国际电气工程先进技术译丛 高压直流输电 功率变换在电力系统中的应用.pdf

国际电气工程先进技术译丛高压直流输电功率变换在电力系统中的应用HVDC TRANSMISSION：Power Conversion Applicationsin Power Systems（韩国）Chan-Ki Kim（加拿大）Vijay K.Sood（韩国）Gil-Soo Jang（韩国）Seong-Joo Lim（韩国）Seok-Jin Lee 著徐 政 译机 械 工 业 出 版 社本书对直流输电的基本理论和工程应用进行了全面的介绍，包括换流器的工作原理、谐波及其消除、直流输电系统的控制和保护、主电路设计、绝缘配合、交直流系统相互作用、高压直流输电系统的建模与仿真。本书适于从事高压直流输电技术研究、开发、应用的技术人员和电力系统科研、规划、设计、运行的工程师，以及高等学校电力系统专业的教师和研究生阅读。Copyright John Wiley&Sons（Asia）Pte Ltd.All Rights Reserved.This translation published under license.Authorizedtranslation from the English language edition，entitled，ISBN：978-0-470-82295-1，by Chan-Ki Kim，Vijay K.Sood，Gil-Soo Jang，Seong-JooLim and Seok-Jin Lee，Published by John Wiley&Sons.No part of this bookmay be reproduced in any form without the written permission of the originalcopyrights holder.本书中文简体字版由 Wiley 授权机械工业出版社独家出版。未经出版者书面允许，本书的任何部分不得以任何方式复制或抄袭。版权所有，翻印必究。本书版权登记号：图字 01-2010-3818 号图书在版编目（CIP）数据高压直流输电：功率变换在电力系统中的应用/（韩）金昌起等著；徐政译.北京：机械工业出版社，2014.1（国际电气工程先进技术译丛）书 名 原 文：HVDC Transmission：Power Conversion Applications inPower SystemsISBN 978-7-111-45481-6.高.金徐.高电压-直流输电.TM726.1中国版本图书馆 CIP 数据核字（2014）第 011036 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：付承桂 责任编辑：付承桂版式设计：肖 琳封面设计：霍永明 责任校对马精明 责任印制2014 年 3 月第 1 版第 1 次印刷169mm 239mm25.25 印张516 千字0 0013000 册标准书号：ISBN 978-7-111-45481-6定价：98.00 元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务社 服 务 中 心：（010）88361066销 售 一 部：（010）68326294销 售 二 部：（010）88379649读者购书热线：（010）88379203网络服务 教 材 网：http：/ 机工官网：http：/ 机工官博：http：/ 封面无防伪标均为盗版乔 宇北京铭成印刷有限公司印刷译 者 的 话西电东送是保障我国能源供应的必然选择，而直流输电以其在大容量、远距离输电方面的优势实际上已成为实施西电东送的主要技术手段。我国已经是世界上直流输电工程最多的国家，未来 10 年还将建设超过 20 项直流输电工程。尽管我国在直流输电技术方面已居世界领先地位，但众多的直流输电工程需要大量从事规划、设计、制造、施工和运行的工程技术人员，如何快速高效地培养我国下一代的直流输电技术人员是目前面临的一个重大任务。