第一篇：高二物理 高壓輸電教學案 文

高壓輸電

【教學目標】

電磁感應定律的應用（A）【教學內容】

一、預習作業

1、遠距離輸電時，減少輸電線路電能損失的途徑有兩個，一是減小___________，二是減小___________。

2、輸電線上的損耗功率P=___________=___________=___________=__________。

二、典型例題

【例1】遠距離輸電都采用高壓輸電，其優點是(D)A．可增大輸電電流 B．可加快輸電速度 C．可增大輸電功率 D．可減少輸電線上的能量損失

【例2】遠距離輸電中，發電廠輸送的電功率相同，如果分別采用輸電電壓為U1=110kV輸電和輸電電壓為U2=330kV輸電。則兩種情況中，輸電線上通過的電流之比I1∶I2等于(B)A．1∶1 B．3∶1 C．1∶3 D．9∶1 【例3】一臺發電機的功率是40KW，用電阻為0.2Ω的導線輸送到用戶，(1)若用220V的電壓輸電，輸電線上損失的功率是多少?(2)若用22KV的電壓輸電，輸電線上損失的功率又是多少?(3)比較(1)、(2)的結果可得到什么結論?

三、隨堂練習

1、遠距離輸電要采用()（多選）

A.低壓輸電 B.高壓輸電 C.強電流輸電 D.弱電流輸電

2、遠距離輸電時，為了減少輸電線上電能損失，應()A.提高輸送電壓，增大輸送電流 B.提高輸送電壓，減小輸送電流 C.減小輸送電壓，增大輸送電流 D.減小輸送電壓，減小輸送電流

3、在電能的遠距離輸送中，為減小輸電導線的功率損失?P，下列說法正確的是（）A、根據I＝U/R，只要減小輸送電壓，就減小了輸送電流，?P就減小了 B、根據U＝IR，要減小輸送電流I，只要減小輸送電壓U即可

C、根據I＝U/R，增大輸送電壓Ｕ，輸送電流I隨之增大，?P也就增大 D、上述說法都不對

四、課堂總結

【鞏固練習】

1、關于減小遠距離輸電線上的功率損耗，下列說法正確的是（）

2A、由功率P=U/R，應降低輸電電壓，增大導線電阻 B、由P=IU，應低電壓小電流輸電

2C、由P=IR，應減小導線電阻或減小輸電電流 D、上述說法均不對

2、在電能輸送過程中，若輸送的電功率一定，則在輸電線上損失的電功率（）（多選）

A、隨輸電線電阻的增大而增大 B、和輸送電壓的平方成正比

C、和輸電線上電壓降落的平方成正比 D、和輸電線中的電流強度的平方成正比 E、和輸電電壓的平方成反比

3、在遠距離輸電中，輸電線電阻一定，輸送電功率一定，如果將輸電電壓提高到原來的10倍，則輸電線上消耗的功率減小到原來的()A.10倍 B.1/10倍 C.100倍

D.1/100倍

4、在電能輸送的過程中，由焦耳定律知，減小輸電的__________________是減小電能損失的有效方法；在輸送功率不變的情況下，只能通過提高輸電____________________來實現。

5、從發電站發出的電能，先經過_____________________把電壓升高，再用___________________輸送到遠處的用戶附近，再經過___________________把電壓降低，供用戶使用。

6、一輸電線電阻值是2歐，以3000伏輸送電能，輸出的電流是60安，線路上損失的功率是？；若采用6000伏輸送同時功率的電能，則線路損耗的功率是多少？

7、遠距離輸送一定功率的交流電，若輸電電壓提高 倍，則輸電導線的電功率損失是原來的？輸電導線的電壓損失是原來的？

第二篇：高二物理學案

海濱中學學案備課人：王梅審核人：于海紅備課時間：2011/9/7海濱中學學案備課人：王梅審核人：于海紅備課時間：2011/9/7

1.3生活中的靜電現象學案

學習目標：

1．了解生活中常見的靜電現象，能應用所學的知識解釋簡單的靜電現象。2．通過了解一些靜電現象和避雷方法，認識人類社會在發展過程中如何適應自然，建立人類必須與自然相互依存、和諧發展的知識。3．了解人類應用靜電和防止靜電的事例。

學習重點: 能應用所學知識解釋靜電現象、人類應用靜電和防止靜電的事例 學習過程：

1．生活中有哪些常見的放電現象？你能否列舉一些生活中的放電現象，并說出屬

于哪一類放電

2．前面我們已經學習了帶電導體內部有電荷的存在，那么你知道導體內部的電荷

是如何分布的嗎？有尖銳部和沒有尖銳部導體內部電荷分配是否相同？

3．避雷針利用什么原理來避雷的？

4．萬事萬物有利就有弊，靜電也不例外，你能說出生活中靜電的應用和防止（可

上網搜索）

課 堂 范 例：

1、下列關于避雷針的說法中，正確的是 A．避雷針避雷是中和云層中的異種電荷。

B．避雷針避雷是將云層中積聚的電荷導入大地 C．為了美觀，通常把避雷針頂端設計成球形 D．避雷針安裝在高大建筑物頂部，而不必接地

2、下列對靜電的防止的是（）

A、靜電復印B、靜電除塵

C、飛機采用導電橡膠做車輪D、給汽車噴漆

學以致用：如果你在戶外雷雨來臨時，怎樣防止雷擊，才能保障人身安全

1.4 電 容 器 學 案

一、教學目標

1．掌握平行板電容器的電容；

2．掌握影響平行板電容器電容的因素； 3．認識一些常用電容器；

4．結合勻強電場知識，研究平行板電容器極板間電場及電場源關系。

二、重點、難點分析

平行板電容器的電容和影響電容的因素是教學中的重點。

三、課前預習

1、a什么是電容器？

b最早的電容器是什么？

c電容器一般有幾個部分組成？

2、什么是電容器的充電和放電？

3、什么是電容器的電容？（結合瓶子的容積進行理解）

4、電容的單位是什么？

例

一、關于電容器的電容，下列說法正確的是（）

A．電容器所帶的電荷越多，電容就越大B．電容器兩極板間的電壓越高，電容就越大 C．電容器所帶電荷增加一倍，電容就增加一倍 D．電容是描述電容器容納電荷本領的物理量 例

二、對電容C=Q/U，下列說法正確的是（）

A．電容器充電量越大，電容增加越大

B．電容器的電容跟它兩極板所加電壓成反比C．電容器的電容越大，所帶電量就越多

D．確定的電容器，它所帶電量跟兩極板的電壓的比值保持不變

課后練習書后P15練習

第三篇：高壓直流輸電總結

高壓直流輸電總結

一、高壓直流輸電概述：

1.高壓直流輸電概念：

高壓直流輸電是交流-直流-交流形式的電力電子換流電路，由將交流電變換為直流電的整流器、高壓直流輸電線路及將直流電變換為交流電的逆變器三部分組成。

注意：高壓輸電好處是在輸送相同的視在功率S的前提下，高壓輸電能夠降低輸電線路流過的電流，減少線路損耗，提高輸送效率（,）。2.高壓直流輸電的特點：

（1）換流器控制復雜，造價高；

（2）直流輸電線路造價低，輸電距離越遠越經濟；（3）沒有交流輸電系統的功角穩定問題；

（4）適合海底電纜（海島供電、海上風電）和城市地下電纜輸電；（5）能夠非同步（同頻不同相位，或不同頻）連接兩個交流電網，且不增加短路容量；

（6）傳輸功率的可控性強，可有效支援交流系統；（7）換流器大量消耗無功，且產生諧波；

（8）雙極不對稱大地回線運行時存在直流偏磁問題和電化學腐蝕問題；

（9）不能向無源系統供電，構成多端直流系統困難。3.對直流輸電的基本要求：

（1）能夠靈活控制輸送的（直流）電功率（大小可調；一般情況下，應能夠正反雙向傳送電功率（功率方向可變）；（2）維持直流線路電壓在額定值附近；（3）盡可能降低對交流系統的諧波污染；（4）盡可能少地吸收交流系統中的無功功率；（5）盡可能降低流入大地的電流。

注意：大地電流的不利影響包括①不同接地點之間存在電位差，形成電解池，造成電化學腐蝕；②變壓器接地中性點流過直流電流，造成變壓器直流偏磁，使變壓器噪聲增加、損耗加大、振動加劇。4.高壓直流輸電的適用范圍：

答：1.遠距離大功率輸電;2.海底電纜送電;3.不同頻率或同頻率非周期運行的交流系統之間的聯絡;4.用地下電纜向大城市供電;5.交流系統互聯或配電網增容時,作為限制短路電流的措施之一;6.配合新能源供電。

二、高壓直流輸電系統的基本構成：

1.雙端直流輸電的基本構成：

（1）單極大地回線（相對于大地只有一個正極或者負極）：

圖2-1（2）單極金屬回線：

圖2-2（3）雙極大地回線（最常用）：

圖2-3（4）雙極單端接地（很少用）：

圖2-4（5）雙極金屬回線（較少用）：

圖2-5（6）并聯式背靠背：

圖2-6（7）串聯式背靠背：

圖2-7 2.多端直流輸電的基本構成：

（1）三端并聯型；

圖2-8（2）三端串聯型；

圖2-9 注意：這里的“雙端”、“多端”指的是所接換流站的個數（交流電網接入點的個數），而不是換流器的個數。3.多端直流輸電的特點：

（1）可以經濟地連接多個交流系統；

（2）因缺少大容量直流斷路器，無法切除輸電線路的短路故障，因而限制了它的發展。

三、換流技術復習：

1.三相全控整流電路原理圖：

圖3-1（1）大電感負載（符合直流輸電工程實際）；

（2）交流輸入電壓的相序與晶閘管觸發順序的關系（135462）；（3）閥的組成、靜態均壓（電阻分壓）和動態均壓（電容分壓）原理與電路；

（4）均壓系數（）、電壓裕度系數（）；（5）閥串聯元件數的確定；

（6）電壓變化率限制和電流變化率限制。

圖3-2 2.三相全控橋的波形圖：

（詳見電力電子書P152、P153、P160）3.三相全控橋計算公式:（1）直流輸出電壓的理想計算公式:

(1.1)

（為線電壓）

（2）考慮交流側電抗的直流輸出電壓的計算公式（缺口面積是始于α 的面積與始于α+γ 的面積之差的一半，缺口面積=）:

（3）閥電流有效值：

(1.3)

(1.2)（4）交流側線電流有效值的計算公式:

(1.4)4.三相全控橋的外特性（全控橋外特性：直流輸出電壓Ud與直流輸出

電流Id間的函數關系）：（1）逆變器外特性： a)方程：

(1.5)b)曲線：端電壓Ud隨輸出負載電流Id的增加而下傾的直線；（以定α表示）

圖3-3（2）整流器外特性： a)方程： i.用控制角α表示：

(1.6)ii.iii.用逆變角β表示（α=180 °-β代入上式）：

(1.7)用熄弧角δ表示（δ= β-γ，γ是換相角）：

(1.8)（）

(1.9)（）

圖3-4理想定β的面積比理想定δ小2個缺口面積:

b)曲線： i.用逆變角β表示：上翹直線（負值面積隨電流增大），端口電壓的絕對值隨直流電流的增加而增加（正內阻）； ii.用熄弧角δ表示：下傾直線（負值面積隨電流減小），端口電壓的絕對值隨直流電流的增加而下降（負內阻）；

圖3-5逆變器外特性曲線（以定β和定δ表示）

5.三相全控橋的等值電路：

（1）整流器等值電路:

圖3-6整流器等值電路

(1.10)a)內電勢，內阻為正的可調電壓源； b)端口電壓隨輸出電流增大而減小。（2）逆變器等值電路：

圖3-7逆變器等值電路

a)用β表示的等值電路，端口電壓隨電流增大而增大（正內阻）； b)用δ表示等值電路，端口電壓隨電流增大而減小（負內阻）。（3）雙端直流輸電系統的等值電路:

