1 绪论
1.1 高压直流输电系统概况
高压直流(high voltage direct current，HVDC)输电系统是一种采用直流电传输电能的系统。因为传统电力系统的发电侧和用电侧大多采用的是交流电，所以为了实现直流电能传输，高压直流输电系统需要利用换流技术，即在功率送端通过整流站将交流电变换为直流电，而在功率受端则通过逆变站将直流电变换为交流电。与传统的高压交流输电方式相比，高压直流输电具备的主要优势在于它能以更低的线路损耗实现远距离、大容量的电能传输。此外，高压直流输电方式还具备很多优点，例如不存在交流系统的频率稳定问题、非同步电网互联方便、传输功率控制灵活，以及直流导线整体造价低等。由于具备上述优势，高压直流输电系统已被广泛应用于远距离大容量电能传输、地下和海底电缆输电、大规模新能源电源的集中接入及非同步电网互联等方面[1， 2]。
高压直流输电技术起源于20世纪50年代。1954年，瑞典在本土和格特兰岛之间建成一条海底电缆直流输电线，是世界上**条工业性的高压直流输电线。20世纪60年代晶闸管的出现，为换流设备的制造开辟了新的前景。此后，基于电网换相换流器(line commutated converter，LCC)的高压直流输电飞速发展，在长距离、大容量电力传输中发挥举足轻重的作用。
我国地域辽阔，一次能源与用电负荷逆向分布，80%以上的能源分布在西部、北部，而75%左右的电能消费集中在中部、东部沿海经济发达地区，供需相距800～3000km，能源配置优化面临巨大挑战。为把电能从能源密集区输送至负荷密集区，地理和物理条件决定了我国需要形成“西电东送、北电南送”的输电格局。预计到2030年，我国跨区域电力输送容量将达到5亿kW以上。高压直流输电可有效解决新能源送出、负荷中心电力供应的迫切需求，在提高输送能力的同时有效节约输电线路走廊宽度，优化电网结构，缓解我国电力工业发展所面临的能源和环境的压力。因此，建设直流输电工程成为我国电力工业发展的必由之路。
目前，我国东北、华北、西北、华中、华东、南方等6个大型区域电网通过超/特高压交、直流输电线路实现互联(其中直流占比超70%)，已形成世界上规模*大、电压等级*高的交直流混联电网。
1.2 换流站设备概述
高压直流输电系统由3部分组成，即整流站、输电线路和逆变站。其中，整流站和逆变站统称为换流站。对于同一个高压直流输电工程而言，整流站和逆变站的设备种类、设备数量甚至设备布置方式几乎完全一样，仅仅在少数设备的台数和容量方面有所差别。高压直流输电系统大量关键设备是满足交、直流系统对安全稳定及电能质量的要求的必要条件，主要设备有换流器、换流变压器、平波电抗器、滤波器、开关设备、输电线路及接地极等，如图1.1所示。
图1.1 高压直流输电系统主要设备示意图
1-交流开关设备；2-交流滤波器；3-换流变压器；4-换流器；5-平波电抗器；6-直流开关设备；7-直流滤波器；8-输电线路及接地极
换流站的主要设备一般被分别布置在交流开关场区域、换流变压器区域、阀厅控制楼区域及直流开关场四个区域。其中，交流开关场区域的主要设备有无功补偿装置、交流滤波器、交流测量装置、避雷器、交流开关设备和交流母线等；换流变压器区域的设备主要有换流变压器及水喷淋灭火系统或其他灭火系统；阀厅控制楼区域的设备主要包含换流器、换流阀冷却设备、辅助电源、通信设备及控制保护设备；直流开关场区域内的设备主要为平波电抗器、直流滤波器、直流测量装置、避雷器、冲击电容器、耦合电容器、直流开关设备和直流母线等。
本节着重对换流器、换流变压器、直流滤波器、接地极线路和接地极进行介绍。
1. 换流器
由电力电子器件组成，具有将交流电转变为直流电或直流电转变为交流电的设备统称为换流器，或称为换流装置。其中，工作在将交流电转变为直流电状态时，换流器处于整流状态，此时的换流器也称为整流器；工作在将直流电转变为交流电状态时，换流器处于逆变状态，此时的换流器又称为逆变器。
在高压直流输电系统中，换流器通常采用三相桥式换流电路(6脉动换流器)作为基本单元。当两个6脉动换流器采用直流端串联、交流端并联方式实现连接后，构成12脉动换流器。为了减少换流器正常运行时产生的谐波，同时降低交、直流滤波器的安装容量及投资费用，现代高压直流输电工程全部采用12脉动换流单元，只有早期的直流输电工程才采用6脉动换流单元。在高压直流输电系统中，换流器不仅具有整流和逆变的功能，还具有开关的功能，通过对换流器的快速控制，实现高压直流输电系统的启动和停运。
晶闸管换流阀是换流器的基本单元，是进行换流的关键设备，阀塔结构如图1.2所示。为了满足换流阀正常换流和可靠运行的要求，换流阀应具有如下基本性能：①只具有单向导通的性能，在一个工频周波中阀导通时间为1/3周波。②在换流阀不导通时，能够承受正向和反向的阻断电压。③换流阀的*大阻断电压由并联避雷器的电压保护水平决定，一般设计为6脉动换流器额定直流电压的3倍。④当换流阀承受正向电压，且有触发电流给门极时，换流阀应导通，只有当流过换流阀的电流降为零时才关断。⑤换流阀具有承受过电流的能力，通过健全阀的*大过电流发生在阀两端间的直接短路，过电流的幅值主要由系统短路容量和换流变压器短路阻抗决定。
