基于VSC-HVDC的清潔能源并網

白古月 高海生

（華東交通大學電氣與電子工程學院，江西 南昌 330013）

基于VSC-HVDC的清潔能源并網

白古月 高海生

（華東交通大學電氣與電子工程學院，江西 南昌 330013）

改變能源結構，推進清潔能源發展是世界各國的一致選擇，但是使用清潔能源會將電網中的供電源變得多而分散，會導致電網電壓水平變動、線路傳輸功率超出極限、系統短路容量增加和系統暫態穩定性改變等一系列問題。一種以電壓源換流器、自關斷器件和脈寬調制技術為基礎的新型輸電技術（VSC—HVDC）出現發展，為清潔能源的并網提供了有力的技術支撐。提出基于VSC—HVDC的清潔能源并網拓撲結構以及控制目標是清潔能源并網的首要目標。

VSC—HVDC；清潔能源；風光互補發電；PWM

（一）引言

VSC—HVDC是一種以電壓源換流器、自關斷器件和脈寬調制技術為基礎的新型輸電技術，它既可以實現有功功率和無功功率的獨立控制，又能向無源系統供電；在潮流反轉時，直流電流方向反轉而直流電壓極性不變，利于構成既能方便地控制潮流又具有較高可靠性的并聯多端直流系統。這些特點使得VSC—HVDC技術在清潔能源并網方面具有優越性。

（二）清潔能源概述

1.清潔能源定義

清潔能源（clearer energy）指在生產和使用過程、不產生有害物質排放的能源。可再生的、消耗后可得到恢復，或非再生的(如風能、水能、天然氣等)及經潔凈技術處理過的能源。

2.清潔能源以及其并網發展的分類概述

（1）風能發電

風能(wind energy)是由地球表面大量空氣流動所產生的動能。由于地面各處受太陽輻照后氣溫變化不同和空氣中水蒸氣的含量不同，引起各地氣壓的差異，在水平方向高壓空氣向低壓地區流動。風能資源決定于風能密度和可利用的風能年累積小時數。風能密度是單位迎風面積可獲得的風的功率，與風速的三次方和空氣密度成正比關系。據估算，全世界的風能總量約1300億千瓦，中國的風能總量約16億千瓦。

風能作為一種無污染和可再生的清潔能源有著巨大的發展潛力。近年因給大發電公司規定了配額，風電獲得迅猛發展，但長期以來，其發電并網難一直是掣肘清潔能源行業發展的攔路虎。近五年來，我國風電裝機容量連續以每年超過100%的速度增長，發電側風電裝機容量指標早已提前完成，但是截至2009年，風電裝機容量占電力總裝機容量的1.85%，而上網風電卻僅占總電量的 0.75%，這意味有 1.1%的風電運營后無法上網。

由于風能的不可控性，功率調節是風機的關鍵技術之一，變速恒頻風力發電機組已成為兆瓦級風力發電機組的主流機型。由于風電機組特殊的穩態與暫態特性，在風電穿透功率較大的電網時,會對原有電網帶來一定的沖擊，包括電壓的波動和閃變、接入點短路電流的改變，對頻率的影響等；同時，也將改變原有電網的潮流分布、線路傳輸功率甚至整個系統的慣量，增大了電網控制的難度。

雖然2009年以來，對風電裝備產能過剩、風電并網困難的批評不斷，但是風電的發展并沒有因為爭議而延緩，到2009年底，中國風電裝機容量已達到了約2500萬千瓦，躍居全球第2，已連續4年翻番增長。由于風電場輸出功率的隨機性和間歇性，以及風電機組難以提供電壓控制功能，風電場的并網技術一直是國內外風電界的一個重要研究課題。

（2）太陽能光伏發電

光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的一種技術。這種技術的關鍵元件是太陽能電池。太陽能電池經過串聯后進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發電裝置。

光伏發電具有不受地域限制、不消耗燃料、規模靈活、無污染、廉價、人類能夠自由利用等優點，而發展的主要制約因素是成本過高，是常規發電上網電價的10倍多。但隨著太陽能光伏發電技術的發展以及成本下降和能源供給形勢、價格形成機制的改變，太陽能光伏發電最終將會成為具有明顯優勢的發電技術。

光伏發電主要以獨立或并入大電網兩種方式運行。其中，并網運行通過并網逆變器接入光伏陣列模塊和電網關鍵部件，控制光伏陣列模塊運行于最大功率點，并向電網輸入正弦電流。并網后，光伏電池能夠始終運行在最大功率點處。然而，由于太陽能的隨機性和間歇性，光伏發電并網有可能會引起系統電壓和頻率的偏差、電壓波動和閃變以及孤島效應檢測盲區大等問題，從而影響到電網的電能質量和穩定，亟需電網發展過程中找出適當的控制手段加以實時控制和調度。

