高压直流输电原理与运行（第3版）_韩民晓文俊徐永海_9787111639510

本书在论述直流输电基本概念、分类、构成、发展及主要设备的基础上，针对电网换相直流输电，讨论了其基本工作原理，谐波与无功问题，直流输电的控制与保护，直流输电与交流系统的相互作用及对交流系统的控制作用。介绍了特高压直流输电等电网换相直流输电的新发展。在论述了器件换相直流输电技术和基本原理的基础上，探讨了多端直流输电及直流电网发展相关的基本问题。本书在内容定位上突出：①把直流输电的基本原理与运行控制相结合，在介绍直流输电功率变换特性的同时，完整描述直流输电与交流系统相互作用的基本问题；②作为电力电子新技术系列图书之一，强调电力电子技术在大容量电能传送中的作用，强调直流输电技术及其发展相应的器件、电路及系统的特点；③注重直流输电技术的新发展，全面论述特高压直流输电技术的发展与应用，指出了特高压直流输电技术面临的问题及其解决方案，系统讨论了基于全控器件的高压直流输电技术的原理、工程应用及发展趋势。

第3版前言
高压直流输电技术是一项不断创新、不断发展的技术。在本书第2版发行到现在的7年间，直流输电又有许多新进展：世界范围内又有大量高压直流输电工程投入运行；传统高压直流输电的电压等级进一步提升；全控型功率器件的快速发展进一步拓展了器件换相直流输电的应用；多端直流与直流电网得到重视和发展。为适应高压直流输电的这些新发展，有必要对上一版的内容进行更新和扩展。
本书第2版已在许多高校的电气类专业作为教材或参考书使用。作者收到了大量宝贵的反馈意见和建议，在第3版中参考这些意见和建议对内容进行了修改和补充。
第3版章节结构上有一些调整：第1章依然是关于直流输电的基本概念、分类及发展，只是内容做了更新。第2~7章重点讨论电网换相高压直流输电。第8章和第9章分别探讨器件换相直流输电的基本原理和多端直流输电与直流电网。与章节变化相对应，对配套的习题（wwwcmpeducom）也进行了调整。又有几位新的博士研究生参加了第3版内容的整理工作，他们是林少伯、曹昕、周光阳，对他们的辛勤付出表示感谢。

作者

第2版前言

高压直流输电（HVDC）以其可实现交流电网的异步连接、控制灵活性强等特点正得到快速发展和广泛应用。特别是随着大范围能源优化配置、大规模可再生能源发电并网等需求的扩大，直流输电工程项目得到快速实施。在本书第1版发行以来的3年多时间里，仅在国内就有与早期30年同样数量的直流工程运行或实施。这些工程对高压直流输电技术提出了新的要求，同时也对高压直流输电技术的发展起到重要的推进作用。因此有必要对本书第1版进行更新，尽可能充分反映这些直流工程的状况和当前直流输电技术的发展。
本书发行后得到许多电气类高校的认可，作为教材使用。依据广大读者的反馈意见，本版对第1版中发现的错误进行了更正，对一些较为复杂的理论，也进行了更为详尽的描述。另外，为便于广大师生的教学和学习实践，作者编辑了与之配套的习题集及参考解答。

