輕型直流輸電技術在并網風力發電中的應用

摘 要：現今開發利用風能、變速恒頻并網發電技術等風力發電的研究發展日新月異，在風力發電系統和電網連接中，最常見的是采用交流傳動方式直接連接，這種方式對風電電網的穩定性和要求較高，應用工程成本更大。本文主要論述了輕型直流輸電技術在風力并網發電系統中的應用。

關鍵詞：風力發電 ； 直流輸電； 并網 ；脈寬調制

中圖分類號：TM72 文獻標識碼：A

當前電網風力發電系統中，國際上主要采用交換傳輸與電網連接，風電機組發出的電能經機組變流器變換后就近接入交流電網并直接連接風機逐步提高產能。在風機功率逐步提升其自身穩定性對電網影響力較大，由于環境原因，風電場一般都遠離大電網或負荷地，風力發電須通過遠距離傳輸；從經濟的角度，大型風力發電所采用直流傳輸技術線和運營成本比交流電源更經濟，同時確保了質量和電網的穩定性，使用輕型直流輸電（VSC-HVDC）技術為風力發電系統的長距離傳輸和風力發電并網提供了一個新的解決辦法。

1 技術研究概述

輕型直流輸電技術（VSC-HVDC），由ABB公司提出于90年代后期發展的一種新型的高壓直流輸電（高壓直流電，HVDC）技術，它采用絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）和脈沖寬度調制（PWM）技術的電壓源換流器（Voltage Source Converter，VSC）進行換具有于傳統的HVDC技術相比，可實現靈活的有功和無功功率獨立控制，可減少變流器站過濾設備體積，易構成多端直流系統，并采用經濟優勢和特種電纜直流輸電。此技術在交流電壓和無功功率風能主動控制能力方面，對電波產生的快速反應能力尤其適合于并網風力發電系統。

輕型直流輸電技術的一個重要應用是連接交換風力發電場與網絡，主要包括系統建模和特性分析兩個方面?，F存的研究模型：根據電壓源換流器電路拓撲的機組動態數學模型，通過分析風力發電機組的動態過程，對輕型直流輸電風力發電系統的控制結構和動態控制策略按照次序進行設計；將VSC等效為電壓源，再簡化直流傳輸線的動態數學模型，建立多個風電機組發電數學模型，對風電場各機組的風能轉換關系及運行原理進行研究。

輕型直流輸電的風力發電系統控制研究主要有：為提高系統的穩定性和有效阻尼振蕩，使用非線性魯棒控制等方法對輕型直流輸電系統電壓進行控制；讓風能可以大量輸出。該系統可以有效解決電壓和功率要求的變化。非常合適在鏈接交換網絡系統和風電場。

2 技術原理

2.1 系統結構

輕型直流輸電（VSC-HVDC）技術，是在IGBT和PWM波形基礎上開發的一種最新型的高壓直流的輸電技術，主要作用是實現兩個系統互相之間的電能傳輸。它的拓撲結構，如下圖1所示：

典型的輕型直流輸電系統拓撲結構由以下幾個主要部分構成：

（l）交換源（AC Source）：用來連接兩個交換源系統。甚至可以與不同頻率的電網，或者風電場或其他中小型發電設備和電網相連接，輕型直流輸電技術同時也應用于無源符合的電力負載系統；

（2）變壓器（Transformers）：它和通信系統連接將交換網絡電壓轉換為適合電能變換、VSC換流器站的振幅，受VSC功率開關器件的大小限制，振幅一般不超過+ 150千伏；

（3）電抗器（Phase reactors）：用于傳輸系統的有功和無功功率、電流的調節，減少在VSC換流站中，由于PWM技術而產生的高頻諧波的含量；

（4）交流濾波器（AC filters）：諧波對交流系統等設備造成一定干擾，采用PWM技術、濾波器的容量的過濾器比傳統的高壓輸電會小很多；

（5）VSC換流站（VSC Converters）：分受端和送端兩個換流站，分別對整流和逆變進行操作，通過對VSC的控制，實現系統對活躍無功功率傳輸和系統控制功能；