图1.2 换流器阀塔
2. 换流变压器
在高压直流输电系统中，换流变压器是*重要的设备之一，连接于交流母线与换流器之间，与换流器一起实现交流电与直流电的转换，承担着变换交流电压、抑制直流短路电流等作用，其实物如图1.3所示。换流变压器容量大、设备复杂、投资昂贵，因而其可靠性、可用率及投资对整个直流输电系统起着关键影响。
图1.3 换流变压器
换流变压器的主要功能包括以下几个方面：①实现电压变换。将交流系统的高电压(一般为500kV或220kV)降低至适合换流器需要的交流电压(多为200kV左右)。②参与实现交流与直流的相互变换。高压直流输电系统一般采用12脉动换流单元接线方式，其中每一个6脉动换流器分别通过Yy和Yd联结换流变压器并联接入交流系统；换流变压器为这两个6脉动换流器提供相位差为30°的交流电压，从而形成12脉动换流器结构。③抑制直流故障电流。换流变压器的漏抗限制了阀臂短路和直流母线及线路短路时的故障电流，能有效保护换流阀。④削弱交流系统入侵直流系统的过电压。
换流变压器的特点主要体现在：①短路阻抗大。为了限制阀臂或直流母线、线路短路导致的故障电流，以免损坏换流器的晶闸管器件，换流变压器应有足够大的短路阻抗。换流变压器的短路阻抗百分数通常为12%～18%。②损耗高。大量谐波流过换流变压器，使换流变压器的漏磁增加，杂散损耗加大，有时甚至可能使换流变压器的某些金属部件和油箱产生局部过热。③有载调压范围宽。为了满足交流母线电压变化的要求，换流变压器一般采用有载调压方式，范围为20%～30%。④直流偏磁严重。运行中由于交直流线路的耦合、换流阀触发角的不平衡、接地极电位的升高等，换流变压器阀侧及网侧绕组的电流中会产生直流分量，造成直流偏磁现象，使得换流变压器损耗、温升及噪声都有所增加。
3. 直流滤波器
直流滤波器的基本作用是允许或阻止某种频率的电流通过，尽可能减少直流量中的交流成分，使输出直流的纹波减少，波形变得更加平滑，其实物如图1.4所示。目前，已运行的高压直流输电工程所采用的直流滤波器有两种形式：无源直流滤波器和有源(混合)直流滤波器。现有直流输电工程运行经验及可靠性表明，无源直流滤波器的应用技术更为成熟。
图1.4 直流滤波器
工程中直流滤波器的配置应充分考虑系统各次谐波的幅值及其在等值干扰电流中所占的比重，即在计算等值干扰电流时应充分考虑各次谐波电流的耦合系数及加权系数。理论上，12脉动换流器仅在直流侧产生12n次(n=1，2，3，)谐波电压，但实际上由于存在着各种不对称因素，如换流变压器对地杂散电容等，换流器在直流侧会产生非特征谐波，其中，由换流变压器杂散电容而产生的次数较低的一些非特征谐波幅值较大，滤除它们需要较大的滤波器容量。另外，通信线路受到谐波干扰的频域在1000Hz左右，因而，对50Hz的交流系统来说，20次左右的谐波分量对通信的危害*严重；因此，在直流滤波器参数配置中需重点考虑该部分谐波的滤除。同时，考虑到同一换流站两极的对称性，两极应配置相同的直流滤波器。
一般而言，直流滤波器的配置应遵循以下原则：①宜装设两组直流滤波器。当一台直流滤波器故障退出运行时，仍能满足滤波要求。②可选择双调谐滤波器或三调谐滤波器，其调谐频率应针对谐波幅值较高的特征谐波并兼顾对等值干扰电流影响较大的高次谐波进行设计。③在中性母线上安装一台小电容值(十几微法至数毫法)的中性点冲击电容器，对经换流变压器绕组对地杂散电容及大地的3次谐波电流提供低阻抗的通道，从而抑制这些非特征谐波。④如果是直流电缆出线，不安装直流滤波器。
4. 接地极线路和接地极
接地极线路利用大地电阻率低的特点，将大地作为廉价和低损耗的回路，将直流电流导向大地，如图1.5所示。接地极线路*终通过接地极实现电流入地。相比传统输电线路，直流输电接地极线路采用双回并行架空线路，长度通常在几十公里至上百公里之间，接地极线路的导线截面较大，线路总电阻通常小于5?。在直流输电系统双极对称运行方式下，流入接地极的电流为双极运行电流的差流，一般电流幅值不超过直流输送电流的1%；而在单极大地回线运行方式下，流入接地极的电流等于直流输电线路上输送的电流，可达到几千安培。
图1.5 接地极线路
接地极的主要作用是为双极不平衡电流提供通路及钳制中性点电压。为防止大量直流电流入地造成的电磁效应、热力效应及电化效应对换流站周边的人畜和电力设备造成显著的影响，接地极距离直流换流站往往有几十甚至上百公里，换流站与接地极之间的电气连接主要依靠接地极线路实现。针对不同的直流输电工程或同一工程的不同运行方式，接地极的作用有所差异，如表1.1所示。
表1.1 接地极作用
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