高压直流输电——常规高压直流输电系统

工作原理

工作原理图如下：

工作原理图

高压直流输电系统主要由整流站、逆变站和直流输电线路，以及接地极、接地极引线、 控制保护系统构成。两端交流系统是实现直流输电必不可少的组成部分，可分为单极系统、双极系统和背靠背直流系统三种类型。^[1]

单极系统

单极系统可以采用正极性或负极性。在换流站出线端对地电位为正的称为正极，为负则为负极，所连输电导线称为正极/负极导线（线路）。单极直流架空线路通常采用负极性（即正极接地），这是因为正极导线的电晕电磁干扰和可听噪声均比负极导线的大。同时由于雷电大多为负极性，所以正极导线雷电闪络的概率也比负极导线高。

1) 单极大地（海水）回线方式

单极大地（海水）回线方式的两端换流站均需接地，大地/海水相当于直流输电线路的一根导线，流经它的电流为直流输电工程的运行电流。由于地下/海水中长期有大直流电流流过，会引起接地极附近地下金属构件的电化学腐蚀，以及中性点接地变压器直流偏磁的增加而造成的变压器磁饱和等问题。

单极大地回线方式结构简单，利用大地，省去一根导线，线路造价低。运行可靠性和灵活性较差；接地极要求高，投资增加。适合高压海底电缆工程。

单极大地（海水）回线方式2) 单极金属回线方式

用低绝缘的金属返回线代替地回线；金属返回线一端需要接地，其不接地端的最高运行电压为最大直流电流时在金属返回线上的压降。在运行中，地中无电流流过，可以避免电化学腐蚀和变压器磁饱和等问题。线路投资和运行费用较单极大地回线方式高。适合接地极困难、输电距离较短的直流工程。

单极金属回线方式3) 单极双导线并联大地（双金属）回线方式

利用已有输电导线，为降低线路损耗而采用的一种单极大地回线方式。

单极双导线并联大地（双金属）回线方式双极系统

实际工程中大多采用双极系统。双极系统是由两个可独立运行的单极系统组成，便于工程进行分期建设。同时，在运行中当一极故障停运时，可自动转为单极系统运行。因此，在实际运行中，单极系统的运行方式依然常见。

“n-1”scenario: 单极系统故障停运。

1) 双极两端中性点接地方式

由两个独立运行的单极大地回路系统构成。两端换流站的中性点均接地；大地回路可作为输电系统的备用导线。正常运行时，直流电流的路径为正负两根极线，正负两极在地回路中的电流方向相反，地中电流为两极电流之差值。

双极的电压和电流可以不相等，均相等时称为双极对称运行方式，不相等时称为电压或电流的不对称运行方式。双极电流相等时，地中无电流流过，实际上仅为两极的不平衡电流，通常不平衡电流小于额定电流的1%。

双极两端中性点接地方式的运行灵活性高。根据具体情况可转为三种单极方式运行：单极大地回线、单极金属回线和单极双导线并联大地回线方式。

在故障极停运时，健全极自动形成单极大地回线方式运行。同时，可以利用直流输电工程的过负荷能力，短时内使健全极的输送功率大于额定值，以减少对两端交流系统的冲击。

在双极对称运行时，若一端接地极系统故障，可将故障端换流站的中性点（neutral point）自动接到换流站内的接地网（earth mat）上临时接地，并断开故障的接地极，以便进行故障接地极的检修工作。

双极两端中性点接地方式2) 双极一端中性点接地方式

实际工程很少采用。当一极线路发生故障需要退出工作时，必须停运整个双极系统，没有单极运行的可能性。优点是运行中地中无电流流过；但运行可靠性和灵活性较差。

3) 双极金属中线方式

当不允许地中流过直流电流或接地极很难选址时才采用。相当于两个可独立运行的单极金属回线系统，共用一条低绝缘的金属返回线/中性线，运行中地中无电流流过。金属返回线一端需要接地，其不接地端的最高运行电压为最大直流电流时在金属返回线上的压降。

双极金属中线方式的运行可靠性和灵活性较高。当一极线路发生故障时，可自动转为单极金属回线方式运行；当换流站的一个极发生故障需要退出工作时，可先转为单极金属回线方式运行，还可转为单极双导线并联金属回线方式运行。由于采用三根导线组成输电系统，线路结构复杂，线路造价较高。

背靠背直流系统

背靠背直流系统多用于异步联网。以交流—直流—交流两次换流的方式实现两个非同步运行（不同频率或频率相同但非同步）的交流电力系统间的联络而无直流输电线路的电力工程设施。直流侧闭环回路内的整流器和逆变器经平波电抗器直流相连。

直流侧可选择低电压大电流，充分利用大截面晶闸管的通流能力。因为直流电压低，可降低直流设备造价。直流侧谐波不会造成对通信的干扰，可降低对直流侧滤波器的要求，取消直流滤波器，减小平波电抗器的电感值。

背靠背直流系统多端直流输电系统

多端直流输电系统是由三个或三个以上换流站以及换流站间的高压直流输电线路所组成，可以解决多电源供电或多落点受电的输电问题，可以联系多个交流系统，或者将交流系统分成多个孤立运行的电网。

在多端直流输电系统中的换流站可以作为整流站或逆变站运行，但整流站运行的总功率与逆变站运行的总功率必须相等，即整个多端系统的输入和输出功率必须平衡。换流站间的连接方式可以为并联或串联方式，输电线路可以是分支形或闭环形等。

串联方式并联方式运行方式同一直流电流下运行同一直流电压下运行有功调节改变直流电压改变直流电流调节方式调节换流器的触发角α或换流变压器的分接开关（tap changer)调节换流器的触发角α或换流变压器的分接开关（tap changer)功率因素无功功率多，直流侧电压高，直流电流大，经济性能差换流器功率因素高，无功功率少，系统损耗小，经济性能好潮流反转改变换流器触发角，不需改变换流器直流侧接线，潮流反转操作快速方便改变换流器触发角，需要将换流器直流侧两个端子的接线倒换过来接入直流网络，潮流反转操作不方便换流站故障投入旁通开关，不需要直流断路器来断开故障需要直流断路器来断开故障尾声

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参考^高压直流输电工程技术 https://book.douban.com/subject/6018552/