圖3-8直流系統等值電路圖 6.雙端直流輸電系統工作點：

（1）工作點的確定：

通常將線路電阻RL納入逆變器側，則用β表示的外特性曲線因正值內阻增加而上翹更多，用δ表示的外特性曲線因負值內阻減小而使下傾減緩或微上翹。

由直流輸電系統等值電路可見，兩側電路工作時，應該具有相同電流和端口電壓，表現在曲線上，就是兩側換流器的外特性曲線的交點，這就是工作點。

圖3-9雙端直流系統工作點的確定（兩條線交點）

（2）工作點穩定性判據：采用小擾動法在工作點加上一點小擾動看看系統能不能回到原來的穩定點。（結論：整流側外特性曲線的斜率小于逆變側外特性曲線的斜率，系統可以穩定運行。）

7.雙橋換流器（電力電子那個十二脈波）（整流器和逆變器結構相同）：

（1）電路圖：兩個三相全控橋串聯；

圖3-10（2）交流輸入電壓：兩個三相交流輸入電壓的相位互差30°（頻率相同，幅值相同）；

（3）觸發順序：1-1-2-2-3-3-4-4-5-5-6-6；

（4）直流輸出電壓瞬時值波形和紋波頻率：每工頻基波含12個均勻波頭；

（5）直流輸出平均電壓：等于兩個全控橋直流輸出平均電壓之和；（6）雙橋換流器的優點：

a)在晶閘管元件耐壓能力和串聯數不變的條件下，雙橋輸出電壓是單橋的兩倍；采用橋串聯代替元件串聯；

b)直流輸出電壓的諧波幅值比單橋更小，諧波頻率更高，因而更易于濾除；

c)交流公共母線的電流諧波比單橋更小，最低次諧波次數更高； d)當雙橋中發生任一橋故障時，可以將故障橋隔離（短接），另一正常單橋仍可繼續工作；

（1）逆變器實現逆變的條件：

a)外接直流電源，其極性必須與晶閘管的導通方向一致；

b)外接交流系統，其在直流側產生的整流電壓平均值應小于直流電源電壓；

c)晶閘管的觸發角α應在的范圍內連續可調。

四、換流器的諧波分析：

1.諧波的危害：

（1）對鐵磁設備的影響。諧波造成額外的鐵耗導致發熱、振動和噪聲，降低了設備出力、效率及壽命；

（2）對旋轉電機的影響：諧波造成轉矩脈動，轉速不穩；（3）對電力電容器的影響：諧波可能引起諧振過電壓；

（4）對電力系統測控的影響：諧波使測量誤差增加，可能導致控制失靈，保護誤動；

（5）3次諧波電流過大可能使中性線過流；

（6）諧波疊加在基波上，使電氣應力增加，對各種電氣設備尤其是電容器的絕緣造成威脅；（7）諧波對通信線路造成干擾。2.諧波分析的數學工具：傅里葉級數。3.諧波分析的基本假設：

（1）交流電源為三相對稱標準正弦波電壓源；（2）三相交流電路各相阻抗參數相等；（3）換流器采用60°等間隔觸發；（4）直流電流恒定（水平無紋波）；（5）不考慮換相角的影響；

在上述基本假設條件下，分析得出的諧波，稱之為“特征諧波”。4.諧波分析的基本步驟：

（1）寫出盡可能簡潔的周期函數表達式f（x）；（2）計算傅立葉級數的系數an和bn；

（3）寫出與周期函數f（x）等價的傅立葉級數表達式；（4）分析f（x）的傅立葉級數構成成分，得出有用結論。5.諧波分析內容：

（1）直流輸出電壓的特征諧波分析：

a)諧波頻率：等于 6n（n=1，2，3，?）倍工頻基波頻率；

b)諧波幅值是控制角α的函數： α =0°和 α =180°幅值最小，α

=90°幅值最大 ；HVDC運行時，整流側α =12°～15°，逆變側定δ運行；

c)諧波幅值隨諧波次數的增加而減小； d)n=0時的直流分量就等于直流電壓平均值。（2）交流線電流的特征諧波分析：

a)YY接線變壓器一次電流特征諧波分析：除基波外只剩有5、7、11、13、??次等6k±1次諧波。

b)YD接線變壓器一次電流特征諧波分析：（波形相同，幅值比YY接線大倍）除基波外只剩有5、7、11、13、??次等6k±1次諧波。（3）雙橋換流器直流側電壓特征諧波分析（根據假設直流電流無紋波，故只分析直流電壓）：12k±1次諧波。

五、換流器的功率因數計算：

1.功率因數的定義：

功率因數等于有功功率P與視在功率S之比，即：

(1.11)功率因數λ的大小反映的是有功功率P在視在功率S中所占的比重，是功率的利用系數，反映功率的利用程度。

三相全控橋交流側的電壓是正弦波形，電流是方波，故有功功率P等于基波電壓有效值U（即）與基波電流有效值、及基波電壓與基波電流相角差的余弦值的乘積。（不考慮換相角γ時，；考慮換相角γ時，）2.只考慮基波時的功率因數：

3.考慮諧波時的功率因數：

上式是考慮換相角時的情況。

(1.13)(1.14)

(1.12)上式是不考慮換相角時的情況。

六、高壓直流輸電系統主設備：

1.換流器：

（1）雙橋換流器與四重閥結構：

一個三相全控橋有6個橋臂（閥），一個橋臂（閥）由120個晶閘管串聯而成；每15個晶閘管構成一個基本單元，每兩個基本單元（30個晶閘管）組裝為一個半層閥；每4個半層閥構成一個閥。

四重閥：雙橋換流器同一相上的4個閥的組合體。

圖6-1 四重閥示意圖

（2）等間隔（60°）觸發與等控制角（α）觸發： a)等間隔（60°）觸發方式： α1=移相控制；相對于1號自然換相點滯后角度α1；從脈沖2開始，均滯后前一個脈沖60°，即：αk+1=αk+60°（k=2，3，4，5，6）。b)等控制角α觸發方式：

α1=α2=α3=α4=α5=α6；即6個觸發脈沖都是相對于各自的自然換相點滯后一個相同角度。c)兩種觸發方式比較：

在三相電壓對稱的條件下，兩種觸發方式等效，但是在三相電壓不對稱的條件下，后者的觸發脈沖不等間隔，導致交流電流波形正負半波寬度不等，平均電流不為零，造成變壓器偏磁。

（3）晶閘管換流器對晶閘管元件的基本要求： a)耐壓強度高； b)載流能力強；

c)開通時間和電流上升率的限制，即約為100A/s； d)關斷時間與電壓上升率的限制，即約為200V/s。（4）觸發脈沖的傳送方式： a)光纖方式； b)電磁方式。

圖6-2（a）為光纖方式，（b）（c）為電磁方式

（5）高壓（就地）取電技術：

圖6-3光電變換電路的高壓（就地）取電方法

2.換流變壓器：

（1）工作電流波形是方波；（2）耐壓要求高；

（3）可能存在一定偏磁（直流分量）；（4）有載調壓、調壓范圍大、調節頻繁。3.平波電抗器：

（1）作用：

a)直流電流濾波（平波）； b)限制線路短路電流的上升率； c)防止小電流運行時的電流斷續； d)阻斷雷電波的侵入；

e)減小對沿線通訊設施的干擾；（2）如何選取直流電抗器的電感值：

答：直流電抗器的作用是減少直流側的交流脈動量，小電流時保持電流的連續性以及當直流送電回路發生故障時，能抑制電流的上升速度。從作用來看，它的電感量越大越好。但是過大，當電流迅速變化時在直流電抗器上產生的過電壓就越大；另外作為一個延時環節，過大對直流電流的自動調節不利。所以滿足上述三項要求的前提下，直流電抗器的電感Ld應盡量小。故選取直流電抗器電感值的具體方法是： ① 按減少直流側的交流脈動分量的情況確定電感值；

② 以小電流時保持電流的連續性和直流送電回路發生故障時能抑制電流上

升速度的情況進行驗算。4.濾波器：

（1）濾波原理：

高阻抗串聯分壓隔離（如平波電抗器，濾除諧波電壓），低阻抗并聯支路分流（如LC濾波器，濾除諧波電流）；工作頻率低于諧振頻率時，濾波器呈容性，工作頻率高于諧振頻率時呈感性。（2）交流濾波器的種類及其阻抗特性： a)單調諧濾波器（只有一個諧振頻率）：

圖6-4 單調諧濾波器

圖6-5單調諧濾波器阻抗特性

b)雙調諧濾波器（有兩個諧振頻率）：

圖6-6雙調諧濾波器

圖6-7雙調諧濾波器阻抗特性

c)高通濾波器：

圖6-8 高通濾波器

圖6-9高通濾波器阻抗特性

（3）交流側濾波器設計原則：濾除諧波的同時考慮無功補償，兼顧經濟性。

（4）交流側濾波器設計步驟：首先根據無功需求確定C，再根據諧振要求確定L，最后根據品質因數確定R。（5）電容器的經濟容量和安裝容量：

電容器的工作電流包括諧波電流和基波電流，其容量是諧波容量和基波容量兩者之和，稱之為安裝容量。

只考慮濾波而不考慮無功補償，求得的最小安裝容量即經濟容量；令“基波容量/安裝容量”比值最大，即安裝容量的最大利用。（6）濾波器的特征電抗、品質因數：

諧振頻率下的感抗值或容抗值即特征電抗；，即品質因數。

品質因數Q越大，諧振時的支路阻抗越小，濾波效果也越好，但考慮到與交流電網發生諧振時為防止通過濾波器（電容器和電抗器）的電流過大，人為增加串聯電阻阻值以降低Q，起限制電流過大的作用。一般Q取值范圍為50～100，為了節能目的，有時會取更高值（電阻值更小）。（7）并聯濾波器與串聯濾波器相比有什么優點: a)濾波效果好；

b)串聯濾波器必須通過主電路的全部電流，并對地采用全絕緣，而并聯濾波器的一端接地，通過的電流只是由它所濾除的諧波電流和一個比主電路小得多的基波電流，絕緣要求也低。

5.直流斷路器:（1）直流沒有過零點，難以熄弧；（2）熄弧技術： a)并聯LC支路，利用LC振蕩產生反向電流以抵消線路電流，使之實現過零滅弧；開關閉合工作時，電容器通過充電回路預充電，開關打開前，并聯到開關兩端構成LC振蕩回路；

b)直接并聯帶間隙的電容器，利用電容器吸收能量熄弧；

c)利用逐漸加大串聯電阻使回路電流下降，最后用電容器吸收能量熄弧； d)拉長電弧，增加弧電阻，降低回路電流，熄弧。

七、HVDC對交流系統的影響：

1.概述：

（1）交流系統強弱程度: a)系統強弱程度反映了系統內各環節對擾動的敏感度;b)互聯等效阻抗: 阻抗高，系統弱；阻抗低，系統強；

c)交流系統慣性（發電機轉動慣量）：慣量小，系統弱；慣量大，系統強； 注意：系統越弱，交、直流交互影響越強。

d)短路比（short circuit ratio，SCR）：換流站交流母線的短路容量與額定直流功率的比值，即：

(1.15)e)有效短路比（ESCR）：考慮無功補償設備后的短路比，即：

(1.16)注意：一般而言，短路比小于2的系統稱為弱系統。注意：系統在不同運行方式下，SCR可能不同。

注意：惡劣情況下，原來很強的系統也可能會變成弱系統。2.換相失敗：

（1）概念：當逆變器兩個閥進行換相時，因換相過程未能進行完畢，或者預計關斷的閥關斷后，在反向電壓期間未能恢復阻斷能力，當加在該閥上的電壓為正時，立即重新導通，則發生了倒換相，使預計開通的閥重新關斷，這種現象稱之為換相失敗。

