高压交直流混联输电系统.pdf

高压交直流混联输电系统 主 编 刘一涛 穆永强 副主编 王春生 高庆忠 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 本书介绍了高压交直流混联系统的发展及现状，在高压交直流混联系统的框架下阐述了高压交直流混联系统的特性，重点研究了高压直流电网接入对交流系统的影响。主要内容包括：高压交直流混联系统的经济特性分析，高压直流系统接入交流系统的运行方式，高压交直流混联系统故障分析，高压交直流混联电网故障对交流继电保护的影响，高压交直流混联电网直流偏磁的来源与影响，高压交直流混联系统仿真分析。本书注重理论分析和工程应用，适合作为从事高压交直流混联电力系统的科研、规划、设计和运行人员的参考用书，也适合作为高等学校电力系统专业的参考书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 高压交直流混联输电系统/刘一涛，穆永强主编.北京：电子工业出版社，2017.12 ISBN 978-7-121-33455-9.高 .刘 穆 .高压电网混合输电输电系统研究.TM721.3 TM727 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2018）第 002847 号 责任编辑：杨秋奎 特约编辑：刘 炯 印 刷：北京京科印刷有限公司 装 订：三河市华成印务有限公司 出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7101 000 1/16 印张：17 字数：233 千字 版 次：2017 年 12 月第 1 版 印 次：2017 年 12 月第 1 次印刷 定 价：79.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888，88258888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。本书咨询联系方式：（010）88254694，。高压交直流混联输电系统 编委会 主 编：刘一涛 穆永强 副主编：王春生 高庆忠 编委会成员：张明理 张 楠 沈 方 常福刚 杨晓峥 鞠英俊 高 靖 王 勇 王 征 姜 涛 李剑峰 刘 岩 张泽宇 邓鑫阳 陈明丰 史 喆 韩震焘 张子信 宋卓然 刘宏楠 郭振亚 王 森 鲍洁秋 李亚平 前 言 基于中国能源与需求逆向分布的国情，为了满足更大容量、更远距离的电力传输，发展特高压交直流混合电网已成为中国电网发展的战略方向。从 20 世纪 50 年代末起，中国跟踪世界直流输电技术发展，开始了直流输电技术研究；70 年代在上海建成直流输电试验工程，80 年代末建成舟山直流输电工业性试验工程；1990 年建成葛洲坝上海高压直流输电工程。经过这些年跨越式的发展，中国高压直流输电技术及其工程应用已经得到飞速发展，常规高压直流输电工程设备已实现国产化。预计到 2020 年，我国建设的直流输电工程将达 50 余项，随着“西电东输”和全国联网的全面实施，交直流混联电力系统的格局已在我国的华南、华东、华北、东北电网中出现，我国已经进入高压交直流混合大电网运行时代，其输送容量之大、落点之密集、运行调控之复杂均属世界罕见。高压交直流混联系统的出现，给电力系统的运行带来了一系列的新问题，由于直流系统及其控制系统特有的大电流、非线性快速响应特征，交直流混联系统的故障暂态过程的作用机理、故障特征、动态特征与传统交流电力系统有很大差异，它突破了传统电力系统继电保护框架体系的认识。近年来，我国交直流混联系统出现的一系列继电保护不正确动作事故，说明了这一问题的严重性。因此，高压直流系统接入交流电网后，给交流电网带来的一系列影响引起了相关领域的重视，关于高压交直流混联系统的运行特性及故障行为分析的研究工作和工程实践成为该 VI 领域在国内外的热点研究课题，主要研究成果比较零散地分布于各类学术报告和学术论文中，尚未形成一本系统全面的著作。