下标为i，以自然换相点为时间的参考点（0 ° ），换相参数的定义示于图2.34。

①触发角（ α ）

触发脉冲滞后于自然换相点的角度：（0 ° < α <90 ° ）为整流状态；（90 ° < α <180 ° ）为逆变状态。

②换相重叠角（ μ ）

由于电路有电感，换相管的电流上升与被换相管的电流下降需要一定的时间，因此换相时出现换相管与被换相管同时导通的时段，以角度表示称为换相重叠角，用字母 μ 表示。

③逆变角（ β ）

当90 ° < α <180 ° 时，换流器工作于逆变状态。为了方便计算，定义触发角的补角称为逆变角，用字母 β 表示（ β =180 ° - α _i ）。

④熄弧角（ γ ）

工作于逆变状态的换流器换相时，应保证触发角（ α _i =180 ° ）之前完成换相，否则因不能满足换相成功所需要的电压条件而使换相失败，称为“逆变颠覆”。因此将换向完成后与（ α _i =180 ° ）点的距离定义为熄弧角，用字母 γ 表示（ γ = β - μ _i ），控制 γ 保证逆变成功。

（3）直流侧电压的波形与幅值

1）不计换相重叠的直流侧电压波形

图2.35为不计换相重叠（ μ =0）的直流侧电压波形，6个交流线电压均延后 α 角导通和截断，向直流母线提供滞后 α 角的顶部60 ° 宽度的电压。

直流侧的电压平均值与触发角 α 相关：

式（2.50）中， u _d 为直流侧的电压平均值， E 为交流线电压有效值。

2）计及换相重叠的直流侧电压波形

计及换相重叠的直流侧电压波形示于图2.36。由图可见，在重叠角 μ 的区间内整流桥处于换流前后的两相短路状态，因此在换相重叠过程中，换流桥向直流母线提供的交流侧电压为换流的两相与第3相之间的线电压的平均值，即为换相前后两个交流线电压的平均值。图中标出C-管换B-管的情况，在换相重叠过程中换流桥向直流母线提供的交流侧电压（ u _ab + u _ac ） /2。因此直流侧的电压平均值还与换相重叠角 μ 相关，算式为：

式（2.51）中，Δ u _d 为换相重叠引起的直流侧的电压平均值下降。 x _r 为换相电路的感抗， i _d 为直流侧的电流，与直流侧负荷相关。

（4）交流侧的电流波形

1）不计换相重叠的交流侧电流波形

图2.37为无换相重叠的交流侧电流波形。由图可见，触发脉冲发出后换相管电流突然上升为直流侧电流，经120 ° 后被换相，电流突降到0。

2）计及换相重叠的交流侧电流波形

图2.38为无换相重叠的交流侧电流波形。由图可见，触发脉冲发出后换相管电流渐变上升为直流侧电流，经120 ° 后被换相，电流渐变下降到0。

2.5.4 换相重叠的算式

图2.39为B ⁺ 管换A ⁺ 管时两管同时导通电路。图中，（ u _A , u _B ）为交流电源电压的瞬时值，（ i _A , i _B ）为（A ⁺ ,B ⁺ ）两管的电流的瞬时值， i _S 为换相重叠过程中的回路的短路电流， L _r 为交流电路的电感， i _d 为直流侧电流，保持不变。

由于电感电流不能突变，换相时出现A ⁺ 、B ⁺ 两管同时导通，形成图中的短路回路，短路回路的电源电压为（ u _BA = u _B - u _A ），短路电流 i _S 使A ⁺ 管电流由 i _d 下降到0, B ⁺ 管电流由0上升到 i _d ，换相重叠中两管的电流算式为：

B ⁺ 管的自然换相点正好是 u _BA 的相位0点，作为时间的起点，回路电压 u _BA 写为

式中 ， E 为交流侧线电压有效值； α 为B ⁺ 管的触发角。

回路电流稳态分量滞后电压90 ° ，算式为：

式中 ， X _r =2 ωL _r 为短路回路的感抗，令 ωt =0时 i _s =0，并考虑短路回路时间常数较大，换相重叠时间相对较小，近似认为在换相重叠中暂态电流保持初始值不变，回路电流暂态分量的算式为：

由式（2.54）与式（2.55）得出换相重叠区间的全电流算式为：

按换相重叠终止时有 ωt = μ ，并有 i _s = i _d ，将其代入式（2.56），得出

由式（2.58）可见， 是决定换相重叠角 μ 的主要影响因素：

①当（ X _r =0）或（ i _d =0）时，无换相重叠（ μ =0）。

②当（ X _r ≠0）同时有（ i _d ≠0），有换相重叠（ μ ≠0）：直流电流 i _d 和回路感抗增大，换相重叠角 μ 随之增大。

③提高交流侧线电压有效值 E ，换相重叠角 μ 随之减小。

2.5.5 换流站交流侧的功率

（1）整流站交流侧的功率

1）整流站交流侧的功率算式

交流电网送入整流站交流站的基波功率算式为：

式（2.59）中，（ P _r , Q _r ）为交流电网送入整流站侧的有功和无功；（ U _r1 , I _r1 ）为交流侧电压、电流的基波分量有效值； φ _r1 为 超前于 的角度，为基波功率因数角。

2）整流站交流侧的基波功率因数角

图2.40示出（0< α _r <90 ° ， μ _r ≠0）下整流侧的交流电流。

基波功率因数角就是电流中心线滞后于电压中心线的角度。

基波功率算式为：

将式（2.60）带入式（2.59），交流电网送入逆变站交流侧的功率算式为：

由图2.40可见，整流站交流侧0< φ _r1 <90 ° ，基波电流与电压的相位关系示于图2.41。

由图2.41可见，整流站交流侧既吸交流电网的有功，也吸交流电网的无功。随触发角 α _r 与换相重叠角 μ _r 的增大吸有功减小，吸无功增大。

（2）逆变站交流侧的功率

1）逆变站交流侧的功率算式

交流电网送入逆变站交流侧的功率算式为：

式（2.62）中， P _i , Q _i 为交流电网送入逆变站侧的有功和无功， U _i1 , I _i1 为交流侧电压、电流的基波分量， φ _i1 为 超前于 的角度。

2）逆变站交流侧的基波功率因数角

图2.42示出90 ° < α _i <180 ° ， μ _i >0下逆变站的交流电流。由图可见，逆变站交流侧90 ° < φ _r1 <180 ° ，基波电流与电压的相位关系示于图2.43。

由图2.43可见，逆变站交流侧向交流电网输送有功的同时吸交流电网的无功。随触发角 α _i 与换相重叠角 μ _i 的增大输送有功增大，吸无功减小。

逆变站的基波功率因数角为：

将式（3.58）代入式（3.57），交流电网送入逆变站交流侧的功率算式为：

由式（2.64）可见，随熄弧角 γ 与换相重叠角 μ _i 的增大，逆变站送入交流电网的有功减小，吸无功量增大。 Id+I1SAN//m81vsICAotHAyXRDjb4Jp0ctWDtCN3LtJaJylVjsUm+04iAh4ibFTp