作者

第1版前言

高压直流输电（High Voltage Direct Current, HVDC）是电力电子技术应用最为重要、最为传统，也是发展最为活跃的领域之一。在电力电子新技术系列图书中，有一本论述高压直流输电及其发展的分册是不可或缺的。目前世界上已有近140项高压直流输电工程投入运行，我国也已有20项高压直流输电工程在国家电力网架中起到优化能源配置、保障国家能源安全和促进国民经济发展的重要作用。随着国家西电东送、南北互供、全国连网战略方针的实施，加快建设以百万伏级交流和±660kV、±800kV、±1100kV级直流系统特高压电网为核心的坚强的电力网架已成为趋势。中国将建设世界上输送容量最大、输送距离最远的高压直流输电工程。特高压直流输电的发展将带来拓扑、设计、控制与运行的新变化和新问题，是以往有关直流输电的著作中不曾涉及的内容。另外，随着电力电子技术与微机控制技术的发展，许多以可关断器件为核心的新型直流输电技术，如基于GTO（Gate Turnoff，门极关断）晶闸管的BTB（Back to Back,背靠背）非同步网互连技术、基于IGBT（Insulated Gate Biplor Transistor,绝缘栅双极型晶体管）的VSC（Voltage Source Converter,电压源换流器）直流输电等也得到快速发展。本书力图通过有限篇幅全面论述电力电子技术在高压直流输电领域中的应用，内容包括直流输电的系统构成、基本特性、运行控制及最新发展。
电力电子技术应用领域非常宽广，在其系列图书中有这样一本涉及高压直流输电的分册，对研究电力电子的技术人员，开阔视野，关注电力电子技术在大功率电力传输中的应用起到一定的推进作用。
高压直流输电技术涉及器件、电路、设备、控制方法等各个层次，既有直流输电本身的特性分析与设计，又有与交流系统的相互作用及其分析。前已述及，直流输电技术是电力电子技术应用最为传统的领域之一，因此有关直流输电的最初的著作距今已有近30年的历史。1979年，由华北电力学院直流输电研究室翻译、水利电力出版社出版的由波谢所著的《直流输电结线及运行方式》成为最早系统介绍直流输电技术的译作。其后，由我国浙江大学发电教研组直流输电科研组编写、电力工业出版社1982年出版的《直流输电》成为我国第一本系统介绍高压直流输电的著作。该书基于当时直流输电技术发展的水平，系统介绍了高压直流输电的构成、特性、控制、保护，成为我国直流输电的经典著作。后来又有许多直流输电的著作从设备、运行、谐波等不同侧面探究高压直流输电相关问题。2004年，由赵畹君主编、中国电力出版社出版的《高压直流输电工程技术》从工程应用的角度系统论述了直流输电的设计与运行控制方法。国外较经典的著作包括Jos Arrilaga的《High Voltage Direct Current Transmission》，町田武彦的《直流输电》《直流输电工学，电力电子技术应用》（日文）都是在直流输电发展早期问世的著作，并随着直流输电技术的发展进行了修订。由此可见，有关高压直流输电技术的专著或译著已经很多，编写本书的意义何在？这需要从本书的特点说明：①突出直流输电技术的新发展，全面论述基于全控器件的直流输电技术的原理与工程应用；②突出特高压直流输电技术的发展与应用，提出特高压直流输电技术面临的问题及其解决方案；③把直流输电的基本原理与运行控制相结合，在介绍直流输电功率变换特性的同时，在有限的篇幅中，完整描述直流输电与交流系统相互作用的基本问题；④前已述及，作为电力电子新技术系列图书之一，强调电力电子技术在大容量电能传输中的作用，强调直流输电技术及其发展相应的器件、电路及系统的特点成为本书的特色之一。