（2）機理：實際HVDC采用晶閘管在電流過零后恢復正向阻斷能力所需時間約為400μs（對應50Hz下7.2°），故當關斷角小于7.2°時，HVDC會發生換相失敗；另外，當交流系統較弱時，也容易發生換相失敗。（3）主要因素：交流側母線電壓；直流電流；換相電抗；越前觸發角等。

(1.17)(1.18)（這里有些參數PPT沒細講，我也沒搞懂，求指教）（4）換相失敗的危害：

a)換相失敗引起輸送功率中斷威脅系統安全穩定；

b)交流系統短路時，電壓跌落可能引起多個換流站同時發生換相失敗，導致多回直流線路功率中斷，引起系統潮流大范圍轉移和重新分布； c)影響故障切除后受端系統電壓恢復，進而影響故障切除后直流功率快速恢復，可能會威脅交流系統暫態穩定性。（5）措施：

a)利用無功補償維持交流電壓穩定； b)采用較大平波電抗限制直流電流暫態上升； c)規劃階段降低變壓器短路電抗（換流電抗）； d)增大觸發角或關斷角整定值； e)人工換相等。3.HVDC引起的電壓穩定：

（1）機理：

逆變器采用定熄弧角控制時，交流電壓下降，觸發角減小，無功功率增加，導致交流電壓進一步下降。（2）措施：

a)使用無功補償裝置增強交流電壓支撐能力； b)換流器控制模式轉換（改為定電壓控制）； c)采用VSC換流器等。

4.直流功率調制的影響—低頻振蕩抑制：

（1）基本概念：

由系統缺乏阻尼或系統負阻尼引起的輸電線路上的功率波動頻率一般在0.1~2.0Hz，通常稱為低頻振蕩。自由振蕩頻率為：

(1.19)式中，由上式可知，機組慣量越大，振蕩頻率越低；輸送功率越大，振蕩頻率越低。

（2）直流小信號調制: a)利用與交流聯絡線并聯運行的HVDC的小信號調制可以有效地抑制互聯系統間的低頻振蕩；

b)原理：在已有HVDC控制系統中加入附加的直流小信號調制器，從交流聯絡線或兩端交流系統中提取異常信號，來調節直流線路傳輸的功率，使之快速吸收或補償交流線路功率過剩或缺額，起到阻尼振蕩作用。

c)常用直流小信號調制器類型：單入單出超前-滯后補償（原理類似于PSS）。

圖7-1 直流小信號調制器模型

5.諧波不穩定性：

（1）諧波概念：

諧波是一個周期電氣量的正弦分量，其頻率為基波頻率的整數倍；不是基波整數倍頻率的分量稱為間諧波或分數諧波；頻率低于基頻的間諧波稱為次諧波。

注意：HVDC換流器交流側為諧波電流源，直流側為諧波電壓源。（2）諧波穩定性：

a)HVDC引起的諧波不穩定是指在換流站附近有擾動時，諧波振蕩不易衰減甚至放大的現象，表現為交流母線電壓嚴重畸變。

b)后果：電流諧波放大幾倍甚至幾十倍；電壓嚴重畸變會導致換相失敗并使系統運行困難； c)不穩定機理： i.特征諧波大部分被交流濾波器吸收，但非特征諧波卻很難被濾波器吸收； ii.系統阻抗、電源阻抗、濾波器阻抗等并聯，容易導致較低次諧振頻率（5次及以下）； iii.諧振頻率如果與非特征諧波匹配可能導致諧波被放大，放大的諧波進一步造成交流電壓波形畸變及脈沖不均衡，如果形成正反饋，最終導致交流母線電壓嚴重畸變，直流系統運行困難或不能穩定運行； iv.鐵芯飽和型諧波不穩定是由于交直流系統中過多的低次諧波交互影響導致，諧波通過換流變壓器的磁通偏移被放大，諧波和換流器交互影響又激勵了這種放大，最終導致出現環流變壓器鐵芯飽和引起諧波不穩定現象； v.當交流側并聯諧振頻率與直流側串聯諧振頻率剛好滿足交直流兩側諧波交互關系時，就發生互補諧振； d)抑制諧波不穩定措施： i.ii.iii.iv.規劃階段避免互補諧振發生；

利用磁通補償或諧波注入消除非特征諧波；

附加控制電流調節觸發脈沖，保證非特征諧波最小； 有源濾波等。6.不對稱運行的影響：

在單極大地回線運行方式或者雙極兩端接地不對稱運行方式下，會有較大電（甚至為額定運行電流）經接地極流經大地。

持續、長時間的大電流流過接地極會表現出三類效應：電磁效應、熱力效應、電化效應。（1）電磁效應：

a)內容：直流電流注入大地，在極址土壤中形成恒定直流電流場，導致出現大地電位升高、跨步電壓、接觸電勢等。

b)影響：影響依靠大地磁場工作的設施；對金屬管道、鎧裝電纜、具有接地系統電氣設備產生負面影響；跨步電壓和接觸電勢影響人畜安全；電磁干擾。（2）熱力效應：

a)直流電流作用下電極溫度升高，可能蒸發土壤水分，導電性能變差，電極將出現熱不穩定，嚴重時會使土壤燒結成幾乎不導電的玻璃狀，電極將喪失運行能力。

b)影響電極溫升土壤參數：電阻率、熱導率、熱容率、濕度。（3）電化效應：

a)大地中水與鹽類物質相當于電解液，當直流電流經大地返回時，在陽極上會產生氧化反應，使得電極及附近金屬發生電腐蝕；也會導致附近土壤中鹽類物質被電解。

7.HVDC引起的變壓器直流偏磁：

（1）問題：直流輸電系統接地極流過較大電流時（如單極大地運行）會導致中性點接地變壓器產生直流偏磁現象。

（2）后果：導致鐵芯飽和，產生諧波，引起振動和噪聲，引起發熱，嚴重時損壞變壓器，引起保護誤動等。

圖7-2 直流偏磁對變壓器勵磁電流的影響（3）產生的原因：

a)電流在大地中流通，會在不同的地點產生不同的電勢，如果兩個變電站的接地網存在直流電勢差，加上交流系統的直流電阻比較小，這樣就會在交流系統中形成直流電流；

b)入地電流找到了一個比大地更容易流通的通道，即接地變壓器繞組和交流線路組成。

圖7-3 大地電流回路

（4）影響因素：兩臺接地變壓器所處位置的電位；兩個變電站接地電阻R1、R2；變壓器繞組直流電阻RT1、RT2；線路電阻RL。

圖7-4（5）抑制措施（根本思路：避免（減小）地電流流經變壓器中性點）： a)中性點串電阻，限制流入的直流電流：

圖7-5 中性點串電阻

i.ii.優點：簡單、可靠、低成本；

缺點：不能徹底消除直流電流流入；接地性質改變，有負面影響；影響方向保護靈敏度；系統故障時中性點過電壓等。

b)改變中性點電位（如反向注入電流、電位補償等）：

圖7-6 改變中性點電位

c)中性點串隔直電容阻止直流電流流入：

圖7-7 中性點串隔直電容

8.短時過電壓：

（1）定義：超過正常電壓范圍，持續相對較長時間的不衰減或衰減慢的過電壓。（Temporary Overvoltage，TOV）

（2）原因：造成換流站短時過電壓的根本原因是換流站安裝的大量無功補償電容器和濾波器；額定工況下，無功容量為額定輸送功率的40%-60%，甩負荷時引起無功消耗大幅下降甚至為零，剩余的無功補償容量就會導致過電壓。（3）影響短時過電壓大小的因素： a)系統強弱程度與無功消耗情況；

b)由交流系統等效阻抗與直流輸電換流站無功補償設備和濾波設備構成的并聯諧振；

c)由換流變壓器飽和或偏磁引起的勵磁涌流。

（4）一般短時過電壓包含的分量: 工頻過電壓分量；變壓器勵磁涌流引起的過電壓分量；并聯諧振決定的自由頻率分量。（5）限制短時過電壓的措施： a)加強交流系統；

b)采用適當的直流輸電運行策略； c)電容器組與濾波器組投切； d)ZnO避雷器限制過電壓。

9.HVDC引起的次同步振蕩（Subsynchronous Oscillation(SSO)）：

（1）概念：汽輪發電機軸系會與電力系統功率控制設備，如高壓直流輸電系統，靜止無功補償系統等，發生相互作用，產生的低于同步頻率的振蕩。

（2）問題：在直流輸電整流站附近的汽輪發電機組，如果大部分功率通過直流輸電來輸送，且與交流大系統之間的聯系又比較薄弱，容易引起次同步振蕩（SSO）。

（3）后果：導致機組大軸疲勞甚至斷裂，導致系統振蕩失穩。（4）作用機理：汽輪發電機的速度電動勢分量與換流器觸發角控制之間的緊密耦合與內在的反饋關系。

圖7-8（5）影響因素：

a)發電機組與電整流站電氣距離：距離越近越不利； b)發電機組與交流大電網聯系：聯系越薄弱越不利；

c)發電機組的額定功率與HVDC輸送的額定功率相對大小：若在同一個數量級上，不利；

d)HVDC控制器：電流調節器、輔助控制器等引起負阻尼。（6）抑制措施：

a)加入次同步阻尼控制器（SSDC）等附加控制解決（本質是通過提供對扭振模式的阻尼來抑制SSO）； b)附加一次設備防止（但價格昂貴）。

注意：逆變站附近的汽輪發電機組不會受到由HVDC引起的SSO危害。因為它們并不向HVDC提供任何功率，而只是與逆變站并列運行，供電給常規的隨頻率而變化的負荷。

注意：SSO基本只涉及大容量汽輪發電機組（30萬kW以上），其軸系結構特點引起。

注意：水輪機不易發生次同步振蕩：轉子慣量大，功率擾動不易引起軸系扭振；機組對扭振固有阻尼很高。10.多直流饋入問題：

（1）概念：多直流饋入就是在受端電網的一個區域中集中落點多回直流線路。

（2）只采用基本控制的HVDC通常會導致交流系統和直流系統間產生負面的相互作用；采用附加控制可以避免這種負面相互作用，甚至產生正面的影響。

11.單雙極閉鎖：

（1）整流站閉鎖相當于突甩負荷，系統頻率上升；（2）逆變站閉鎖相當于突然切機，系統頻率下降；（3）極閉鎖會使雙側交流系統突甩無功負荷，使電壓升高。12.直流制動：

（1）交流系統不能過于薄弱，否則不能起到制動作用；

（2）交流系統能快速提供無功，否則由于直流吸收無功的增加，會導致交流系統電壓大幅度下降，從而抵消吸收有功的作用或起反作用；（3）發電機與HVDC之間電氣距離長（機端升壓變和換流變），直流制動效果不會有電氣制動效果明顯；