本书正是在这样的背景下完成的，本书是国内外首先系统论述高压交直流混联系统运行特征及高压直流系统接入对交流电网影响的著作。首先，从基本理论出发，结合实际工程案例，理论联系实际，在充分继承我国在传统电网运行特性及故障分析的基础上重点研究高压交直流混联系统的经济特性、高压直流系统接入交流系统的运行方式及系统故障分析，包括高压交直流混联电网故障对交流继电保护的影响和直流偏磁问题。其次，利用系统建模手段，建立了高压交直流混联系统数学模型，对系统运行特征进行仿真分析。最后，对未来我国高压交直流混联系统的发展及系统运行稳定性的提高提出建议和想法。本书分为 7 章，第 1 章介绍高压输电的发展，第 2 章重点分析高压交直流输电系统特性与经济分析，第 3 章分析高压交直流混联系统特点及影响，第 4 章针对高压交直流混联电网故障进行分析，第 5 章分析高压交直流混联电网直流偏磁，第 6 章对高压交直流混联电网潮流计算进行分析，第 7 章介绍高压交直流混联电网系统的仿真。本书在编写过程中得到了许多专家和领导的鼓励和支持，还参阅了一些文献资料。在此，谨对所有文献资料作者、支持并参与本书编写的专家和领导表示由衷的感谢。本书涉及内容广泛，由于作者水平所限，书中难免存在不妥之处，恳请读者不吝指正。编 者 2017 年 12 月 目 录 第 1 章 高压输电的发展1 1.1 电网发展历程 3 1.2 电网互联现状 8 1.3 未来电网发展 12 1.4 特高压输电发展动因 16 1.5 特高压电压等级选择的原则 21 1.6 国外特高压输电发展情况 26 1.7 国内特高压输电发展情况 30 1.7.1 中国特高压交流输电技术的发展 30 1.7.2 中国特高压直流输电技术的发展 32 第 2 章 高压交直流输电系统特性与经济分析37 2.1 交流输电系统特性 39 2.1.1 可靠性与稳定性 39 2.1.2 输电特性与输电能力 41 2.2 直流输电系统特性 47 2.2.1 可靠性与稳定性 47 2.2.2 输电特性与输电能力 49 2.3 特高压交直流混合电网特征 51 2.4 交直流输电的经济性分析 54 2.4.1 交流特高压/超高压输电的经济性比较 54 2.4.2 交流/直流特高压输电的经济性比较 56 2.5 交流/直流特高压输电的适用场合 59 VIII 第 3 章 高压交直流混联系统特点及影响65 3.1 直流系统接入交流系统的安全稳定 67 3.1.1 交流系统对直流系统运行的支撑 67 3.1.2 特高压直流系统接入交流系统的方式 68 3.1.3 特高压直流系统与交流系统的相互影响 70 3.2 交直流混联电网运行特征 73 3.2.1 直流电网运行特点 73 3.2.2 受端电网运行特性 79 3.3 交直流混联系统的相互影响 81 3.3.1 交直流混联电网相互影响途径 81 3.3.2 交直流混联电网相互影响评价 82 3.3.3 慢速变化工况 84 3.3.4 快速变化工况 85 第 4 章 高压交直流混联电网故障分析91 4.1 故障特征变异的概念 93 4.2 基于竞争的故障特征变异机理分析 96 4.2.1 竞争的基本分析方法 96 4.2.2 交直流系统电气竞争范围分析 97 4.3 扰动下直流系统动态特性分析 99 4.3.1 直流系统电气量的扰动强度分析 100 4.3.2 直流系统电气量的特征分析 103 4.4 交直流混联电网故障对交流保护的影响 105 4.4.1 变化量方向元件 105 4.4.2 零序元件 109 4.4.3 负序元件111 4.4.4 距离元件118 4.4.5 差动元件 122 4.5 交流系统不接地故障时直流系统变化对交流零序保护的影响 126 4.6 交流系统接地故障时直流系统变化对交流零序保护的影响 130 IX 目 录4.7 交直流混联电网故障暂态功率导向分析 133 4.7.1 暂态快速功率倒向机理研究 