（6）直流電（DC Capacitors）：在受端和送端設立容量相等的兩個電容，目的是支持功率流動提供能量能量緩沖路徑和電壓緩沖區、以減少一側的直流電壓波紋；

（7）直流電纜（（DC Cables）：新型直流電纜，重量輕、體積小、絕緣性能好、傳輸能力強等特點，適用于地下、水下鋪設。

2.2 控制策略

輕型直流輸電系統適用于功率輸送，要求VSC能獨立控制有功和無功，功率實現雙向流動，維護直流輸電線路電壓穩定；對電壓波動的快速響應， 獨立控制每個轉換站。

傳統的高壓直流輸電控制中：功率傳輸一端控制直流電壓穩定，另一端控制有功功率，實現功率平衡，潮流可以流到任何方向，不能獨立于有功控制。

輕型直流輸電中：增設一個自由度來進行控制，由于采用了PWM調制技術，能獨立操控有功和無功，無功功率在不改變直流電壓的情況下，由交流電壓或者設定值對送端或受端分別進行控制，有功功率用交流側設定值來控制交流電壓、頻率。

3 技術特點與應用領域

3.1 特點和優勢

輕型直流輸電技術是采用的基于IGBT和PWM技術的VSC，其特性和優點勝于傳統的高壓直流輸電系統和交流輸電系統：

（1）傳統HVDC均采用自然換向的相控換流器（PCC），由無自斷能力的晶閘管（Thyristor）組成，受端系統為逆變器提供變換相電壓，在弱交流系統的末端時，用同步攝像機來改善換相條；輕型直流輸電技術使用自關斷電流的IGBT，受端是無源網絡，減少對設備的需求；

（2）系統通過VSC控制：實現相互獨立的有功、無功功率傳輸。在有功不變，交流系統無功實現動態補償，交流電壓穩定，實現靜態無功補償（STATCOM）功能，并在電網故障時，提供電網無功功率支持；

（3）系統采用PWM控制技術：IGBT開關在高頻狀態下，系統的濾波設備大幅下降，只需要低通濾波即可設定的交流電壓和電流；

（4）VSC換流器較適宜多端直流母線連接，通過換流站之間的控制建立多端直流輸電系統，與交流系統有相同的拓撲結構。系統在潮流反轉時能夠保證直流電壓的極性并且僅需要改變電流的方向，即對潮流進行操控；

（5） VSC換流站獨立于兩端的交流源，讓系統對交流源的的干擾不敏感，同時交流電壓的故障也不影響到直流傳輸；當交流系統發生接地或短路故障而導致交流電壓下降，VSC的控制作用直流電傳輸會自動調整到預定故障值；

（6） 整流側和逆變側的VSC控制系統能互相獨立控制，使控制器的可靠性和反應速度得到提高，減少了傳統的HVDC交流通信失敗的風險。

3.2 應用領域

實際應用表明輕型直流輸電技術，在傳輸的電壓低于±150kV、容量低于200MW的電力系統連接具有技術和經濟上的優越性，可應用于以下領域：

（1）連接大電網和風力發電場。風力發電場均遠離大電網負荷區地區，從傳輸容量方面和建筑成本考慮，使用輕型直流輸電技術是實現電網和風電場互聯的最佳解決方案之一；

（2）清潔能源。風能，太陽能、潮汐電站均建在偏遠地區，電能質量很難滿足要求。輕型直流輸電技術可提高電力電能質量，降低經濟投資，改善電力傳輸效率，使用地下電纜可減少對環境的破壞，符合清潔能源保護環境的要求；

（3）城市電網改造。大、中城市發展和建設使地面傳輸空間減小，頭頂配電網絡不能滿足電力建設要求，使用地下電纜傳輸，占用空間小，提高有效容量和傳動效率，地下電纜輕型直流輸電技術已城市電網改造和增加容量的可行性措施之一；

（4）連接不同電網，提高供電質量。風電、太陽能等供電系統輸入網絡后負載經常發生變化，導致頻繁的電網電壓波動，電網不穩定。輕型直流輸電技術引進了更多的直流電源環網，方便電網之間力量的支持，從而提高傳輸的可靠性和靈活性。使不同容量不同頻率電網之間的連接更方便，對于電力諧波、電壓閃變、電網負載變化等，輕型直流輸電技術可以通過VSC保持穩定電網。

結語

風能作為一種清潔的可再生能源已越來越多地受到各國關注并得以飛速發展。當前風電廠和電網多數使用交流電源系統鏈接，這對風力發電機組輸出和電網的穩定性提出了更高的需求。輕型傳輸技術是一種新型的基于VSC直流輸電技術，以GBT和PWM控制技術為基礎，通過對VSC的結構與控制設計，使系統的有功和無功實現獨立控制，迅速調整變化中的交、直流電壓，采用特殊的電纜傳輸，適用風力電場，并實現與交流電網穩定連接。

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