圖1 光伏發電系統實例

（3）核能發電

核能發電是利用核反應堆中核裂變所釋放出的熱能進行發電，它與火力發電結構相似。只是以核反應堆及蒸汽發生器來代替火力發電的鍋爐，以核裂變能代替礦物燃料的化學能。除沸水堆外（見輕水堆），其他類型的動力堆都是一回路的冷卻劑通過堆心加熱，在蒸汽發生器中將熱量傳給二回路或三回路的水，然后形成蒸汽推動汽輪發電機。沸水堆則是一回路的冷卻劑通過堆心加熱變成70個大氣壓左右的飽和蒸汽，經汽水分離并干燥后直接推動汽輪發電機。

世界上有比較豐富的核資源，核燃料有鈾、釷、氘、鋰硼等，世界上鈾的儲量約為417萬噸。地球上可供開發的核燃料資源，可提供的能量是礦石燃料的十多萬倍。核能具有許多的優點，如體積小而能量大，核能比化學能大幾百萬倍；并且和目前的傳統發電成本比較，便宜許多；而且，由于核燃料的運輸量小，所以核電站就可建在最需要的工業區附近；核能發電不會造成空氣污染，屬于清潔能源。然而，核電的調峰能力差，通常需要水電和火電的協調運行以控制出力。

目前，我國已建成并投入運行的核電機組共11臺，總裝機容量為 910萬千瓦。核能應用可以作為緩和世界能源危機的一種有效的經濟措施。

（4）水力發電

水能是可再生的清潔能源,在我國儲量豐富。水力發電系統利用河流、湖泊等位于高處具有位能的水流至低處，將其中所含之位能轉換成水輪機之動能，再藉水輪機為原動力，推動發電機產生電能。水電機組具有響應靈活、啟動速度快、可調節范圍廣、跟蹤負荷變化能力強的優點。但由于大型水電站會影響周邊生態環境平衡，近年來小水電成為了水電技術的主要發展方向。

我國現存的小水電站多為徑流式水電站，此種水電站按照河道多年的平均流量及可能獲得的水頭進行裝機容量選擇。全年不能滿負荷運行，一般僅達到 180天左右的正常運行；枯水期發電量急劇下降，小于50%，有時甚至發不出電，受河道天然流量的制約，而豐水期又有大量的棄水。因此，小水電發電負荷的不確定性較強，表現出的規律性往往并不理想，并且調節能力較差，亟需研究預測模型的方法以提高發電負荷預測的準確性。

（5）其他清潔能源發電

其他清潔能源發電技術包括燃料電池發電、生物質能發電、海洋能發電和地熱發電等。

3.我國清潔能源發展現狀

我國太陽能光伏發電、風能發電、核電發展迅猛。截止到2009年12月31日，我國（不含臺灣省）風機總裝機容量達到25805.3MW，兆瓦級風電機組成為我國風電裝機的主流產品，占2009年新裝風機組容量的86.8%。在太陽能利用方面，西北部地區建設了大規模的太陽能光伏發電基地。2009年 4月，13家太陽能光伏企業共同簽署了《洛陽宣言》，明確了在2012年實現光伏發電上網電價1元/(kW·h)的目標。另外，我國核電開發和水電開發也將繼續加快。在核電發展方面，目前我國建成和在建的核電站總裝機容量達到910萬kW，已核準10個核電項目，核電機組達28臺，其中已開工建設的有20臺機組。到2010年為止，我國水電總裝機容量達到2億千瓦，位居世界第一。

（三）VSC-HVDC技術概述

加拿大McGill大學的Boon-Teck Ooi等人于1990年首次提出 VSC—HVDC（Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current Transmission System，VSC—HVDC）技術以來，由于其獨特的技術優勢吸引了眾多學者和工程人員的關注。VSC—HVDC是以電壓源換流器、自關斷器件和脈寬調制技術為基礎的新型輸電技術，它既可以實現有功和無功功率的獨立控制，又能向無源系統供電；在潮流反轉時，直流電流方向反轉而直流電壓極性不變，利于構成既能方便地控制潮流又有較高可靠性的并聯多端直流系統。