（4）快速無功調節、快速勵磁、HVDC快投電容器和濾波器等，直流制動可以替代（或減少）切機切負荷；

13.VDC直流線路故障（短路）：

由于HVDC故障電流能持續一定時間但換流閥可快速關斷10ms，所以HVDC故障電流在交流系統中影響不明顯。14.交流系統故障（短路）：

引起的大幅電壓下降在逆變側可能會導致換相失敗。15.緊急功率支援：

如交流電網出現大幅度功率缺額：聯絡線跳開、某些大電廠跳開等，HVDC可以快速增加輸送功率或者快速潮流反轉。

八、VSC-HVDC 1.基本概念：

（1）定義：以基于全控器件的電壓源變換器（VSC）為基礎的直流輸電技術。（電壓源換流器高壓直流輸電或柔性直流輸電）

（2）特征：全控型電力電子器件、電壓源換流器、大多數采用脈寬調制（PWM）技術。（3）常規直流輸電面臨的挑戰：

a)兩側換流站無功消耗大（每側40~60%）； b)存在大量低次諧波，濾波器容量大； c)不能向無源網絡供電；

d)存在換相失敗風險，會威脅電網安全穩定； e)難以形成多端直流網絡。

注意：根本問題在于使用的開關器件是半控型器件晶閘管，只能控制開通而不能控制其關斷，換向必須靠交流側電源。2.VSC-HVDC的特點及應用場合：

（1）優點： a)結構緊湊占地小； b)無源系統供電/黑啟動； c)可聯絡弱交流系統； d)獨立的有功和無功控制； e)站間不用通訊； f)無換相失敗問題； g)諧波小；

h)易于實現多端直流。（2）缺點：

a)系統損耗較大，每端1.6%（常規0.8%）；

b)無法控制直流側故障電流（直流側故障只能跳交流側斷路器）； c)運行經驗尚不足，系統穩定性、可靠性仍有待檢驗。（3）應用場合：

a)可再生能源并網：連接風力發電場和電力網； b)孤島供電：海島或海上石油/天然氣的鉆井平臺； c)城市中心供電； d)地下電力輸送； e)連接異步交流電網。3.VSC-HVDC主要設備：

（1）主要設備及其作用：

a)電壓源換流器：實現整流和逆變；

b)直流電容：電壓支撐、抑制直流電壓波動降低直流諧波； c)換流電感：Boost控制、影響輸送能力、功率調節； d)交流濾波器：濾除交流側的諧波； e)直流電纜：傳輸電能；

f)測控與保護系統：測量、控制、保護； g)開關設備：投切VSC-HVDC系統；

h)冷卻系統：冷卻半導體、變壓器、電抗器等。（2）換流器：

a)兩電平換流器（以PWM波形逼近正弦波）：

圖8-1兩電平換流器（采用IGBT直接串聯閥實現）

i.ii.優點：電路結構簡單；所有閥容量相同；控制簡單，易擴展。缺點：器件直接串聯，對于參數一致性要求高，靜態均壓和動態均壓問題嚴峻，高。

b)NPC三電平換流器（以PWM波形逼近正弦波）：

圖8-2 NPC三電平換流器

i.優點：電平數提高有利于提高波形質量，降低損耗； ii.缺點：額外的器件（鉗位二極管）增加了成本和設計復雜度，存在電容電壓不平衡問題。

c)模塊化多電平（MMC）（以階梯波逼近正弦波）：

圖8-3模塊化多電平

i.優點：進一步改善波形質量，降低對濾波系統要求，甚至可以不要濾波器。

ii.缺點：電容器電壓平衡有難度。

d)變壓器組合式（并聯型）：

多個變換器并聯復合而成，采用曲折變壓器并聯接入交流系統，較低開關頻率獲得較好波形質量，可提升換流站容量。e)變壓器組合式（串聯型）：

多個變換器串聯復合而成，可提升電壓等級和換流站容量。f)變壓器組合式（串并聯型）：

多個變換器串并聯復合而成，可提升電壓等級和換流站容量，可以以“搭積木”形式實現所需的電壓、電流等級。4.VSC-HVDC構成形式：

（1）換流站接線方式：

圖8-4（2）兩端VSC-HVDC輸電系統：單極系統，雙級系統。

注意：采用基本MCC換流器實現的VSC-HVDC直流側沒有集中布置的電容器，無法采用直流中點接地方式實現正負極性對稱的直流線路。故一般有以下解決方法：閥交流側經電抗器構造中性點接地或者閥側變壓器采用yn形式。

注意：目前已投運的柔直系統絕大多數由ABB公司設計制造，VSC-HVDC換流器采用基本VSC實現，本身不能單極運行，僅直流線路可以單極運行。（有文獻稱為“偽雙極”）而由組合式VSC構成VSC-HVDC換流器時，可以實現真正的雙 極系統。

（3）多端VSC-HVDC輸電系統：

圖8-5多端VSC-HVDC輸電系統

5.VSC-HVDC系統穩態特性：

（1）VSC變換器特性：

圖8-6 VSC交流側穩態矢量關系1（假設不變）圖8-7 VSC交流側穩態矢量關系2（假設不變）

圖8-8 等值電路圖

由等值電路圖可得到交流側電源輸出的有功功率和無功功率分別為：

(1.20)(1.21)(1.22)(1.23)調整δ、k 可使得VSC運行于圓內任意一點，故其可獨立控制P、Q： δ > 0，電源相位超前，變換器工作于整流，交流系統向直流系統注入有功功率；δ < 0，電源相位滯后，變換器工作于逆變，直流系統向交流系統注入有功功率；，系統提供無功；，系統吸收無功。6.VSC-HVDC控制：

（1）控制主要功能：

使VSC-HVDC系統正常工作，保護設備，使系統經濟運行，具體包括：VSC-HVDC系統的啟動和停止控制，VSC-HVDC系統輸送功率潮流大小和方向控制，協調交流系統實現調度中心指令，提高系統穩定性。（2）分層控制：系統層控制，裝置層控制，器件層控制。

圖8-9 VSC-HVDC分層控制

a)系統層控制： i.系統層控制兩類物理量：

有功類物理量（有功功率、直流電壓/電流、交流頻率）和無功類物理量（無功功率、交流電壓幅值）。換流站必須在有功類物理量和無功類物理量中各挑選一個物理量進行控制。ii.系統層三種基本控制方式： ① 定功率（定直流電流）控制（控制功率或直流電流和與交流側交換的無功功率）：

圖8-10定功率控制

② 定直流電壓控制（控制直流母線電壓和與交流側交換的無功功率）：

圖8-11定直流電壓控制

注意：VSC-HVDC必須有一個換流站采用定直流電壓控制！③ 定交流電壓控制（控制交流母線電壓頻率和幅值）：

圖8-12定交流電壓控制

b)裝置層控制：根據系統層控制形成的參考值，形成換流器目標輸出波形參考信號（M、δ）。

圖8-13 i.常用的一般包含兩個控制環：功率類外環、電流內環。電流內環有利于換流器限流。

ii.換流器直接電流控制：

圖8-14換流器直接電流控制

iii.換流器間接電流控制：

圖8-15換流器間接電流控制

c)器件層控制： i.PWM控制原理：

沖量相等而形狀（如大小波形）不同的窄脈沖作用于慣性系統，其效果基本相同。（沖量即指窄脈沖的面積（變量對時間積分）；效果基本相同，是指系統的輸出響應波形基本相同）ii.PWM調制方法：

把希望輸出的波形作為調制信號（參考波，Vcontrol），把接受調制的信號作為載波（Vtri），通過信號波的調制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波，其中等腰三角波應用最多。

圖8-16 PWM調制波的形成

PWM頻率與載波Vtri頻率相同，輸出電壓VA0幅值由調制波Vcontrol幅值決定，輸出電壓基頻由Vcontrol頻率決定。

(1.24)iii.脈沖的寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形也稱SPWM波形。為了提高直流電壓利用率，可注入三次諧波。

圖8-17 單相兩電平VSC 注意：單相VSC可控運行的前提是直流電壓不低于交流側電壓峰值。

圖8-18 三相兩電平VSC 注意：三相VSC可控運行的前提是直流電壓不低于交流線電壓倍。iv.空間矢量PWM（SV-PWM）：

圖8-19

圖8-20 SV-PWM的八個開關狀態 圖8-21 八個開關狀態對應空間矢量位置

① 步驟：確定Vd, Vq, Vref, α；確定時間區域T1, T2, T0；確定S1~S6的開關時間。

② 優點：諧波小；直流電壓利用率高（是SPWM的倍）。

注意：SV-PWM只是利用矢量概念實現脈沖調制，并不是一般意義上的矢量控制，而仍然屬于標量控制。v.特定諧波消除調制方法（SHE-PWM）：

① 目標：滿足調制比前提下，消去部分低次諧波。

② 原理：選擇合適觸發角，既滿足基波輸出要求，又滿足消除某些低次諧波要求。vi.最優PWM（OPWM）：

① 目標函數：指定諧波消除、最小化總諧波畸變率、最小化畸變系數、最大轉矩。

② 數值計算方法：牛頓法、人工智能優化算法（GA、SA、CSA、PSO等）。vii.換流閥觸發技術：

圖8-22 采用光電轉換觸發換流閥

7.VSC-HVDC保護配置：

（1）區域劃分：外部交流系統，換流站內部，直流側線路。

圖8-23 VSC-HVDC保護區域劃分圖

（2）故障形式： a)外部交流系統故障：

電壓不平衡（不對稱故障或不對稱負荷引起）；過壓/欠壓；雷電過電壓（近端架空線路遭受雷擊引起）；操作過電壓投切線路設備引起等。

b)換流站內部故障：

內部交流母線故障；站內直流母線故障；閥體故障；元件失效等。c)直流線路故障：

斷線；單極接地；雙極短路；架空直流線路雷擊過電壓。（3）保護配置原則與特點：

a)可靠性，靈敏性，選擇性，快速性，可控性（通過控制換流器等減輕故障的危害），安全性（保障人身安全和設備安全），可維護性（保護功能及參數便于調整）。

b)特點：采取分區重疊配置（交流側保護區，換流器保護區，直流線路保護區）；分層配置（系統級保護，裝置級保護，器件級（閥級）保護）。

（4）交流側保護： a)交流線路保護；

b)換流變壓器保護：差動保護、過流保護、中性點偏移保護、變壓器本體保護（油、氣、?）； c)換流電抗器保護；

d)交流開關場和交流濾波器保護。（5）換流器保護： a)換流器過電流保護； b)換流器直流過電壓保護； c)交流側過電壓保護； d)觸發脈沖監控； e)閥自身保護； f)輔助設備保護。（6）直流線路保護： a)直流欠壓保護； b)直流過壓保護； c)直流電壓不平衡保護； d)直流故障再啟動邏輯等。8.VSC-HVDC與LCC-HVDC比較：

（1）結構：

圖8-24 VSC-HVDC與LCC-HVDC結構比較

（2）對連接的交流電網的要求：

a)LCC-HVDC：要求保持連接交流電網的電壓和頻率穩定，且具有足夠大短路容量；交流電網需要提供無功功率，否則有換相失敗風險。b)VSC-HVDC：對連接系統短路容量沒有要求，且可以直接連接無源網絡。（3）諧波：

a)LCC-HVDC：交流側12k±1，直流側12k次； b)VSC-HVDC：與開關頻率相關的高次諧波。（4）經濟傳輸范圍：

a)LCC-HVDC：大功率范圍內（250MW及以上），顯得經濟有效； b)VSC-HVDC：將經濟功率傳輸范圍擴展到幾個MW到幾百個MW之間。（5）無功：

a)LCC-HVDC：整流側和逆變側均吸收無功； b)VSC-HVDC：整流側和逆變側均可獨立靈活控制無功：吸收、發出和零無功。

（6）應用場合：

a)LCC HVDC：用于大容量電能傳輸；

b)VSC-HVDC：無源孤島供電、分布式發電接入、城市供電、??（7）控制手段及性能： a)LCC-HVDC： i.ii.iii.iv.v.vi.觸發角控制、投切電容器、變壓器分接頭； 潮流反轉依靠電壓極性反轉實現； 直流側故障通過晶閘管可以清除； 過載能力強； 不具有黑啟動功能；

