柔性直流輸電技術在風力發電系統中的應用

李勇，朱曉青，秦斌，夏頌平

（湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007）

柔性直流輸電技術在風力發電系統中的應用

李勇，朱曉青，秦斌，夏頌平

（湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007）

首先闡述了風力發電的基本知識與相關技術特點，介紹了柔性直流技術（VSC-HVDC）在一些風電場輸電工程中的應用以及我國的研究現狀，此項技術解決了目前風力發電場在進行遠距離大功率電能輸送方面的問題。通過分析以電壓源換流器（VSC）為基礎的新型直流輸電技術的特點和基本原理，說明此技術是目前較為理想的風力發電與電網連接的輸電方式。最后，利用Matlab/Simulink仿真軟件對柔性直流技術（VSC-HVDC)建立仿真模型，仿真結果結果說明，此技術可以很好地解決風電場目前存在的大功率遠距離輸電問題。

風力發電；柔性直流輸電技術；電壓源型換流器

1 背景知識

風能是一種新型的清潔能源。由于目前風電場的規模較小，相鄰站點的距離不遠，所以現在風電場主要采用的是高壓交流輸電。但是隨著風電場規模的大型化，相鄰站點的傳輸距離變遠之后，解決長距離傳輸風電場產生的大規模電力成為目前研究者比較關心的問題。

目前，基于電壓源型換流器（voltage source converter,VSC）的新型直流輸電技術在國內外的多個項目中逐漸獲得應用。表1中給出了目前國內外已經成功應用柔性直流輸電技術的部分實際工程。近年來我國也有成功應用此技術的實際工程[1-2]。

哥特蘭島(Gotland)工程項目：1997年由ABB公司與Gotland能源公司在哥特蘭島建設的世界上第一個商業化的柔性直流輸電工程，1999年6月正式投入運行。此工程主要用于連接瑞典哥特蘭島和維斯比城，它同時也是世界上第一個用于連接風電場和電網的柔性直流輸電工程。

亞洲首條柔性直流輸電示范工程：上海南匯風電場柔性直流輸電工程。這是我國第一條擁有完全自主知識產權、具有世界一流水平的柔性直流輸電線路。它的成功投運標志著我國在智能電網高端裝備等方面取得了重大突破，國家電網總公司也由此成為世界上少數幾家掌握該項技術的公司。

表1 柔性直流輸電技術的實際應用Table 1Application of flexible DC transmission technology

以上幾例成功運行的工程中應用的風力發電機普遍采用雙饋型風力發電機。雙饋型風力發電機發電機所需要的風速范圍要求太高，發電量受限制，容易脫網，發電的經濟性和穩定性很差，有三級行星齒輪箱，5年需要更換一次，維護成本較高，電網的適應性差，功率因數受限制，一般只能到0.9。而永磁直驅風力發電機可以在非常寬的風速范圍運行，省去三級行星齒輪箱，可靠性高，電力電子變換裝置不需要Active Crowbar，功率因數幾乎不受限制，完全可以看成掛在電網上的一個無功發生器。

柔性直流輸電是采用基于電壓源換流器的新一代直流輸電技術，它可以獨立地控制其輸出電壓的相位和幅值，從而能夠快速、靈活地調節其輸出的有功功率和無功功率，不僅能夠較好地解決風電和太陽能等綠色能源大規模并網問題，也能解決特大城市電網存在的結構薄弱、短路電流偏大、動態無功補償不足等問題。

基于全控型器件(IGBT)的電壓源換流器(VSC)的新型直流輸電技術在以上實際工程中的成功應用充分說明了此項輸電技術在遠距離、大功率輸電方面所具有的優勢，并受到人們的廣泛關注。

文章首先對永磁直驅風力發電系統以及直流輸電的相關原理和技術特點做了簡單的介紹。然后通過直流輸電和交流輸電的對比說明了直流輸電所具有的優勢。緊接著，著重對電壓源型換流器（VSC）為基礎的新型直流輸電技術的基本原理和技術特點進行了分析，充分說明了柔性直流輸電技術符合風電場對電能的傳輸距離遠和輸送容量大的要求。最后，應用Matlab/Simulink仿真軟件，根據柔性直流輸電的數學模型搭建了仿真模型。仿真結果充分說明，此技術可以較好地解決目前風電場在進行遠距離大功率傳送等方面所存在的問題。

2 風力發電的基本原理以及遠距離大功率傳輸

在恒定速度的同步發電機或異步發電機中，當風速變化時，風力渦輪機（發電機）依然保持速度恒定，以達到發出的電能頻率恒定。此時，葉尖速比較低，因此大部分風力機在此狀態下不能實現良好的風能轉換效率。變速恒頻風力發電機應用了一種新型的風力發電技術，它可以實現風電機組在最佳葉尖速比的狀態下實時跟蹤不同的風速運行，以達到最好風能捕獲。變速恒頻工作模式相對于恒速恒頻模式而言，具有較高的運行效率，較強的吸收陣風的能力并且能夠適當提高功率因數等方面的優勢。目前有2種技術方案可以實現變速恒頻，即：交流勵磁雙饋風力發電系統和永磁直驅風力發電系統。