VSC—HVDC系統由立即導通和立即關斷的控制閥構成，即絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)技術，通過對控制閥的開關，實現對交流側電壓幅值和相角的控制，從而獨立控制有功功率和無功功率，而且換流站不需要無功補償，也不存在換相失敗等問題，這些特點使得 VSC—HVDC技術在連接清潔能源發電并網方面具有很大的優越性。

1.VSC—HVDC的結構和基本原理

與基于電網換相技術的電流源換流器型直流輸電（LCC—HVDC）不同，電壓源換流器型直流輸電(VSC—HVDC)是一種以可控關斷器件和脈寬調制(PWM)技術為基礎的新型直流輸電技術。VSC—HVDC能夠瞬時實現有功功率和無功功率的獨立解耦控制、能向無源網絡供電、換流站間無需通訊、且易于構成多端直流系統。另外，該輸電技術能同時向系統提供有功功率和無功功率的緊急支援，在提高系統的穩定性和輸電能力等方面具有優勢。

（1）系統結構

圖3 典型電壓源換流器拓撲結構

圖2 VSC—HVDC結構原理圖

VSC-HVDC結構原理見圖2，兩端換流站均為VSC結構，它由全控型器件構成的換流器、換流變壓器、換流電抗器、直流電容器和交流濾波器等組成。圖 3為典型電壓源換流器的拓撲結構。

電壓源換流器(VSC)是整個系統中的關鍵性器件，其橋臂由大功率可控關斷型器件IGBT、IGCT和反并聯的二極管組成。換流器的拓撲結構為二電平和三電平 2種，開關模式為正弦脈寬調制（PWM）和優化脈寬調制等。變壓器T可采用常規的單相或三相變壓器，為了使換流器能夠達到最大的有功功率和無功功率，變壓器的二次側繞組帶有分接頭開關，通過調節分接頭來調節二次側的基準，進而獲得最大的有功和無功輸送能力。在 VSC中，對應的每一相分別安裝一個換流電抗器L，換流電抗器是VSC與交流系統之間傳輸功率的紐帶，決定有功功率與無功功率的控制性能；換流電抗器能抑制換流器輸出電流和電壓中的開關頻率諧波量，以獲得期望的基波電流和基波電壓；另外，換流電抗器還能抑制短路電流。直流側電容器C是VSC的直流側的儲能元件，它可以緩沖橋臂開斷的沖擊電流、減小直流側的電壓諧波，并為受端站提供電壓支撐同時，直流側電容器的大小決定其抑制直流電壓波動的能力，也影響控制器的響應性能。系統中，適量的交流濾波器(接地或不接地)安裝在換流母線處，使系統的諧波畸變率達到相關的諧波標準。

（2）工作原理

VSC—HVDC采用可控關斷器件IGBT（或IGCT）和PWM技術，由調制波與三角載波比較產生的觸發脈沖使上下橋臂高頻開通和關斷，橋臂中點電壓 Uc在 2個固定直流電壓±Ud之間快速切換，Uc再經過電抗器濾波后成為網側的交流電壓Us。進一步分析可知，假設換流電抗器無損耗且忽略諧波分量時，換流器和交流電網之間傳輸的有功功率P及無功功率Q分別為：

式中：Uc為換流器輸出電壓的基波分量；Us為交流母線電壓基波分量；δ為Uc和Us之間的相角差；X1為換流電抗器的電抗。有功功率的傳輸主要取決于δ，無功功率的傳輸主要取決于Uc。因此通過對δ的控制就可以控制直流電流的方向及輸送有功功率的大小，通過控制Uc就可以控制VSC發出或者吸收的無功功率。從系統角度來看，VSC可視為一無轉動慣量的電動機或發電機，幾乎可以瞬時實現有功功率和無功功率的獨立調節，實現4象限運行。

2.VSC—HVDC的工程應用研究

受電力行業特殊性的限制，VSC—HVDC的研究相對滯后，最早的實驗性工程是瑞典的Hellsjon工程，于1997年3月10日投運，目前在運行以及即將投運的VSC—HVDC工程均為ABB公司設計。

（1）Gotland工程

Gotland工程位于瑞典的哥特蘭島，1999年12月投運，是世界上第一個商業運行的VSC—HVDC工程。

Gotland工程的額定電壓為±80kV；受端額定容量為50MW；換流器使用2.5kV/700A的IGBT，容量為65MVA；使用40次高通（8MVA）交流濾波器一組；在無功補償方面，采用對VSC的控制，補償異步風力發電機和負載消耗的無功功率。