本书力求做到：
(1)全面性系统介绍高压直流输电技术相关的器件、电路、设备、控制、保护及其与交流系统的相互作用。
(2)新颖性给出高压直流输电技术的最新发展，包括器件、电路拓扑及控制方法的最新进展。
(3)工程性结合直流输电运行过程中的问题，阐明这些问题的性质及其解决方法。
本书可作为：
1)电气工程相关专业本科生学习电力电子技术应用课程的教材或参考书；
2)电力电子相关专业研究生学习高压直流输电技术的教材或参考书；
3)电力电子工程相关专业的工程技术人员的技术参考书。
本书共分8章。其中第1章为绪论，介绍了高压直流输电的基本概念、构成与分类，高压直流输电的特点及适用场合，高压直流输电的历史与国外的现状，其中介绍了直流发展史上具有重要意义的工程实例；绪论中还介绍了直流输电在我国的发展及未来的发展规划，最后述及高压直流输电技术的新进展。第2章讨论高压直流输电的主要电气设备。在对系统构成及设备分类做出说明的基础上，通过原理分析、图片展示等方式使读者对高压直流输电的主要设备建立基本概念。第3章给出高压直流输电换流器的基本原理，本章通过从整流器的工作原理到逆变器的工作原理，从6脉波桥特性到12脉波桥特性，从正常运行方式到故障运行状态，系统论述了换流器的基本特性、基本关系式及典型波形、曲线。第4章在介绍谐波危害、无功功率不平衡带来的影响基础上，论述了高压直流输电谐波问题、无功补偿问题，给出了传统和正在发展中的谐波抑制方法和无功补偿方法，还结合SVC（Static Var Compensator，静止无功补偿器）在弱交流受端系统的应用、换流器动态无功调节，给出了无功控制技术的新进展。第5章论述常规电网换相高压直流输电的控制与保护技术，给出了包括定电压控制、定电流控制、定功率控制、定关断角控制在内的基本控制方法，讨论了直流系统整流器、逆变器的协调控制、潮流反转、起动、停止等的控制方法及系统出现各种故障时的保护措施。第6章则系统论述直流输电的运行特性及其与交流系统的相互作用，讨论了直流输电对于交流系统的控制作用。第7章专门讨论基于器件换相的新型直流输电技术，在介绍全控器件的发展与特性的基础上，系统探讨了基于电压源换流器（VSC）型的直流输电（又称为轻型直流输电或柔性直流输电）的基本原理、电路结构、控制方法和工程应用。第8章给出了电网换相直流输电（本书中又称为常规直流输电）技术的新发展。
本书由韩民晓负责第1、5、6、7章的编写和主编工作，文俊负责第2、3、8章的编写，徐永海负责第4章的编写，博士研究生丁辉参与本书部分章节的编写和材料的补充。华北电力大学柔性电力技术研究所多位老师在本书的编写过程中给予指正和帮助，硕士研究生卢迪平、邱丽霓帮助完成书稿输入和图表绘制，在此表示诚挚的感谢。
本书从立项到内容定位一直得到西安交通大学王兆安老师的关心、鼓励和指导，在此表示衷心的感谢。
高压直流输电技术既传统又新颖、既理论又实践，因此作为电力电子新技术系列图书中的一册，要全面反映这一技术确有难度。加上作者水平的限制，书中存在错误和不妥之处在所难免，敬请广大读者加以批评指正。作者的目的是提供电力电子技术在该领域应用的基本知识，以期为对该领域关注的技术人员、师生提供参考。