永磁直驅同步發電系統中的風力機和同步發電機之間采用直接耦合的連接方式，這種方式節省了其它風力發電系統中的故障率高和難維護的增速齒輪箱，簡化了發電系統的整體結構。因此，本文將永磁直驅風力發電系統作為研究對象。永磁直驅風力發電系統結構如圖1所示。

圖1 永磁直驅風力發電系統結構示意圖Fig. 1The structural diagram for permanent magnet direct drive wind power generation system

圖1為單臺永磁直驅同步發電系統的結構示意圖，風力機與永磁同步發電機直接耦合，發電機發出的頻率不穩定的三相交流電首先經過整流器變為電壓穩定的直流電，然后經過逆變器變為頻率穩定的三相交流電，最后經過升壓變壓器和大電網進行并網。

隨著新的風電場的建設，裝機總容量的日益擴大，遠距離、大功率的傳送成為急需解決的問題。

目前直流輸電中的換流站采用半控型器件進行有源逆變，因此供電具有局限性，例如只能向有源負荷供電。此種換流方式在電網電壓不足時容易導致換相失敗，影響供電的可靠性。柔性直流輸電采用的是全控型的電力電子器件，因此柔性直流輸電技術可以實現向無源網絡和孤島送電。

3 柔性直流輸電技術的發展及優點

3.1 柔性直流輸電技術的發展

上世紀90年代末，ABB公司開發出靈活的高壓直流（high voltaye direct current,HVDC）技術，目前這項技術已成功應用于多個國家的項目和各種領域。2006年5月，我國召開研討會，建議將此項技術命名為：柔性直流輸電技術（VSC-HVDC）。

圖2為柔性直流輸電系統的示意圖。左側的交流系統為永磁直驅同步風力發電機發出的三相交流電，三相交流電經過換流變壓器、換流電抗器以及濾波器等設備到達送端站VSC1，送端站VSC1將三相交流電整流成為電壓穩定的直流電，緊接著經過直流輸電線路到達受端站VSC2，受端站VSC2將直流電逆變成為頻率和電壓穩定的三相交流電，最后經過受端站的換流電抗器、濾波器，換流變壓器到達用戶端。

圖2 VSC-HVDC輸電系統示意圖Fig. 2Schematic diagram of the VSC-HVDC transmission system

3.2 柔性直流輸電技術優點

1）無穩定性問題。因為柔性直流輸電技術對輸電兩端無同步要求，輸電線路上無電抗存在，因而無穩定性問題，即可以通過此技術進行遠距離輸電。

2）不僅直流輸電自身無穩定性問題存在，同時它還可以提高它兩端交流輸電系統的穩定性。

3）節約線路的建設成本。交流輸電線路需要使用3條電線進行輸電，而直流輸電線路則只需要使用2條電線即可達到預定效果。

4）可以向無源網絡、孤島供電。換流站采用的是全控型的電力電子器件，無需強迫換流，因此可以實現向無源網絡或者孤島供電。

5）可以進行大功率傳送。

6）在電力系統擴容及與其它系統相連接時，應用直流輸電可隔離交流系統中存在的故障電流，使之不能進入原輸電系統，不會增大系統的短路容量[3]。

4 柔性直流輸電技術原理及數學模型

4.1 柔性直流輸電技術原理

伴隨著全控型電力電子技術的快速發展，柔性直流輸電的換流站也得到快速地發展。柔性直流輸電技術的基本原理見圖3。送端和受端的換流站均采用全控型的電力電子器件（IGBT）。

圖3 柔性直流輸電基本原理圖Fig. 3Schematic of flexible DC transmission

圖4為VSC的基波等效電路圖。

圖4 VSC的基波等效電路Fig. 4Fundamental wave equivalent circuit of VSC

電壓源型換流器和交流系統之間交換的有功功率P和無功功率Q為：

式中：Uc為換流站的輸出電壓的基波分量；Us為交流母線的電壓基波分量；δ為Uc和Us之間的相角差；Xc為換流電抗器的電抗值。

通過上式可得，有功功率P主要取決于移相角δ。當移相角δ＞0時，即有P＞0，換流器發出有功功率，當移相角δ＜0時，即有P＜0，換流器吸收有功功率。同理，要想控制無功功率的大小和方向只需控制Us-Uccosδ的大小即可，當Us-Uccosδ＞0時，即無功功率Q＞0，換流站吸收無功功率，反之，當Us-Uccosδ＜0時，即無功功率Q＜0，則換流站向外發出無功功率[4-5]。

4.2 柔性直流輸電數學模型

圖5為電壓源型換流器（VSC）的基本原理圖。

圖5 電壓源型換流器Fig. 5voltage source converter

根據圖5的基本原理圖型，對其做出簡要分析，即

式中：us,a,us,b,us,c分為電壓源處三相相電壓；L為線路的感抗；R為線路的電阻；ia,ib,ic分別為三相線路的相電流；ua,ub,uc為交流側的相電壓。