（2）Directlink工程

該工程位于澳大利亞，用于將昆士蘭和新南威爾士州兩個非同步交流電網連接在一起。工程的額定電壓為±80kV；換流器使用2.5kV/500A的IGBT，容量為65MVA；使用39次和78次交流濾波器各一組；且該工程為3套同規格（±80kV、60MW）的設備并列運行。Directlink工程全部利用以往的交流線路作為其支流輸電線路，節約了輸電走廊，并減小了對環境的影響。系統總的輸電容量達到了180MW。

（3）Tjaereborg工程

Tjaereborg工程位于丹麥西部，將海上風力發電接入到交流系統。該工程驗證了距離陸地50km容量為100MW的大容量海上風機接入電網的輸電技術。

圖4 Tjaereborg工程主回路結構

系統為交直流混合結構，如圖3所示，共有3種運行方式，分別為：交流輸電，直流輸電和交直流混合輸電。為了使風機的運行效率最高，發電系統需要運行在32~52Hz之間，會嚴重影響交流系統。采用VSC-HVDC系統送電達到了與交流系統隔離并且維持交流系統電能質量的要求。

（4）Eagle Pass工程

為了解決電壓穩定問題，保證美國和墨西哥之間的電力供應連續，在美國西部和墨西哥交界的美國一側建立了采用背靠背方式的Eagle Pass工程。該工程在138KV的輸電線路上裝設了額定功率為36MW、BTB方式的VSC-HVDC系統。除了用作BTB的運行方式，還可以作為2臺36MW的STATCOM投入到美國側或者墨西哥側運行。該工程還可以用于黑啟動及向無源系統輸送功率，也可實現在單獨給負荷供電的同時與主網的并網。

一些用于風電聯網和直流背靠背的商業化運行工程從投運到現在運行良好，產生了巨大的經濟與環保效益。可看出VSC-HVDC系統可為清潔能源供電、并網提供提供動態無功補償，且可通過頻率控制實現最大能源效率捕獲。非常適用于低功耗長距離輸電，有利于清潔能源并網發展。

（四）清潔能源并網結構拓撲

到目前為止，建成的直流輸電都是雙端供電系統，但是與傳統直流輸電不同，VSC-HVDC可以給無源系統直接供電，潮流反轉時電流方向反轉，電壓極性不變。因此，它適合構成具備較高可靠性的并聯多端直流系統，極大地便利于分布式的清潔能源并網。

1.多端VSC直流系統結構

圖5 多端VSC-HVDC系統

該系統包括 4個電壓源換流站；主導站，工作在直流電壓模式下，交流側與大電網電網相連；其余三個工作在功率模式下，交流側與無窮大電源相連；換流站工作在交流電壓模式下，交流側與清潔能源供電源連接。在多端直流輸電系統中，各換流站之間有必要進行功率的協調配合，以防止個別換流站過載(特別是主導站)。

2.風光互補發電系統的并網結構

太陽能與風能在時間和地域上具有很強的互補性，風光互補混合供電系統是可再生能源獨立供電系統的一種重要形式。采用基于多端 VSC的直流輸電系統，能夠實現風光互補發電系統的電壓優化控制，保證發電廠電壓的穩定與安全，使電網運行可靠平穩。

圖6 基于VSC-HVDC的風光互補發電系統

（五）VSC-HVDC并網系統的控制目標

有功功率的輸出由清潔能源的發電量決定，隨著隨著發電量的的變化而波動，不考慮功率的損耗，VSC-HVDC系統應同步的將電場發出的有功功率傳送到電網，實現有功功率的平衡。同時，由于 VSC的有功無功獨立調節能力，可以為電場的無功損耗提供支持。因此VSC-HVDC的任務是瞬時地將電場發出的功率傳輸出去，并保證風電場母線電壓的穩定。而電場側換流站的控制目標是定交流電壓和定交流側有功功率；電網側換流站的控制目標為定直流電壓和定無功功率。

（六）結語

積極地發展清潔能源是解決能源危機的主要途徑，對徹底解決我國能源緊缺、環境污染和氣候變化等問題具有重要的戰略意義。應用基于 VSC的高壓直流輸電技術將傳統的電網設計的運行模式由“單點供電，多點用電”改變為增加電網中的供電源（風力發電、光伏發電等清潔能源供電），可以極大地提高清潔能源的供電效率。VSC—HVDC的換流技術在我國目前正處于起步階段，應引起電力工業和學術領域的充分重視。

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1008-1151(2011)06-0024-04

2011-04-26

白古月（1984－），女，華東交通大學電氣與電子工程學院碩士研究生，研究方向為基于電壓源換流器的直流輸電技術。