直流輸電技術在風力發電系統中的應用

中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司　徐田奎

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直流輸電技術在風力發電系統中的應用

中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司徐田奎

【摘要】詳細介紹以電壓源換流器以及絕緣柵雙極晶體管為關鍵部件的輕型高壓直流輸電線路以及其在風力發電系統中的應用。首先對輕型直流輸電技術以及輕型高壓直流輸電的基礎技術進行了詳細介紹，然后對其在風力發電系統中的應用方向以及實際應用進行了詳細分析。

【關鍵詞】直流輸電技術；風力發電系統；應用

0　引言

風能是一種清潔、綠色的能源，具有可再生性，應用風能有利于調整能源結構，對于環境保護至關重要。新時期，直流輸電技術發展迅速，下文主要以輕型高壓直流輸電技術為研究對象，具體分析了其在風力發電系統中的應用。

1　輕型高壓直流輸電技術

90年代后期，ABB公司研發出一種全新的高壓直流輸電技術，即輕型直流輸電技術（VSC—HVDC），與傳統的高壓直流輸電線路相比，該技術能夠實現靈活的有功容量控制和無功容量控制，有利于減少變流器站過濾設備體積，容易形成多端直流系統，而且在經濟方面應用優勢十分明顯。將輕型直流輸電技術應用于風力發電系統中，在交流電壓和無功功率控制方面都具有十分明顯的優勢。

在風力發電系統中，輕型高壓直流輸電線路的主要作用是連接交換風力發電場和網絡，具體包括系統建模和特性這兩個方面。在風力發電系統中，輕型高壓直流輸電的主要研究方向是提高風力發電系統的穩定性，使用非線性魯棒控制等方法加強控制。

2　輕型高壓直流輸電技術

2.1電壓源換流器（VSC）技術

在傳統的電力工業中，高壓直流輸電技術一般是基于PCC技術，但是，現如今，VSC技術發展迅速并得到了廣泛應用。PCC技術和VSC技術的主要區別在于，PCC技術在實際應用中，不僅需要開通電力電子元件，而且還需要斷開電流組件。但是，VSC技術的應用卻十分便捷，因為其使用全控型功率元件IGBT，有利于控制電流開斷。PCC技術使用晶閘管，其單向導電性使得該項技術只能夠控制閥的開通，但是不能控制電流開端，對于電流開端，必須借助于交流母線電壓的過零。因此，如果使用PCC技術，則直流輸電的方式不能夠對旋轉電擊功率較小的負荷進行供電。另外，由于換流器的諧波次數較低、容量較大，而且占地面積大，因此在實際應用中會受到一定的限制。

VSC技術的全控型功率器件主要是絕緣柵雙極晶體管，因此對于電流通斷，可以通過控制半導體閥進行管理。

VSC主要是由直流電容、IGBT閥橋、交流濾波器、換流控制器等部件組成的。而IGBT閥橋的主要是由6個閥所組成的，在每1個閥中都并聯了一個IGBT，而每個IGBT又與一個二極管進行反并聯，在實際應用中，可以通過換流控制器的光纖連接來控制各個IGBT的開斷形式。

其中：

Ug指的是換流器所產生的基波頻率電壓；

Un指的是交流網絡電壓；

X指的是線路電抗；

L指的是線路長度。

Ug的放大倍數可以直接決定無功功率Q的流動情況，而放大倍數可以通過來自換流器閥橋的脈沖寬度來進行管理和控制。對于無功功率Q，可以通過公式(2)進行計算：

流過換流器的電流和電壓主要是由換流器容量直接決定的，而換流器的無功容量和有功容量之間可以進行交換，二者的結合形式如圖1所示。

圖1　無功容量和有功容量結合形式

2.2脈寬調制技術（PWM）

電壓源換流器技術中的VSC可以使用IGBT，而這就使得PWM的應用可能性較大。采用PWM控制方式，可以有效控制逆變電路開關器件，使得輸出端能夠得到幅值相同、寬度不同的脈沖，而這些脈沖可以代替實際需要的正弦波。PWM可以通過實現兩固定的直流電壓之間的快速切換，以此產生交流電壓，并且得到基波電壓。在風力發電系統中，可以應用PWM技術，快速改變交流輸出電壓的幅值和相位，對無功功率和有功功率進行有效控制。通過PWM逆變的交流電壓，能夠隨著控制系統的變化而發生改變。因此，在PWM技術的實際應用中，可以省去傳統HVDC中的換流變壓器，有利于簡化電路結構。