損耗低，滿載時，每端~0.8%。

b)VSC-HVDC： i.ii.iii.iv.v.vi.PWM控制方式，有功無功的獨立控制；

潮流反轉依靠電流方向反轉實現，實現方便快捷； 直流側故障需要交流側跳閘清除； 過載能力弱； 具有黑啟動功能；

損耗高，滿載時，每端~1.6%。

（8）工程施工和占地：

VSC-HVDC整個電站按照模塊化設計，占地面積與同等容量常規直流輸電電站相比大大縮小；所有裝置可以在生產工廠經過試驗檢驗后運送到電站當地，施工方便。

九、直流輸電控制

1.直流輸電控制方式：

直流輸電系統的整流側維持直流電流，逆變側維持直流電壓，從而決定了直流傳輸功率。

（1）整流側：

a)直流電流控制：調節α→ 維持恒定；

b)直流功率控制：根據運行電壓→ 計算給定值→ 維持恒定； c)直流電壓控制：只有當直流系統電壓過電壓才起作用；

d)α角最小控制：整流側交流電壓↓或逆變側交流電壓↑，整流側不能繼續維持恒定，轉入α角最小控制，同時退出直流電流控制。一般αmin =5°；

e)無功功率控制或慢速交流電壓控制：只選一種，調節濾波器組數→ 改變無功，強交流系統選無功功率控制；

f)換流變壓器分接頭控制：調節交流電壓→ 維持α在給定范圍變化，或保持閥側空載電壓恒定；

g)地電流平衡控制：雙極運行時，調整兩極α，保持地電流<1%。（2）逆變側：

a)δ角控制：一般維持δ=18°； b)直流電壓控制：調整α → 維持恒定；

c)直流電流控制：只有當整流側轉入αmin控制才自動轉為該方式； d)快速交流電壓控制：當限制交流系統過電壓，當 ↑ ↑，換流變分接頭來不及調節，調δ ↑ → 吸收無功↑ → ↓ ↓。同樣對出現 ↓ ↓。e)無功功率控制或慢速交流電壓控制：只選一種，調節濾波器組數→ 改變無功，強交流系統選無功功率控制（與整流側同）;f)電流差值控制：防止逆變電流調節器在工作轉換時產生不穩定； g)換流變壓器分接頭控制：調節交流電壓→ 維持δ在給定范圍變化，或保持閥側空載電壓恒定。

注意：正常情況下，整流側是直流電流或直流功率控制，逆變側是δ角或直流電壓控制。

2.直流輸電控制特性：

（1）直流輸電等值電路：

圖9-1 直流輸電控制電路圖 圖9-2 直流輸電等值電路

(1.25)(1.26)(1.27)上面三個式子是分別用控制角α、熄弧角δ和關斷角β表示的直流電壓表達式。注意：這里的以β表示的公式中本來求出來是個負值，這里改變了逆變器內電勢的參考方向，故算出來是個正值。

(1.28)(1.29)注意：直流輸電可調量為導通角和變壓器分接頭。

（2）定觸發角控制：

a)整流側為定α方式，逆變側為定β方式： 將線路的電阻歸算到整流側，可得到以下計算式：

圖9-3 1為整流側，2為逆變側

(1.30)(1.31)(1.32)當整流器的交流電勢變化，則系統的運行點將偏移到A或B。由于伏安特性的斜率一般很小，交流電壓并不會有太大的變動，這樣就會引起直流電流和直流功率很大的波動。同理，逆變側交流電勢的變動，也會發生類似的結果。這種情況是不允許的。

直流輸送功率大幅度波動，將引起交流系統的運行困難，直流電流的劇烈變化，也會影響直流系統的安全運行，可能造成換流器過載和逆變器的換相失敗等。

b)整流側為定α方式，逆變側為定δ方式： 將線路的電阻歸算到整流側，可得到以下計算式：

圖9-4 1為整流側，2為逆變側

(1.33)(1.34)(1.35)上述控制方式同樣存在電壓小變化，直流電流大的變化，不利于直流輸電穩定運行。

c)整流側為定α方式，逆變側為定U方式： 將線路的電阻歸算到整流側，可得到以下計算式：

圖9-5 1為整流側，2為逆變側

(1.36)(1.37)(1.38)上述控制方式同樣存在電壓小變化，直流電流大的變化，不利于直流輸電穩定運行。

綜上所述，上述三種方法均不能解決直流輸電的穩定運行，有必要再加入下面的控制環節。

（3）定電流控制：

a)為了直流輸電系統穩定運行，整流器上都裝有定電流調節裝置，自動地保持電流為定值；逆變器定δ。

圖9-6 紅線為整流側，藍線為逆變側

b)低壓限流控制： i.概念：低壓限流控制是指在某些故障情況下，當發現直流電壓低于某一定值時，自動降低直流電流調節器的整定值，待直流電壓恢復后，又自動恢復整定值的功能，如下圖CD與EF段。

圖9-7低壓限流控制示意圖

ii.主要作用：

① 避免逆變器長時間換相失敗，保護換流閥；

② 在交流系統出現干擾或干擾消失后使系統保持穩定，有利于交流系統電壓恢復，改善交流系統的性能，保持換流站的無功平衡； ③ 在交流系統故障切除后，為直流輸電快速恢復創造條件，在交流電壓恢復期間，平穩的增大直流電流來恢復直流系統。因為如果直流系統功率恢復太快，換流器需要吸收較大的無功功率，影響交流電壓的恢復。iii.基本過程：

如果出于某種原因直流電壓降至以下，電流指令的最大限幅值開始下降。如果當前電流指令大于電流指令的最大限幅，則輸出的電流指令（）將降低。電流指令的降低可防止逆變端發生交流故障時的電壓不穩。如果直流電壓持續下降至低于，電流指令的最高限幅則不再下降，并保持在。iv.直流電流給定值修改的原則：保證整流側的給定值始終比逆變側的至少大。

（4）換流器控制：（見本材料P21）3.直流輸電的控制：

（1）定電流調節：

圖9-8定電流調節框圖

注意：余弦移相單元的作用是消除整流器的非線性，使整個控制系統變成線性系統，從而有利于控制器參數設計。

（2）定δ調節原理：

a)開環調節方式：由運行狀態計算出δ。

由和聯立可得。故只要測量和，即可根據δ，計算出β。改變β即可實現定δ控制。

b)閉環調節方式：根據實際系統測量δ。

圖9-9（3）定電壓調節原理：

圖9-10 與定電流控制類似，只是輸入信號為直流電壓。可以維持直流線路末端電壓恒定，也可以維持線路首端。

（4）無功控制： a)一般來講，在穩態運行方式下，整流器吸收的無功功率為直流輸出功率的30%～50%，逆變器吸收的無功功率則為40%～60%的直流輸出功率。b)無功及電壓控制是通過投切無功補償裝置、改變導通角和換流變分接頭的手段，實現：交直流系統的無功交換在規定的范圍；換流變閥側理想空載直流電壓不超標；導通角和熄弧角在期望的范圍內；換流母線電壓變化率不越限的目標。c)定無功功率控制：

計算所有投入的交流濾波器的無功功率和交流系統提供的無功功率以及換流器所消耗的無功功率，根據前二者之和與后者的差值來決定投切濾波器。最少交流濾波器組數限制是指在對應運行方式和運行功率水平條件下所必須投入的濾波器組數以及組合形式，否則將不能保證濾波效果，達不到濾波性能要求。

d)定交流電壓控制：

在電壓控制中，為了進行交流電壓控制，測量出母線電壓。電壓控制死區的高設定值和低設定值由運行人員在直流工作站上調整根據順序控制要求投入最少濾波器組，隨著輸送功率的增加，交流母線電壓下降，當滿足電壓控制死區的低設定值時，則投入一組交流濾波器。同樣，若直流系統輸送功率降低或其他運行參數發生變化，且當交流母線電壓滿足電壓控制死區的高設定值時切除一組交流濾波器。

（5）換流變分接頭調節：

a)換流變分接頭調節的必要性：整流側換流變如果固定變比，當交流電壓和直流電壓發生偏移或改變直流傳輸功率時，α變化會很大。若α過大，則消耗無功增加，直流電壓諧波增加；若α過小，則縮小控制范圍。故通過分接頭調整使α在一定范圍變化，如：（正常）。b)整流側工作原理：

當α < 下限時→ 調1檔分接頭，AC電壓↑ → α ↑； 當α > 上限時→ 調1檔分接頭，AC電壓↓ → α ↓；

一般來講，當α =下限或上限時，調1檔使α = 15o左右。每一檔交流電壓變化1% ~ 1.25%，太大會引起頻繁往復調節。總的變化范圍±15% ~20%。如果考慮降壓運行，變化范圍更大。

i.主要調節方式： ① 保持換流變閥側空載電壓恒定：

分接頭主要用于AC電壓的波動，故分接頭調節一般較少，所要求分接頭調節范圍也較小。負載波動由α或δ調整。分接頭調節不頻繁，延長壽命。

② 保持控制角（α或δ）在一定范圍變化（我國基本采用這種方式）： 分接頭調整使α或δ 在一定范圍變化→ Q ↓，交直流諧波↓；直流系統性能好，但分接頭調整頻繁且調整范圍要大。

c)逆變側工作原理：

當δ < 下限時→ 調1檔分接頭，AC電壓↑ → δ ↑； 當δ > 上限時→ 調1檔分接頭，AC電壓↓ → δ ↓；

一般來講，當δ =下限或上限時，調1檔使左右。每一檔交流電壓變化1% ~ 1.5%，太大會引起頻繁往復調節。

（6）定功率控制原理：

電力系統運行通常按輸送功率規劃，定Pd仍然是以定Id為基礎。

圖9-11（7）起停控制：

起停控制主要包括直流輸電系統從停運狀態變到運行狀態以及輸送功率從零增加給定值或從運行狀態轉變到停運狀態的控制功能。直流輸電系統的起停包括正常起動、正常停運、故障緊急停運和自動再起動等。

a)正常起動： i.起動方式：

直流輸電系統的起動，采用逐漸升壓的方式，以避免產生過電壓。通常用逐漸增大整流器電流調節器的電流整定值，使整流器的直流電流隨著增大的方法起動。ii.起動的過程主要步驟：

① 兩側換流站換流變壓器網側斷路器分別合閘，使換流變壓器和換流閥帶電；

② 兩側換流站分別進行直流側開關設備操作，以實現直流回路連接； ③ 兩側換流站分別投入適量的交流濾波器支路；

④ 起動逆變器，并使β角等于最大上限值（上限值小于或等于90°），然后按α=90°觸發整流器，同時便調節器的電流整定值按指數上升； ⑤ 通過電流調節器的作用，整流器的直流電流跟隨上升。在逆變側，當直流電流大于不連續電流值后，起動裝置便自動地逐步減小β角； ⑥ 當直流電壓電流都抵達額定值，δ調節器將δ角調到δ0后，起動過程便告結束。這種起動方式稱為軟起動。起動時間一般為100ms ～200ms 左右。

當起動開始階段，直流電流很小時，由于電流不連續，會引起過電壓，因此應設法盡快越過電流間斷區（一般在額定電流10％以下）。

b)正常停運： i.停運方式：

可以采用與軟起動相類的方法，使調節器電流整定值按指數規律下降。ii.停運的過程主要步驟：

① 通過整流側電流調節器，使直流電流跟隨整定值逐步下降，直至允許運行的最小值；在此過程中，逐步切除交流濾波器組，以滿足無功平衡的要求，逆變側的電流調節器也跟著使β角加大，直到達到上限值； ② 停送整流器的觸發脈沖，或者采用快速停止的方法，它是將整流器的觸發相位快速地增加到α=120~150°，使其轉入逆變運行狀態，于是平波電抗器和線路電感、電容中儲存的能量就迅速回送到交流系統。在逆變側，電流調節器也迅速地的把β角增加到上限值，以加速直流側能量的施放，這樣直流側的電壓和電流便很快地下降到零；

③ 當直流電流等于零時，閉鎖逆變器觸發脈沖，并切除逆變側余下的交流濾波器組；

④ 兩側換流站分別進行直流側開關設備操作，使直流線路與換流器斷開； ⑤ 兩側換流站分別進行交流開關設備操作，跳開換流變壓器網側斷路器。上述起停操作，均由起停程序控制設備自動地進行。c)故障緊急停運： i.概念： 直流輸電系統在運行中發生故障，保護裝置動作后的停運稱為故障緊急停運。其操作的主要目的是：①迅速消除故障點的直流電弧；②跳開交流斷路器以與交流電源隔離。ii.故障緊急停運過程：