將式（2）綜合，可得

式中：iabc為三相線路的三相相電流；us,abc經為三相電壓源處的三相相電壓；uabc為三相交流側的相電壓。經過三相靜止坐標系與dq坐標系之間的變換可以得出在兩相坐標系下柔性直流輸電系統的數學模型，見式（4）[6]：

式中：us,d和us,q分別為兩相坐標系中的d軸電壓和q軸電壓；id和iq則分別為兩相坐標系的d軸電流和q軸電流；ω為角速度。式（5）～（6）為三相靜止坐標系與dq坐標系之間的變換矩陣

由瞬時功率得出，在兩相坐標系下變流器和交流輸電系統之間的有功和無功分別為：

以d軸電網電壓定位時，us,q為零，由式（7）得：

式（7）～（8）中：P和Q分別為有功功率和無功功率。通過式（8）可以看出，經過以上坐標變換以后，有功和無功可分別通過控制d軸和q軸電流來進行控制。

5 柔性直流輸電技術在風力發電系統中的仿真

為了驗證柔性直流輸電技術在風力發電并網中的應用，根據前面章節介紹的柔性直流輸電的相關原理以及數學模型，運用Matlab/simulink仿真軟件搭建如下圖6的仿真模型[7-8]。

圖6 柔性直流輸電的仿真模型Fig. 6 The simulation model of the flexible DC transmission

仿真參數為兩端交流側系統額定電壓為230 kV，額定容量為2 000 MVA，Station1為直流輸電的送端換流站，VSC Controller（Station1）為它的控制系統，Station2為受端換流站，VSC Controller（Station2）為它的控制系統。直流輸電線路的電壓為±100 kV，系統頻率為50 Hz，直流濾波電容容量為70 μF，直流平波電抗器8 mH，直流線路長度為100 km，線路采用型等值線路。圖7是送端站換流器的控制模型，圖8是受端換流器的控制模型。

圖中為了實現有功功率和無功功率的解耦從而進行獨立控制，所以送端換流站采用的是定有功功率和定無功功率的控制策略。受端換流站為了穩定直流側電壓和網側的交流電壓，因此采用的是定直流電壓和定交流電壓的控制策略[9]。

圖9～12是通過Matlab/Simulink仿真軟件對圖5的模型做出的仿真結果。

圖7 送端站的控制模型（Station1）Fig. 7Control model of sending end station (Station1)

圖8 受端站的控制模型（Station2）Fig. 8Control model of receiving end station (Station2)

圖9 交流側三相母線電壓Fig. 9AC side three-phase bus voltage

圖10 送端站無功功率Fig. 10The reactive power of sending end station

圖11 風電場輸出的有功功率Fig. 11The output active power of wind farm

圖12 直流側線路電壓Fig. 12DC side line voltage

由圖9～12的仿真波形可以看出，當風電場側的交流母線在1.5 s發生電壓跌落時，柔性直流輸電線路上的控制器能夠迅速做出反應。風電場側輸出的無功功率Q、送端站的有功功率P、直流側的母線電壓U的跌落幅值都分別在0.10 p.u.,0.10 p.u.,0.09 p.u.以內，當故障消除以后，整個柔性直流輸電系統能夠在0.14 s恢復到穩定運行狀態，說明柔性直流輸電系統具有很好的穩定性。

6 結語

在新型電力電子器件的飛速發展下，柔性直流輸電技術較其它輸電方式將更具有競爭性，在不遠的將來將此項技術應用于新能源發電，生物發電，垃圾發電的并網、城市電網的輸配電以及向孤島送電和無源網絡供電等方面將完全成為可能[10]。

總之柔性直流輸電是一種基于電壓源換流器的新型直流輸電方式，隨著研究的不斷深入，相信不遠的將來它將成為電能輸送中不可或缺的一部分。

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（責任編輯：申劍）

Application of Flexible DC Transmission Technology in Wind Power System

Li Yong，Zhu Xiaoqing，Qin Bin,Xia Songping
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Expounds the basic knowledge of wind power generation and related technical characteristics,and introduces the VSC-HVDC application in electric energy transportation of wind farms and the research status in our country. The technology solves the current problem of long-distance high-power electric energy transportation of wind farms. Through the analysis of the VSC-based HVDC features and basic principle,indicates that the technology is currently ideal transmission way of wind generation and grid connection. The simulation on VSC-HCDC by Matlab/Simulink software shows that it well solves the current problem of remote electric energy transmission of power farms.

wind power generation；flexible DC transmission technology；voltage source converter

TM743

A

1673-9833(2015)01-0059-06

2014-06-15

李勇（1987-），男，山東青島人，湖南工業大學碩士生，主要研究方向為復雜過程控制與建模，E-mail：394488703@qq.com

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.01.011