本书主要由韩国工程师编写，主要从直流输电工程设计和运行的角度对直流输电的相关问题展开论述。本书内容广泛，几乎涉及了直流输电的所有领域以及在设计和运行中所关注的主要问题。相对于直流输电技术在我国电力系统中的重要性和应用的广泛性，关于直流输电工程技术方面的中文书籍仍然偏少，因此译者历时三年将本书翻译出来，希望本书能够为我国直流输电方面的人才培养做出贡献。本书的翻译得到了国家 863 计划项目“智能电网关键技术研发（一期）”课题19（课题编号：2011AA05A119）的资助。翻译过程中王珅、许烽、陈鹤林、刘昇、李娜、游沛宇、邱一苇、金楚、张君宇、黄翔、黄文滔、陈超、邢佳丽、邓晨成等同学做了大量工作，在此深表谢意。原书中一些明显的笔误或印刷错误，改正以后并未加以说明。限于译者水平，书中难免存在错误和不妥之处，恳请广大读者批评 指 正。译 者 联 系 方 式：电 话（0571）87952074，电 子 信 箱 xuzheng007 。徐 政2013 年 11 月于浙江大学求是园原 书 序 言十年前韩国的第一个直流输电工程，从本土的韩楠到济州岛的直流输电工程投入运行，为韩国电力工业做出了极其重要的贡献。将来，诸如系统间的联网以及大规模可再生能源的质量等将成为关键性的问题，高压直流输电在解决这些关键性问题时将起到决定性的作用，我很自豪自己能投身于此项事业。本书概述了高压直流输电的相关技术，是本领域的重要资源。在如此短的时间内写出如此长篇幅的著作，需要花费巨大的精力。对于电力工业，我们必须承认化石燃料会不可避免地耗尽，而环境保护意识将变得越来越重要。就这点而论，电能相比于煤炭、石油和天然气在效率、经济性和清洁性方面具有多种优势。高压直流输电可以解决多方面的问题，包括交流电网中的电压稳定性，不断增长的短路电流水平以及备用容量的增加等。显然，高压直流输电在未来的电力工业中会起到关键性的作用。十分重要的一点是，对于高质量供电要求和大规模可再生能源接入电网问题，高压直流输电是最有效的解决方案。本书包含了从直流输电基本理论到高级应用的多个方面的内容，并且都在世界著名专家的指导下完成。毫无疑问，这是高压直流输电领域的最好著作之一。科学没有国界，我相信本书对世界范围的电力工作者都是有用和有益的。我真诚地希望本书的作者继续致力于直流输电领域的进一步研究。我突然想起以前我担任韩国电力研究院院长时一起工作的同事，他们对研究工作十分执着，不知疲倦，在他们的办公桌上有这么一句口号，我是完完全全相信的，这句口号是：高压直流输电将会给这个世界带来福利和进步！韩国电力公司输电部副总裁Kim Moon-Duk原 书 前 言虽然高压直流输电在一些人看来是一项成熟技术，但令人惊异的是还有很多的研究领域和很多的工程正在酝酿中。由于既有系统的互联和新技术的应用，电力系统的复杂性正在不断增加。经济上和其他方面的限制正迫使电力公司将它们的电力系统运行在接近稳定极限处，从而以最小的成本来供给可靠而清洁的电能。在发展中国家，如中国、印度和巴西，不断增长的对电能的需求要求高压直流输电承担大容量远距离的输电任务。而希望电网互联并提供更高灵活性的发达国家，则主要依赖背靠背直流输电。此外，将可再生能源接入电网的兴趣也越来越大，再次要求采用直流输电。似乎为了解决上述问题，采用高压直流输电技术是必需的。直流输电的历史始于 1897 年，当时 Thomas Edison 成功实现了基于低压直流的供电和用电。在那个时代，电力工业的标准还没有形成，直流输电和交流输电的技术竞争还非常激烈，交流输电通过变压器实现，由 George Westinghouse 提出。后来，人们认识到了电力的重要性，因而就需要进行大规模的发电和输电。由于交流技术在发电、输电、变换和可靠性方面的优势，它成为了电力工业的骨干。另一方面，20 世纪 30 年代开发出汞弧阀以后，直流输电重新获得了重视。高压直流输电的首次商业化运行是在 1954 年，通过海底电缆从瑞典本土向 Gotland 岛送电。