迅速將整流器觸發相位快速地增加到α= 120~150°，使其轉入逆變運行狀態，稱之為快速移相。快速移相后，直流線路兩側都處于逆變狀態，將直流系統所儲存的能量迅速送回兩側交流系統。當直流電流下降到0后，分別閉鎖兩側換流器的觸發脈沖，繼而跳開兩側換流變壓器網側斷路器，達到緊急停運的目的。當多橋換流器中只有一個或部分換流橋發生故障必須退出運行時，為使其它部分仍繼續運行，可通過旁路閥和旁通開關，將故障部分隔離而退出工作。除由保護啟動的緊急停運外，還可以手動起動緊急停運。通常，在換流站主控制室內設有手動緊急停運按鈕，當發生危及人身或設備安全的事件時，可通過手動操作緊急停運按鈕，實現緊急停運。

d)自動再起動： i.概念：

自動再起動用于在直流架空線路瞬時故障時，迅速恢復送電的措施。ii.自動再起動過程：

① 當直流保護系統檢測到直流線路接地故障時，迅速將整流器的觸發角快速移相到120~150°，使整流器轉換為逆變器運行；

② 在兩側換流站均為逆變狀態運行時，直流系統儲存的電磁能量迅速返送到兩端交流系統，直流電流在20ms ~40ms內降到0；

③ 經過預先整定的100～150ms的弧道去游離時間后，按照一定的速度自動減小整流器的觸發角，使其恢復到整流運行，并迅速將直流電壓和電流升至故障前運行值（或預定值）；

④ 如果故障點絕緣未能及時恢復，在直流電壓升到故障前運行值時仍可再次發生故障，這時還可以進行第二次自動再起動。為了保證再起動成功率，在第二次再起動時，可適當加長整定的去游離時間，或減慢電壓上升速度；

⑤ 如果第二次再起動仍不成功，可以進行第三次，甚至第四次再起動。若已達到預定的再起動次數，均未成功，可認為故障是連續性的，此時就發出停運信號，使直流系統停運。由于控制系統的快速作用，直流輸電系統的自動再起動一般比交流系統的自動重合閘時間要短，因而對兩端交流系統的沖擊也比較小。對于直流電纜線路，由于其故障多半是連續性的，因而不宜采用自動再起動。、e)旁通對在正常起停中的應用： i.旁通閥：

由汞弧閥構成的換流器，除了六個主閥之外，大都裝有第七閥――旁通閥。正常運行時，旁通閥處于閉鎖（不加觸發）狀態，因此不通電流，不影響換流器的工作。當換流器發生故障時，旁通閥才被觸發導通，起保護主閥的作用。逆弧（即閥發生反向導通）是汞弧閥經常發生的瞬時性故障，需依靠旁通閥加以保護。旁通閥也可用于直流系統的起停操作。

圖9-12 由可控硅構成的換流器，不存在逆弧故障，可以用接在交流端同一相的上下兩閥同時觸發導通來代替旁通閥，稱為旁通對。其中閥1和4，3和6以及2和5三對均可選作旁通對。這樣就要省去價格昂貴的旁通閥。ii.正常起動時旁通對的應用：

利用旁通對起動直流系統的程序如下：當發出起動指令時，首先將兩側換流器的旁通對投入，直流線路便經兩側旁通對短路。接著整流器解鎖，進行軟起動。這時逆變器旁通對仍將直流線路短路，有利于電流盡快越過間斷區。待電流越過間斷區后解鎖逆變側，以后的過程和一般軟起動方式相同。換流器為雙橋串聯接線時，起動時整流器的一個橋先解鎖，通過另一橋的旁通對送出直流電流，然后第二個橋解鎖。這樣可以避免起動時第四個觸發的閥臂發生過電壓，這種過電壓在最惡劣的情況下可能達到4倍的額定值。iii.正常停運時旁通對的應用：

單橋六脈動直流系統的正常停止操作，開始時仍用上述的方法進行，當電流減小到接近間斷區時，始投入旁通對，使換流器越過間斷區而停止運行。由多個橋串聯組成的換流器，當其中一個橋需退出運行時，可將其旁通對投入，其它仍可通過這個通對繼續運行。若這個橋需要長期可合上它的旁通開關代替旁通對，再用隔離開關將橋隔開。當這個橋再投入運行時，按相反的次序操作。

f)潮流反轉控制： ① 概念：

直流輸電的特點之一是能夠方便、快速地實現功率潮流的反轉輸送。因此，它不但在正常運行時可以按照經濟原則調節輸送功率的大小和方向，而且當某側交流系統發生事故時，還要以通過它從另一側交流系統得到緊急的支援。由于換流器只能單向導電，所以直流電流的方向是不能反轉的，只有使直流電壓極性反轉，才能實現功率倒送。這就要把整流器觸發相位延遲，變為逆變狀態運行，把原來逆變器的觸發相位提前，變為整流狀態運行。反轉過程是自動進行的。

圖9-13 ② 簡要過程：

圖9-14 兩側換流器都裝有電流調節器和定δ調節器，它們的調節特性都由定α0、定Id0和定δ0三段組成。設功換流器1運行于整流狀態，換流器2運行于逆變狀態，運行點為A點，功率由1側送向2側。

當需要潮流反轉時，可將電流裕度指令從2側轉送到1側，因此1側的電流整定值減小到Id0-ΔId0，2側的電流整定值變為Id0，這時換流器1檢測出的電流大于新的整定值，電流調節器便不斷地增大α角，企圖降低電流。同時，換流器2檢測出的電流小于新整定值，選擇環節自動地將定δ調節轉換到定電流調節，后者不斷地增大β角，企圖把電流維持在新的整定值，致使，遂由逆變轉入整流狀態。同時1側也調到，由整流轉入逆變狀態。這個過程一直進行到換流器1的。選擇環節把定電流調節改為定調節，最后穩定在新的運行點B，完成了潮流反轉。

潮流反轉過程一般很快就能完成（約幾百毫秒）。雙方系統均難以承受，且對于直流電纜線路，過快的電壓極性反轉會損害它的絕緣性能，必要時可增加延時環節，減慢反轉過程。

g)控制系統的分層控制：

圖9-15控制系統的分層控制示意圖

i.閥控：

圖9-16閥控示意圖

ii.換流器控制：

① 定Id；定α；定δ；αmin & αmax；分接頭控制；無功功率；SCR觸發閉鎖和解鎖控制等；

② 換流器保護；AC、DC濾波器保護；換流變保護；母線保護；交直流電壓電流測量及報警等。iii.極控制：

控制和協調該極的運行；功率給定值設置；電流給定值計算，站間通信；過負荷監測；功率調制；本極起停；故障恢復；本極直流線路保護；直流開關場設備保護及報警等。iv.雙極和站控制： 協調兩個換流站和兩個極運行，雙極功率給定值設置；極電流平衡；緊急功率控制；功率反轉；雙極故障后恢復等。v.通信：

① 控制用：電流給定值，功率給定值等；

② 操作命令：起停；反轉；金屬大地回流；開關遙控；保護及連鎖動作等。注意：直流輸電設置一個主控站，可以是整流側也可以是逆變側主控站負責HVDC的運行與操作。

十、特高壓直流輸電：

（1）概念：

特高壓直流輸電（UHVDC）是指±800kV（±750kV）及以上電壓等級的直流輸電及相關技術。

（2）特點：

輸送容量大、電壓高，可用于電力系統非同步聯網。（3）UHVDC主接線：

圖10-1特高壓直流輸電主接線

（4）UHVDC運行方式：

圖10-2 特高壓直流輸電運行方式

十一、課后習題解答：

1.第一次作業：

（1）交流輸電或直流輸電線路的額定電壓提高一倍，其功率輸送能力提高多少倍？為什么？請予以證明。答：，U增大一倍，P增大至四倍。

（2）為什么交流電纜的輸電距離不能長？ 答：交流電纜的對地電容比較大，當輸電距離超過一定距離后，電纜中大部分電流流進大地，這樣受端就接收不到足夠功率。（下面的是網上的答案，僅供參考）

答：因為交流輸電存在系統穩定問題，由其功角特性可知，交流輸電距離越長，其穩定裕度越小。而且輸電距離越長，趨膚效應越明顯，損耗越嚴重。

（3）由電力電子技術知，換流器有：二極管換流器、晶閘管換流器和IGBT換流器。試問：能否用不同形式的換流器構成混合式直流輸電？能否雙向傳輸功率？

答：二極管是不控型器件，只能夠進行整流而不能進行逆變，所以二極管不能用來雙向傳輸功率；晶閘管和IGBT都是可以整流也可以逆變，所以晶閘管與IGBT的組合可以構成混合式直流輸電。（4）過多的大地電流有何不利影響？

答：雙極不對稱大地回線運行時存在電化學腐蝕問題和直流偏磁問題。（詳細解答見本頁最上面）2.第二次作業：

（1）為什么雙極大地回線的運行方式最為常用？

答：一方面在正常運行時大地回線中的電流很小，從而減小了大地電流的不利影響；另一方面是當有一極故障退出運行時，另一極仍可通過大地回線構成單極回線運行，提高了電力系統抵御事故的能力。（2）大地回線與金屬回線相比，有何優點和缺點？

答：大地回線的優點是電阻小，減少線路損耗，節省材料和成本；缺點是電流仍需要通過接地極，不同接地點會有不同的電位產生，使接地的變壓器產生直流偏磁，同時也伴隨著電化學腐蝕的發生。（3）背靠背直流輸電有何作用？ 答：背靠背直流輸電系統是輸電線路長度為零的直流輸電系統。這種類型的直流輸電主要用于兩個非同步運行（不同頻率或相同頻率但不同步）的交流電力系統之間的聯網或送電。

（4）怎樣區分兩段直流輸電和多端直流輸電？

答：可以看交流系統中所接換流站個數，也可以看交流電網接入點個數。（5）多端直流輸電系統有何優點和不便？

答：多端直流輸電系統由3個或3個以上的換流站及連接換流站之間的高壓直流輸電線路組成。它與交流系統有3個或3個以上的連接端口，能夠實現多個電源區域向多個負荷中心供電，減少了換流站的總數，比用多個2端直流輸電系統更為經濟。多端直流輸電系統中的換流站既可以作為整流站運行，也可以作為逆變站運行，運行方式更加靈活，能夠充分發揮直流輸電的經濟性和靈活性。缺點是目前缺少大容量的直流斷路器，無法切除故障，因而有一處故障則整個系統都會停運。3.第三次作業：

（1）從HVDC系統運行工作點的穩定性來說，定（逆變角）β運行方式與定（熄弧角，或關斷角）δ運行方式相比，哪一種運行方式的穩定性高？

答：定β運行方式穩定性好（但是實際應用中采用定δ運行方式）。（2）HVDC系統兩側交流系統的強弱，運行頻率的高低對HVDC系統運行穩定性有何影響？

答：對整流器而言，系統越強，內電抗越小，其外特性越平坦，穩定性越高；運行頻率越高，內電抗越大，其外特性越陡，穩定性越差。對逆變器而言，用β表示的外特性系統越強，內電抗越小，其外特性越平坦，穩定性越高；運行頻率越高，內電抗越大，其外特性越陡，穩定性越差。（3）SCR換流器等值電路中的內阻是感性的？還是阻性的？內阻的大小與交流系統的強弱有何關系？是否消耗能量？

答：感性的；系統越強，其內電抗越小，內阻也越小；內阻不消耗能量。（這里大家幫忙想想看對不對，謝謝！）4.第四次作業：

（1）為什么說換流器工作在整流狀態和逆變狀態都要從交流電源吸收無功功率？

答：在忽略換流器的損耗時交流功率一定等于直流功率，即。

當時，電流的基頻分量與相電壓同相位。有功功率為正，無功功率為零；當時，P減小，Q增大；當時，P=0，Q最大；當時，P變為負值，絕對值增大，Q仍為正，但幅值減小；當時，P達到負的最大，Q為零。所以，換流器不管是整流還是逆變，換流器都將從系統吸收無功功率。5.最后一次思考題：

