直流输电的功率和电能损耗优化方案

直流输电线路的功率和电能损耗可以被确定为

ΔР=Р₁-Р₂ （12.38）

其中 Р₁——整流器所吸收的送端系统功率；

Р₂——逆变器向受端系统所发出的功率。

相应的功率和电能传输的有效系数为

输电线路的总损耗是整流变电站、逆变变电站和线路上损耗之和。变流站上的功率损耗是变压器、阀桥和线路电抗器损耗之和。

那么直流输电线路中总的功率损耗为

其中 ΔР_т——变流变压器的功率损耗；

ΔР_м——阀桥上的功率损耗；

ΔР_р——线路电抗器上的功率损耗；

ΔР_л——线路上的功率损耗（在此符号“в”对应与整流变电站，符号“и”对

应于逆变变电站）。

变压器中的功率损耗包括空载损耗ΔР_х和变压器绕组损耗（铜损ΔР_мт）。在向阀桥供电的变压器中，两个分量应该是随着高次谐波的增加而增加。变流变压器铁心中损耗的计算是足够复杂的。然而，应该考虑到，由于在变流变电站上采取了一系列补偿高次谐波的措施，因此交流母线上的电压几乎是正弦的。因此，可以采取一些近似，认为空载损耗只是取决于基波电压，并且可以采用常规的方法计算。

变压器铜中的有功损耗ΔР_мт应当计及高次谐波损耗，因为变压器绕组中流过5和7次谐波电流。

首先，认为变压器绕组的电阻与频率无关，可以写成

ΔP_мт=3I²_дR_т （12.41）

其中 I——流过变压器绕组全电流的有效值；

R_т——变压器电阻。

电流的有效值以及变压器的电阻可以被确定为

结果得到

那么，变压器中的有功总损耗为

在所列出的表达式中，额定电压是变压器阀绕组的电压。

如果在变流变电站上有N个串联或者是并联的桥，那么变压器中的有功总损耗为

ΣΔP_т=NΔP_т （12.44）

无功损耗也可以按照类似的方法得到：

ΔQ_1т=ΔQ_x+3I²₁x_т

其中 I₁——基波电流的实际值；

ΔQ_х——空载无功功率损耗。

注意式（12.15），并且考虑到

有

对于变电站上的N个桥，变压器中的总无功损耗为

ΣΔQ_т=NΔQ_т （12.46）

变流站所需要系统提供的无功功率，可以通过考虑这些变压器的功率损耗来确定。

无论对于整流器还是逆变器，阀桥中的有功损耗由晶闸管阀中的损耗ΔР_в、桥阻尼回路中的损耗ΔР_дц、阳极电抗器中的损耗ΔР_ар叠加而成：

ΔР_м=ΔР_в+ΔР_дц+ΔР_ар （12.47）

图12.20 导通状态下晶闸管的电压特性

下面详细分析第一项损耗。导通状态下晶闸管的电压特性如图12.20所示，从中可以看出，晶闸管上的电压由两部分组成。其中之一与电流无关：

u_тир=u₀+i_аR_тир （12.48）

其中 i_а——晶闸管的阳极电流；

R_тир——晶闸管在直线方向上由电压特性曲线斜率所决定的电阻。

当晶闸管中流过任意波形的电流时，其功率损耗可以确定为(www.xing528.com)

如果在最初的近似中忽略换向角，并且假设流经阀的电流是矩形波，则可以写成

或

其中 I_ср和I_д——相应的晶闸管电流平均值和有效值。

变流桥阀中的损耗是传输功率的函数。当传输功率变化时阀中的损耗也发生变化，但是这种关系体现得很细微。当传输功率在较大的范围内变化时，阀中的相对损耗变化不大，占此状态下桥功率的0.5%～0.7%。因此，可以认为，用于任何一种状态，阀中的损耗为这个状态下功率的0.5%～0.7%。

同时，根据晶闸管强迫制冷措施的要求，以绝对值表示的损耗是很大的（每个阀几百千瓦）。目前世界上用于冷却密封条件下的高压晶闸管阀采用的是去离子水，而在开放环境下采用的是变压器油。

计及桥阻尼回路中的损耗ΔР_дц和阳极电抗器损耗ΔР_ар，阀桥中的总损耗是其额定功率的0.7%～0.9%。换句话说，阀桥具有很高的效率（超过99%），因而它是具有很高经济性（从功率损耗的观点出发）的设备。

阀桥中一年的电能损耗由输电线路的工作曲线决定

其中 ΔЭ_тир——晶闸管中的电能损耗；

ΔЭ_дц——阻尼回路中的电能损耗；

ΔЭ_ар——阳极电抗器中的电能损耗。

或

其中 τ——按照输电线路工作曲线所决定的损耗时间。

当变流站中具有几个并联或者串联的阀桥时，其功率总损耗为

其中 N——变电站中阀桥的数量。

相应的桥中电能损耗为

线路电抗器中的功率损耗。线路电抗器连接在输电线路的每极上，即在线路侧每个变流站的出口。

直流电流流过线路电抗器，因此电抗器中的损耗只是由其绕组的损耗决定的

电抗器的电阻按照给定的短路功率ΔР_к确定

注意到，此时不需要考虑由变流器流向线路的高次谐波损耗，这些损耗较小可以被忽略。

整个输电线路上线路电抗器中总的功率损耗

其中 n——输电线路上所装设的电抗器数量。

线路电抗器的电能损耗可以确定为

具有传统变流器的直流输电线路和直流换流站的实际运行经验显示，变电站主要设备上功率损耗以及变电站自身用电的相对值，以变电站额定功率的百分数表示为

变流变压器…………1.3%～1.5%

变流器…………0.5%～0.7%

高次谐波过滤器…………0.018%～0.020%

线路电抗器…………0.17%～0.20%

自身用电…………0.1%

总共…………2.1%～2.5%

输电线路上的功率损耗由两部分组成：发热损耗和电晕损耗。

对于两个半回路（对地电流等于0）具有相等负载的双极输电线路，两个极中导体的发热损耗为

式中 r₀——单位长度线路极电阻；

L——线路长度。

电晕放电上的功率损耗是由线路电压和电极结构决定的。除此之外，其在很大程度上依赖于沿线的气候条件，在评估时准确的计算这些影响是很困难的，此时可以使用伏尔加格勒—顿巴斯直流输电线路的运行经验数据。对于此输电线路，年平均电晕放电电能损耗，在额定电流时为导体发热损耗的15%左右。可以假设，对于其他直流架空输电线路的电晕放电损耗的相对值也为这个数值。

如果是电缆线路，则其中无电晕电能损耗。唯一的损耗部分是电缆芯的发热损耗，而电缆电介质中的损耗是微不足道的。

应当注意，线路上的功率和电能损耗取决于其长度，并且实际上是总损耗的一部分，可以达到所输送功率的8%～12%（比变流站中的损耗高）。因此，直流输电线路的总效率在很大程度上是由线路长度和导体截面积确定的。