高压直流输电独一无二的特性使得这项技术在特定的应用领域具有巨大的生命力。20 世纪 70 年代初期，晶闸管阀的出现大大推进了高压直流输电的应用，使可靠性大为提高而成本大为下降；90 年代，大功率强制换相开关的实用化也大大促进了高压直流输电的应用。今天，高压直流输电系统已经信誉卓著，它与柔性交流输电系统（FACTS）并肩为电力输送提供复杂而万能的模式。但是，新的应用总是在不断地被开发出来，因此，持续地对高压直流输电技术进行研发并使新的研究者和工程师继续了解这项技术是十分重要的。然而，我们发现此领域的文献经常是短缺的，特别是系统全面的文献资料。为此，我们感到，从事实际工作的工程师应当将他们的专长加入到专门的知识库中，以方便下一代工程师的工作。韩国电力公司（KEPCO）正积极开展东北亚地区国内外的电力互联项目。与此项目相关的具有多年实际工程经验的工程师们集合起来准备了这本书。这本书是这些工程师从事济州岛韩楠直流输电工程第一手知识的结晶，结合了基本原理和实际技巧，这些在其他地方是得不到的。第 1 章和第 2 章对高压直流输电进行了介绍并描述了换流器的基本元器件，是高压直流输电的最基本部分。此外，还描述了换流站无功功率的补偿方法和高压直流输电系统的仿真方法。第 3 5 章描述了用于去除谐波的滤波器的类型以及用于交流滤波器设计的系统阻抗的特性。此外还描述了晶闸管相位控制的基本方法 分相控制（IPC）方法、等间隔脉冲控制（EPC）方法和直流输电系统的控制方法。第 6 8 章描述了高压直流输电系统主电路的设计技术，包括晶闸管换流器、换流变压器、平波电抗器、架空线路、电缆线路、接地极和背靠背换流器。第 9 章和第 10 章对直流输电和交流输电进行了比较，涉及输送容量、环境影响、经济性等多个方面。基于电力输送的实际应用，全面描述了高压直流输电技术世界范围的当前状态和未来发展趋势。本书还有一些有用的补充性资料，可以在本书相对应 的 网 页 http：/ 上找到。我们真诚希望本书能够为直流输电的文献库增加材料，我们当然知道，尽管我们试图将其他地方难以得到的关于实际工程的知识写出来，但要覆盖此项技术的所有领域是不可能的。Chan-Ki KimVijay K.SoodGil-Soo JangSeong-Joo LimSeok-Jin Lee高压直流输电功率变换在电力系统中的应用所用符号列表1/N 匝数比触发延迟角C 控制关断角C 控制vc换流器的-相电压0导体内半径处纸的电阻率G发电机转子速度A极间距离AC交流AG放大门AVR自动电压调节BC母线连接BOD击穿二极管C换相结束后的恢复电压CC电流控制；定电流CCC电容换相换流器CEA定关断角CFO临界闪络电压CP连接管道CSCC可控串联电容换流器CT电流互感器CTC连续换位导体d单根导体的直径；绞线的直径D分裂导线的直径D串联电容减小的换相角的函数De电气阻尼Dm机械阻尼EFL额定电压Emax最大表面梯度EPC等间隔脉冲控制ESCR有效短路比ESDD等值盐密F触发开始换相f0基波频率（60Hz）F0无线电干扰（场强）Fdemand（Hz）频率指令值Forder（Hz）频率输出值ft扭振模式H热管H导线高于地面的平均高度HC接触强度，其中 m/表示粗糙度I1基波电流Id恒定值；直流电流Id新增加的直流电流IDC直流电流水平IdFL额定电流IdN额定电流（A）IhCCCCCC-HVDC 系统中的谐波量IhCon常规 HVDC 系统中的谐波量Iorder从功率控制来的电流指令值Is相电流iA浪涌电流ILED红外发光二极管iN跟踪电流IPC分相控制iS控制电流IVIL逆变器阀绝缘水平KS谐波热传导系数Ld直流侧电感（H）Ls换流器输入端电感LCC电网换相（电流源）换流器LI雷电冲击LIWL雷电冲击水平LTT光触发晶闸管m每束分裂导线的根数MVA决定于下标的额定值高压直流输电功率变换在电力系统中的应用n整数；每束分裂导线的根数Np保证的保护水平NV中性线电压OCT光学电流互感器OSCR运行短