133 4.7.2 影响保护动作的因素分析 138 4.8 保护运行环境对保护动作行为的影响及建议 142 4.8.1 纵联保护通道分析 142 4.8.2 正、反方向元件灵敏度的考虑 145 4.8.3 系统中运行交流保护的建议 147 第 5 章 高压交直流混联电网直流偏磁 149 5.1 直流偏磁的物理现象及来源 151 5.1.1 直流偏磁的物理现象 151 5.1.2 直流偏磁的来源 152 5.2 直流偏磁的影响 156 5.2.1 直流偏磁对系统的影响 156 5.2.2 直流偏磁对变压器的影响 158 5.2.3 直流偏磁产生的谐波对电容器的影响 165 5.3 变压器直流偏磁的影响 167 5.3.1 变压器结构对变压器偏磁影响 167 5.3.2 变压器直流偏磁对继电保护的影响 169 5.4 变压器直流偏磁的抑制措施 171 5.4.1 反向电流法 173 5.4.2 变压器中性点串联电阻法 177 5.4.3 接电容器抑制法 178 5.5 直流偏磁抑制措施比较及其对继电保护的影响 183 5.5.1 受中性点串联电阻或电容影响的变压器和线路保护 184 5.5.2 中性点串联电阻法对继电保护的影响 187 第 6 章 高压交直流混联电网潮流计算分析 193 6.1 交直流混联系统潮流计算中换流器标幺值方程 195 6.2 交直流电力系统数学模型 199 X 6.3 交直流混联系统潮流计算的牛顿迭代法 202 6.3.1 整流侧定电流控制和逆变侧定电压控制 204 6.3.2 整流侧定电流控制和逆变侧定关断角控制 205 6.4 交直流混联系统潮流计算的快速解耦法 208 6.4.1 整流侧定电流控制和逆变侧定电压控制 209 6.4.2 整流侧定电流控制和逆变侧定关断角控制 209 6.5 交直流混联系统潮流计算示例211 第 7 章 高压交直流混联电网系统仿真 215 7.1 电磁暂态与机电暂态数字仿真初始化 217 7.1.1 发电机及其控制器的初始化问题 217 7.1.2 直流输电系统的初始化问题 219 7.1.3 输电线路的初始化问题 220 7.1.4 负荷的初始化问题 220 7.2 交直流混联电网电磁暂态数字仿真 222 7.2.1 交直流电力系统电磁暂态数字仿真的实现途径 222 7.2.2 用于模型离散化的常用数值积分公式及其特点 224 7.2.3 集中参数元件的离散化伴随模型 227 7.2.4 集中参数多相输电线路的离散化伴随模型 229 7.2.5 分布参数单根无损线的 Bergeron 模型 231 7.2.6 分布参数单根小损耗线路的 Dommel 模型 233 7.2.7 分布参数多相耦合输电线路的 K.C.Lee 模型 236 7.2.8 分布参数多相耦合输电线路的扩展 Bergeron 模型 240 7.2.9 输电线路电磁暂态计算示例 244 7.3 交直流混联电网机电暂态数字仿真 246 7.3.1 交直流电力系统机电暂态仿真的基本原理 246 7.3.2 直流输电系统的响应特性模型 247 7.3.3 机电暂态仿真中与发电机模拟相关的几个问题 249 参考文献 257 第 1 章 高压输电的发展 1.1 电网发展历程 1.2 电网互联现状 1.3 未来电网发展 1.4 特高压输电发展动因 1.5 特高压电压等级选择的原则 1.6 国外特高压输电发展情况 1.7 国内特高压输电发展情况 3 第 1 章 高压输电的发展1.1 电网发展历程 1875 年，法国巴黎建成世界上第一座火力发电厂，标志着电力时代的到来。1882 年，爱迪生在纽约建成世界上第一座商用发电厂（装机容量为 660kW，采用 1.6km 110V 直流电缆输电），标志着电力成为一种商品。根据欧姆定律，在输送同样功率的情况下，只有提高电压，减小电流，才能够实现远距离、低损耗的电能输送；考虑到用电安全因素，用户侧电压不能太高，到达用户侧后，还需要降低电压，以满足设备安全用电。在此情况下，当