（1）直流輸電的特點（優點及不足）：本材料P1頁。（2）直流輸電總體結構圖及各部分作用：

答：組成部分有：三相電源，換流站，輸電電纜或者架空線，換流站，交流電網。三相電源的作用是向電網輸出電能；電源端的換流站的功能是將交流電變成直流電；輸電電纜或者架空線的功能是將直流電進行遠距離輸送；交流電端的換流站的作用是將直流電變成交流電并輸送到交流電網上去；交流電網的作用是將交流電輸送到個電力用戶。（3）直流輸電基本公式：本材料P54頁。

（4）直流輸電系統諧波特性及濾波器：本材料P16-17，P21-23頁。（5）直流輸電系統無功特性及無功補償：

答：采用電網換相換流器（LCC-HVDC）的直流輸電換流站，不管處于整流狀態還是逆變狀態運行，直流系統都需要從交流系統吸收容性無功，即換流器對于交流系統而言總是一個無功負荷。無功補償設備包括機械投切的電容器和電抗器、同步調相機和靜止無功補償裝置三類。（詳見課本P38和P128頁）（6）直流輸電等值電路圖：本材料P54頁。（7）直流輸電基本控制方式：本材料P52-53頁。

（8）直流輸電基本控制特性：本材料P55-58頁。（這個沒太搞懂，大家找找教材看看有木有，懂的話教教我）（9）低壓限電流的作用：本材料P57-58頁。（10）直流輸電的起停：本材料P61-62頁。

（11）直流輸電的潮流反轉：本材料P64-65頁，教材P183頁。（12）直流輸電的分層控制思路：本材料P65-66頁。（13）直流輸電與交流系統有什么影響：本材料P24-35頁。

（14）采用直流輸電進行直流調制（制動）的優缺點：本材料P34-35頁。（15）直流輸電雙極閉鎖后對兩側交流系統的影響：（這個不清楚，求高手指點）

（16）特高壓直流輸電的意義：

答：特高壓直流輸電（UHVDC）是指±800kV（±750kV）及以上電壓等級的直流輸電及相關技術。特高壓直流輸電的主要特點是輸送容量大、電壓高，可用于電力系統非同步聯網。在我國特高壓電網建設中，將以1000kV交流特高壓輸電為主形成特高壓電網骨干網架，實現各大區電網的同步互聯；±800kV特高壓直流輸電則主要用于遠距離、中間無落點、無電壓支撐的大功率輸電工程。

（17）特高壓直流輸電的主接線：本材料P67頁。（UHVDC一般采用高可靠性的雙極兩端中性點接線方式）

（18）特高壓直流輸電和高壓直流輸電的異同點：（自己瞎寫的，僅供參考）答：同：都是采用直流方式輸送功率，實現不同頻率電網的互聯；異：前者電壓等級更高，輸送容量更大，送電距離更遠，線路損耗更低，工程投資更少，走廊利用率更高，運行方式更靈活。

（19）電壓源型（柔性）直流輸電（VSC-HVDC）有什么優缺點：本材料P36頁。

（20）電壓源型（柔性）直流輸電（VSC-HVDC）主接線及各部分作用：教材P196頁，本材料P37頁。

（21）VSC-HVDC與LCC-HVDC比較：本材料P50-52頁。

第四篇：高二物理選修3-5能量量子化教學案

高二

班

姓名

第十七章

波粒二象性

§17.1

能量量子化

【學習目標】

1．知道什么是黑體與黑體輻射。

2．了解“紫外災難”。

3．知道什么叫能量子及其含意。

【重點和難點】

1．重點：黑體輻射的實驗規律

能量量子化

2．難點：黑體輻射的理解

【新課教學】

1．我們周圍的一切物體都在輻射電磁波，這種輻射與物體的________有關，所以叫做熱輻射。

2．如果某種物體能夠________入射的各種波長的電磁波而不發生________，這種物體就是絕對黑體，簡稱黑體。黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的________有關。

3．普朗克假說：振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的________。當帶電微粒輻射或吸收能量時，也是以這個最小能量值為單位________地輻射或吸收的。這個不可再分的最小能量值ε叫做________，ε＝________，ν是電磁波的頻率，h是一個常量，后被稱為普朗克常量。其值為h＝________

J·s。

4．黑體與黑體輻射

(1)熱輻射

①定義：我們周圍的一切物體都在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度有關，所以叫熱輻射。

②熱輻射的特點

物體在任何溫度下都會發射電磁波，熱輻射強度按波長的分布情況隨物體的溫度而有所不同。當物體溫度較低時(如室溫)，熱輻射的主要成分是波長較長的電磁波(在紅外線區域)，不能引起人的視覺；當溫度升高時，熱輻射中較短波長的成分越來越強，可見光所占份額增大。

(2)黑體

①定義：在熱輻射的同時，物體表面還會吸收和反射外界射來的電磁波。如果一個物體能夠完全吸收投射到其表面的各種波長的電磁波而不發生反射，這種物體就是絕對黑體，簡稱黑體。

②黑體輻射的特性：黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關。

5．黑體輻射的實驗規律

(1)溫度一定時，黑體輻射強度隨波長的分布有一個極大值。

(2)隨著溫度的升高

①各種波長的輻射強度都有增加；

②輻射強度的極大值向波長較短的方向移動，黑　體

一般物體

熱輻射特點

輻射電磁波的強度按波長(或頻率)的分布只與黑體的溫度有關

輻射電磁波的情況與溫度、材料的種類及表面狀況有關

吸收及反射特點

完全吸收各種入射電磁波，不反射

既吸收，又反射，其能力與材料的種類及入射波長等因素有關

【課堂例題】

【例1】：黑體輻射的實驗規律如圖所示，由圖可知

（）

A．隨溫度升高，各種波長的輻射強度都有增加

B．隨溫度降低，各種波長的輻射強度都有增加

C．隨溫度升高，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動

D．隨溫度降低，輻射強度的極大值向波長較長的方向移動

【例2】：關于對普朗克能量子假說的認識，下列說法正確的是

（）

A．振動著的帶電微粒的能量只能是某一能量值ε

B．帶電微粒輻射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整數倍

C．能量子與電磁波的頻率成正比

D．這一假說與現實世界相矛盾，因而是錯誤的【例3】：紅光和紫光相比

（）

A．紅光光子的能量較大；在同一種介質中傳播時紅光的速度較大

B．紅光光子的能量較小；在同一種介質中傳播時紅光的速度較大

C．紅光光子的能量較大；在同一種介質中傳播時紅光的速度較小

D．紅光光子的能量較小；在同一種介質中傳播時紅光的速度較小

【例4】：光是一種電磁波，可見光的波長的大致范圍是400—700

nm、400

nm、700

nm電磁輻射的能量子的值各是多少？

【課后反饋】

1．關于對黑體的認識，下列說法正確的是

（）

A．黑體只吸收電磁波，不反射電磁波，看上去是黑的B．黑體輻射電磁波的強度按波長的分布除與溫度有關外，還與材料的種類及表面狀況有關

C．黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與溫度有關，與材料的種類及表面狀況無關

D．如果在一個空腔壁上開一個很小的孔，射入小孔的電磁波在空腔內表面經多次反射和吸

收，最終不能從小孔射出，這個空腔就成了一個黑體

2．關于對熱輻射的認識，下列說法中正確的是

（）

A．熱的物體向外輻射電磁波，冷的物體只吸收電磁波

B．溫度越高，物體輻射的電磁波越強

C．輻射強度按波長的分布情況只與物體的溫度有關，與材料種類及表面狀況無關

D．常溫下我們看到的物體的顏色就是物體輻射電磁波的顏色

3．紅、橙、黃、綠四種單色光中，光子能量最小的是

（）

A．紅光

B．橙光

C．黃光

D．綠光

4．某種光的光子能量為E，這種光在某一種介質中傳播時的波長為λ，則這種介質的折射率為()

A．

B．

C．

D．

5．某激光器能發射波長為λ的激光，發射功率為P，c表示光速，h表示普朗克常量，則激光器每秒發射的能量子數為

（）

A．

B．

C．

D．

6．2006諾貝爾物理學獎授予了兩名美國科學家，以表彰他們發現了宇宙微波背景輻射的黑體譜形狀及其溫度在不同方向上的微小變化。他們的出色工作被譽為是宇宙學研究進入精密科學時代的起點。下列與宇宙微波背景輻射的黑體譜相關的說法中正確的是()

A．微波是指波長在10－3

m到10

m之間的電磁波

B．微波和聲波一樣都只能在介質中傳播

C．黑體的熱輻射實際上是電磁輻射

D．普朗克在研究黑體的熱輻射問題中提出了能量子假說

7．在自然界生態系統中，蛇與老鼠和其他生物通過營養關系構成食物鏈，在維持生態平衡方面發揮著重要作用。蛇是老鼠的天敵，它是通過接收熱輻射來發現老鼠的。假設老鼠的體溫約為37

℃，它發出的最強的熱輻射的波長為λm。根據熱輻射理論，λm與輻射源的絕對溫度T的關系近似為Tλm＝2.90×10－3

m·K。

(1)

老鼠發出最強的熱輻射的波長為

()

A．7.8×10－5

m

B．9.4×10－6

m

C．1.16×10－4

m

D．9.7×10－8

m

(2)

老鼠發出的最強的熱輻射屬于

()

A．可見光波段

B．紫外波段

C．紅外波段

D．X射線波段

8．二氧化碳能強烈吸收紅外長波輻射，這種長波輻射的波長范圍約是1.4×10－3—1.6×10－3

m，相應的頻率范圍是________，相應的光子能量的范圍是________，“溫室效應”使大氣全年的平均溫度升高，空氣溫度升高，從微觀上看就是空氣中分子的________。(已知普朗克常量h＝6.6×10－34

J·s，真空中的光速c＝3.0×108

m/s。結果取兩位數字)

9．神光“Ⅱ”裝置是我國規模最大，國際上為數不多的高功率固體激光系統，利用它可獲得能量為2

400

J、波長λ為0.35

μm的紫外激光，已知普朗克常量h＝6.63×10－34

J·s，則該紫外激光所含光子數為多少個？(取兩位有效數字)。

10．氦—氖激光器發出波長為633

nm的激光，當激光器的輸出功率為1

mW時，每秒發出的光子數為多少個？

第五篇：三峽工程與高壓直流輸電

三峽工程與高壓直流輸電

摘要：本文論述了三峽工程中的輸變電工程的概況，特別是直流輸電系統。另外也論述了與電力電子技術相關的“西電東送”、全國電網聯網與直流聯網“背靠背”工程等方面的內容。

關鍵詞：三峽工程 高壓直流 輸電概 述

舉世矚目的長江三峽工程分為三大部分：樞紐工程、移民工程和輸變電工程。隨著三峽大壩的橫空出世、高峽平湖的夢想成真，從2003年起，這個當今世界上最大的水電站將產生源源不斷的強大電能。

三峽樞紐工程分三期施工，一期工程的標志為大江截流。二期工程主要修建三峽大壩的泄洪壩段、左岸廠房壩段、永久船閘。

二期工程以2003年第一批機組發電為完成標志。2001年11月22日，首批機組的安裝正式啟動，首臺機組重達721噸的發電機定子，被兩臺總共可吊1200噸的行車，穩穩地吊放到直徑20多米的機坑內。首批機組裝4臺70萬千瓦水輪發電機。