电力电子新技术系列图书序言
第3版前言
第2版前言
第1版前言
第1章绪论1
11高压直流输电的构成1
111高压直流输电的概念1
112高压直流输电的分类1
113直流系统的构成4
12高压直流输电的特点及适用场合9
13高压直流输电的历史与国外的现状12
14高压直流输电在我国的发展15
15本书的构成和内容简介17
151LCC高压直流输电17
152LCC高压直流输电技术的新发展17
153VSC高压直流输电19
154关于高压直流输电技术的学习20
第2章高压直流输电系统的主要设备22
21换流装置23
211器件24
212换流阀 28
213换流单元接线方式 33
22换流变压器36
221功能与特点37
222换流变压器型式38
223换流变压器接入阀厅的方式39
23平波电抗器40
231功能40
232平波电抗器型式41
24无功补偿装置42
241无功补偿装置类型42
242无功补偿容量确定44
25滤波器47
251滤波器类型47
252交流滤波器49
253直流滤波器51
26直流输电线路52
261直流输电架空线路53
262直流输电电缆线路57
263直流接地极引线60
27接地极62
271接地极地电流对环境的影响63
272接地极运行特性65
273对极址的要求66
274接地极材料67
275接地极设计68
第3章换流器工作原理69
316脉波整流器工作原理69
311正常运行方式工况2-371
312非正常运行方式工况379
313故障运行方式工况3-481
3146脉波整流器外特性曲线81
3212脉波整流器工作原理83
321正常运行方式工况4-583
322桥间相互影响88
323相关计算公式89
336脉波逆变器工作原理92
331正常运行方式工况2-393
332故障运行方式工况3-496
3336脉波逆变器外特性曲线96
3412脉波逆变器工作原理98
34112脉波逆变器实现逆变的条件99
34212脉波逆变器可能发生换相失败99
34312脉波逆变器整流电压平均值计算公式99
第4章高压直流输电的谐波抑制与无功补偿100
41高压直流输电谐波的基本问题100
411谐波的危害100
412谐波的基本概念105
42特征谐波108
421换流器交流侧的特征谐波108
422换流器直流侧的特征谐波112
43非特征谐波114
431换流器交流侧的非特征谐波114
432换流器直流侧的非特征谐波115
44谐波抑制及抑制设备115
441增加脉波数抑制谐波116
442安装滤波器抑制谐波116
443谐波抑制设备116
45交流滤波器设计119
46直流滤波器设计126
461直流滤波器常规设计126
462直流有源滤波器128
47高压直流输电的无功补偿和功率因数129
471电网换相换流器无功特性129
472无功功率消耗计算工程方法131
473容性无功补偿设备容量确定131
474感性无功补偿设备容量确定132
475功率因数133
476无功分组容量确定133
48无功补偿设备134
49无功功率控制135
491分段调节无功补偿设备控制135
492连续调节无功补偿设备控制137
493换流器参与无功电压控制146
第5章电网换相直流输电的控制与保护147
51基本控制方式147
511控制原理147
512触发控制方式149
513换流器控制方式150
514整流器、逆变器的协调153
515控制保护用互感器156
52保护方式157
521保护动作方式与故障的分类157
522换流站内的故障与保护示例161
523直流线路的故障与保护示例164
524交流侧的故障与保护示例 166
53电网换相直流输电的运行特性167
531直流线路故障167
532交流系统故障167
533连续运行控制168
第6章电网换相直流输电与交流系统的相互作用170
61电网换相直流输电与交流系统相互作用的基本问题170
611短路比与有效短路比170
612短路比与输送能力分析171
613交流电压稳定性172
614高次谐波稳定性176
615轴系扭振现象178
62直流输电在交流系统控制中的应用180
621系统频率控制180
622交流电压、无功控制183
623系统稳定控制186
第7章电容换相直流输电与特高压直流输电190
71基于电容换相换流器的高压直流输电技术190
711电容换相换流器191
712可控串联电容换流器193
713基于电容换相技术的换流器特点194
714电容换相技术的工程应用197
72特高压直流输电206
721特高压直流输电发展概况206
722特高压直流输电的特点及我国特高压直流输电发展的必要性207
723特高压直流输电接线方式210
724特高压直流输电运行方式212
725特高压直流输电控制保护系统216
726特高压直流输电工程简介219
第8章器件换相直流输电技术221
81全控型功率器件发展概况221
811全控型功率器件的发展与应用概况221
812器件换相直流输电采用的典型全控型功率器件222
82器件换相直流输电换流装置工作原理225
821换流器225
822电压源换流器的工作原理和基本特点226
823接入系统时的有功、无功功率特性230
824基于Park 变换的d-q解耦控制 232
825换流器各部分电压、电流波形233
83器件换相直流输电的协调控制与保护方式235
831只采用器件换相的直流输电235
832器件、电网换相换流器混合型直流输电240
833混合型器件换相直流输电示例243
84器件换相直流输电的应用示例244
841电压源器件换相直流输电系统的应用范围244
842VSC-HVDC系统工程实例245
85模块化多电平换流器（MMC）技术251
851模块化多电平换流器技术简介251
852全桥结构的MMC技术255
第9章多端直流输电与高压直流电网256
91多端直流输电与高压直流电网的基本概念256
911多端直流输电与高压直流电网的定义256
912发展多端直流输电与直流电网的驱动力257
913发展概况258
914直流电网的分类及其特征259
92多端直流输电相关设备261
921直流断路器261
922全固态直流断路器262
923主动混合式直流断路器262
924高压DC/DC换流器264
93多端直流控制与保护267
931分层控制方式与多换流器协调控制267
932潮流控制274
933多端直流输电的故障保护与控制277
934混合多端直流输电系统278
参考文献281

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