2.3輕型高壓直流換流站

高頻下，換流器的轉換過程十分有效，因此對于濾波器、變壓器等輔助設備的需求比較少。換流器的電壓與網絡節點位置的交流電壓不同，而且輕型高壓直流換流站一般至需要1個變壓器，有利于減小高壓直流換流站的建設面積。例如，1個65MVA容量的輕型高壓直流換流站的占地面積一般為800m2，而1個250MVA容量的輕型高壓直流換流站的占地面積一般為3000m2。另外，在輕型高壓直流換流站的建設過程中，可以使用很多地下電纜，所以對于周邊環境不會產生不良影響，因此，輕型高壓直流輸電技術的應用十分環保清潔，但是由于其結構緊密，因此對于絕緣性能的要求也比較高。

2.4輕型高壓直流輸電電纜

現階段，新型的輕型高壓直流輸電電纜是一種擠壓式單極絕緣電纜，單極直流電纜的絕緣壁厚度比較大，因此其絕緣性能較高，應用前景十分廣闊。與此同時，輕型高壓直流輸電電纜的機械靈活性比較高，在實際應用中，可以被用于絕緣架空電纜及海底電纜等方面。

3　輕型高壓直流輸電技術在風力發電系統中的應用

3.1應用領域

（1）通過輕型高壓直流輸電技術，可以將風力發電場和大電網進行有效連接。一般情況下，風力發電廠遠離大電網負荷區。因此，在實際應用中，可以使用輕型高壓直流輸電技術，有利于節約建筑施工成本，提高傳輸容量。

（2）清潔能源。一般情況下，風能、太陽能等都建設在偏遠地區，因此很難保證電能質量。如果使用輕型高壓直流輸電技術，則能夠在很大程度上降低經濟投資成本、提高電力傳輸效率和電能質量、避免對環境造成破壞，因此清潔性較高。

（3）城市電網改造。新時期，社會經濟發展迅速，各地建設數量越來越多，而采用頭頂配電網絡很難滿足電力建設需求，對此，可以使用輕型高壓直流輸電技術，因為地下電纜的應用可以增加電力容量，提高電力傳動效率。

（4）連接不同電網，提高供電質量。當太陽能和風電等供電系統輸入網絡后，負載會經常發生變化，這就會導致電網波動強烈，降低電網的運行穩定性。而使用輕型高壓直流輸電技術可以引進直流電壓環網，有利于提高電網傳輸的穩定性和可靠性，使得不同頻率和容量的電網能夠方便連接。

3.2世界首個輕型高壓直流輸電技術應用實例

世界上首個運用輕型高壓直流輸電技術的風力發電系統被命名為Borkum2，位于德國北海岸130km的位置。該風力發電系統是第一個利用HVDC輸送技術與電網聯接的風力發電項目，由于輕型高壓直流輸電技術屬于環境友好型技術，因此只會產生比較弱的電磁場，不需要輸油管道，而且根據上文所述，應用輕型高壓直流輸電技術，換流器的結構形式比較緊湊，有利于減少傳輸損耗，社會經濟效益和生態效益比較高。

輕型高壓直流變壓器的設計方式比較簡單，與標準電力變壓器的設計形式差距比較小，而且電力擾動換流器的電抗器能夠起到很好的濾波作用，為輕型高壓直流輸電系統提供電抗。

輕型高壓直流閥可以對交流電流進行整流。對于每一相，都有直流電容和套管的集裝箱為其提供服務。而尖端的MACH2TM保護、儀表和冷卻系統安裝在閥門下方的另外兩個集裝箱內。在直流區域，有128km海底電纜和74km陸地電纜和其他輕型HVDC換流器電站進行有效連接。

4　結語

綜上所述，輕型高壓直流輸電技術是一種新型的直流輸電技術，將其應用于風力發電系統中能夠達到很好的效果。因此，未來，輕型高壓直流輸電技術必將不斷發展，并且在風力發電、山區供電、海上供電等等方面發揮作用。

參考文獻

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