三期工程要對二期已筑起的大壩和右岸之間的導流明渠截流，建右岸廠房壩段。三峽輸變電工程也隨之成為三峽工程的重頭戲。26臺70萬千瓦水輪發電機組，1820萬千瓦的總裝機容量，到2010年全部機組建成投產后，三峽電站的年均發電量將達847億千瓦時。其中900萬千瓦將通過直流方式輸送出去。

三峽工程按1993年價格水平計算的靜態總投資為900.9億元，考慮物價、利息等變因，當時測算到2009年的動態總投資為2039億元。這些年宏觀經濟形勢一直較好，物價指數下降，目前樞紐工程控制在概算內，還略有節余。據預測，到2010年工程全部完工時，三峽工程的動態總投資可望控制在1800億元以內。三峽工程中的輸變電工程

由滔滔長江之水轉換而成的如此充沛的電能，如何自高山峽谷之中被瞬間傳遞到千里之外的負荷中心？總投資275億元的三峽輸變電工程將擔此重任。

按照設計方案，三峽電站分為左岸和右岸電站，左、右岸電站又各分為兩個電廠。其中，左一電廠裝機8臺，出線5回；左二電廠裝機6臺，出線3回；右

一、右二電廠裝機均為6臺，出線分別為4回和3回。這15回出線將分別把26臺機組發出的電能送至座落在湖北境內的一批500千伏變電站和換流站，再向全國輻射。

根據國務院去年底批準的三峽工程分電方案，三峽電站供電區域為湖北、河南、湖南、江西、上海、江蘇、浙江、安徽、廣東等八省一市。由于華中、川渝地區電力供求關系的變化，國務院決定三峽電站不向川渝送電。

因此，三峽電力外送將形成三大主要通道：

中通道：在華中四省建500千伏交流輸電線路4970公里，鄂豫間兩回，鄂湘間兩回，鄂贛間一回，變電容量1350萬千伏安（其中湖北境內的500千伏線路2630公里，變電容量525萬千伏安）；設計輸電能力900萬千瓦。

東通道：除利用現有的葛洲壩至上海直流線路輸電120萬千瓦外，2002年前建成第二

回東送500千伏直流輸電線路和湖北宜昌、江蘇常州換流站，額定容量300萬千瓦；2008年再建成第三回送上海的直流線路，增加容量300萬千瓦。同時，在華東地區配套建設500千伏交流輸電線路850公里，變電容量850千伏安。

南通道：2004年前建成一條973公里的500千伏直流輸電線路和湖北荊州、廣東惠州兩個換流站，送電能力為300萬千瓦。

到2008年，上述三個通道全部建成后，一個縱橫九千公里、貫穿八省一市的三峽輸變電工程將騰空而起。屆時，三峽電力將暢通無阻地奔向東西1500公里、南北1000公里范圍內的廣大用戶。

1997年3月26日，三峽電力外送工程的第一槍從西線打響。500千伏長壽至萬縣超高壓輸電線路正式開工。盡管三峽的電力電量后來不考慮向川渝輸送，但這條線路對于聯接華中和川渝電網仍將發揮極其重要的作用。

從1999年開始，三峽輸變電工程便進入大規模的建設階段。為了確保三峽工程首批機組2003年投產發電后的電力外送，2003年前，三峽輸變電工程要建成500千伏輸電線路4116千米，其中交流線路3016公里、直流線路1100公里；投產變電容量825萬千伏安，直流換流站600萬千瓦。其施工任務之艱巨可想而知。

2002年，三峽輸變電工程新開工和續建項目投資規模為45.61億元。其中，續建直流換流容量1200萬千瓦、交流變電容量650萬千伏安、500千伏輸電線路4043千米；新建變電容量75萬千伏安、500千伏輸電線路1203千米。三峽工程的直流輸電工程

三峽（宜昌）至常州直流輸電工程是三峽電站用直流方式向外輸出電力的第一條通道。這條直流輸電線，其額定直流電壓±500千伏，額定直流電流3000安培，輸送容量300萬千瓦。三峽至廣東直流輸電工程是三峽電站用直流方式向外輸出電力的第二條通道，也是“十五”末實現向廣東送電1000萬千瓦的關鍵項目。三廣線（三峽至廣東）輸電距離約976公里，由荊州換流站、惠州換流站、三廣直流線組成。

荊州換流站工程作為三峽電力外送的門戶換流站，建設計劃于20001年9月15日開始進行四通一平及工程前期準備，2004年1月極Ｉ投運，2004年6月極ＩＩ和雙極投運。這項項工程建設規模與三常線基本相同：額定直流電流3000安培。換流站直流線路電壓等級為雙極±500千伏，額定輸送功率為單極150萬千瓦，雙極300萬千瓦。建成后將成為世界上最大規模的換流站。

通過招標ABB公司贏得以上兩的工程項目。為支持國產化，本次兩個工程招標的主要設備換流閥和換流變壓器等均采取了合作生產的方式。同時，引進了ABB?公司的直流輸電成套設計技術以及控制保護的設計制造技術。

據悉，按照三峽工程設計，將在2003年6月蓄水至135米，并相繼實現永久船閘通航和首批機組發電的二期工程目標。根據國務院有關規定，在工程蓄水、通航、發電前，需進行階段驗收。本次驗收范圍包括樞紐工程、移民工程和輸變電工程三部分。

三峽左岸電站廠房2號機定子機座于11月22日吊入1號機坑進行組裝，這標志著三峽機組機電設備安裝正式開始。該臺定子機座設備由VGS聯營體供貨，其機座外徑為21.4米，高度為3.3米，總重量達180噸。

根據廣東省電力需求預測，到2005年，廣東全省用電負荷將達3617萬千瓦，2010年可達4905萬千瓦；“十五”期間，廣東需新增電源容量1208萬千瓦。目前，在廣東省大型電源建設項目中，2005年底前可投產總裝機容量約647萬千瓦（含火、核、氣、水），此間應退役小火電機組約157萬千瓦。很顯然，廣東本省新增裝機容量無法滿足用電需求。“西電東送”、“三峽南送”，把三峽的電力輸送到廣東，不僅僅是決策者的明智之舉，也是國家電網建設發展的迫切需要。“西電東送”

我國有極豐富的水力資源，其理論蘊藏量6.78億kW，可利用開發裝機容量為3.78億kW，居世界首位。到1997年底水電裝機容量為6008萬kW，占可利用開發裝機容量的15.89%。遠遠低于世界上水電開發利用較高的國家。根據國家水電規劃到2010年水電裝機容量達到

1.5億kW，那時占全國發電設備總裝機容量的比率將從現在的23%左右提高到加30％。今年水電裝機容量達到7000萬kW。從2000年到2010年的十年間要新增裝機容量8000萬kW，實現電力工業“3311”設想，即：3000萬kW特大型工程水電、3000萬kW常規水電；1000萬kW抽水蓄能電站。

“西電東送”工程與“西氣東輸”、“南水北調”、青藏鐵路一起，是西部大開發的四項跨世紀工程。其中“西電東送”被稱為西部大開發的標志性工程，開工最早、建設速度最快，于2000年11月在貴州拉開建設序幕。

“西電東送”是指開發貴州、云南、廣西、四川、內蒙古、山西、陜西等西部省區的電力資源，將其輸送到電力緊缺的廣東、上海、江蘇、浙江和京、津、唐地區。“西電東送”分北、中、南３條通道，北部通道是將黃河上游的水電和山西、內蒙古的坑口火電送往京津唐地區；中部通道是將三峽和金沙江干支流水電送往華東地區；南部通道是將貴州、廣西、云南三省區交界處的南盤江、北盤江、紅水河的水電資源以及云南、貴州兩省的火電資源開發出來送往廣東。

貴州至廣東直流輸電工程是“西電東送”中容量最大的一條輸電通道。貴廣線輸電距離約936千米，資金來源為國內貸款，工程計劃2001年底開工建設，2004年底單極投運，2005年６月完成雙極投運。貴州至廣州±500千伏直流、貴州至廣東兩回500伏交流與三峽至廣東±500千伏直流工程同時開工建設，我國西電東送八“龍”入粵格局已初步確立。八項輸電工程跨越我國西南部廣袤山區，縱橫綿延逾千公里，氣勢如虹。

“十五”期間，我國西電輸往廣東的電力將達到1120萬千瓦，在現代化道路上疾馳的廣東獲得更充足的電能，城鎮將變得更加璀璨迷人；同時，廣東與中西部經濟聯系也將更加緊密。

金沙江天然落差5100米,水能蘊藏量達到40000MW，是水電站的“富礦”。溪洛渡和向家壩水電站是金沙江干流規劃中的處于河段最后面的兩級，于四川云南省交界的金沙江上。距華東（上海）和華中（武漢）分別是1750公里和980公里，因此向華東和華中輸電和聯網均超過HVDC平均點(800公里)。它的建設不僅增加三峽，葛洲壩枯期保證出力，還具有防洪、灌溉、養活三峽水庫的泥沙淤積等一系列社會效益。

溪洛渡，向家壩水電站是繼三峽工程之后，在電力建設中具有重大戰略意義的又一宏偉工程。除此之外，我國西部地區，還有一批水電站的工程，如龍灘、小灣、拉西瓦、公伯峽、景洪等水電站，裝機容量均在1000MW以上。

金沙江一期工程溪洛渡、向家壩水電站是加大西電東送力度的重要戰略項目，已列入國家電力發展“十五”期間重點項目前期工作計劃。溪洛渡、向家壩水電站總裝機容量1860萬千瓦，多年平均發電量873億千瓦時。其中各送930萬千瓦將通過HVDC方式向華東、華中進行輸送。

1999年12月14日，中國長江三峽工程開發總公司委托國家電力公司開展金沙江一期工程輸電系統規劃設計工作。此后國家電力公司組織力量重點研究了由不同輸電方式、不同輸電電壓等級、不同的輸電規模組合的12個基本輸電方案，分為純直流（±500千伏或±600千伏）、純交流（特高壓1150千伏）和交直流混合（至華中為交流750千伏或500千伏，至華東為直流 ±600千伏或±750千伏）三大類。

專家提出，鑒于本工程的實際情況，金沙江一期工程的西電東送輸電方案不宜選用1150千伏特高壓電壓等級送電；采用750千伏交流送電華中，與采用500千伏交流相比，在技術上沒有多大優越性，經濟上又較貴，本工程不予推薦；純直流方案經濟性較好，兩電站輸電方案清晰，過渡方便，是一個較好方案。因此，純直流方案應是首選方案，建議按此方案開展下階段工作。金沙江一期工程送電川渝、云南采用500千伏的電壓等級可較好滿足要求。輸電直接從電站開關站出線，就近接入川渝電網、云南電網。電站接線應可避免川渝、云南電網在電站側交流聯網運行。專家們還肯定了溪洛渡及向家壩電站東送線路按南、北兩個通道考慮的思路。全國電網聯網與直流聯網“背靠背”工程

按照西電東送、南北互聯、全國聯網的方針，全國互聯電網的基本格局是：全國將以三峽輸電系統為主體，向東、西、南、北四個方向輻射，形成以北、中、南送電通道為主體、南北電網間多點互聯、縱向通道聯系較為緊密的全國互聯電網格局。北、中、南三大片電網之間原則上采用直流背靠背或常規直流隔開，以控制交流同步電網的規模。

“十五”期間全國聯網是以三峽工程為契機，并以三峽電站為中心，向東、西、南、北四個方向輻射，建設東、西、南、北四個方向的聯網和送電線路，并在條件成熟的電網間實現周邊聯網。除已建成的東北與華北聯網工程、擬開工建設的福建與華東聯網工程外，其它項目的實施順序是華中與華北聯網工程、華中與華東聯網工程（三峽至華東第一回直流工程）、山東與華北聯網工程（德州－滄州）、華中與南方聯網工程（三峽至廣東直流工程）、華中與川渝聯網工程（通過三萬線）、華中與西北聯網工程、川渝與西北聯網工程、山東與華北聯網工程、山東與華東聯網工程等。