轻型直流输电技术在并网风力发电中的应用

摘 要：现今开发利用风能、变速恒频并网发电技术等风力发电的研究发展日新月异，在风力发电系统和电网连接中，最常见的是采用交流传动方式直接连接，这种方式对风电电网的稳定性和要求较高，应用工程成本更大。本文主要论述了轻型直流输电技术在风力并网发电系统中的应用。

关键词：风力发电 ； 直流输电； 并网 ；脉宽调制

中图分类号：TM72 文献标识码：A

当前电网风力发电系统中，国际上主要采用交换传输与电网连接，风电机组发出的电能经机组变流器变换后就近接入交流电网并直接连接风机逐步提高产能。在风机功率逐步提升其自身稳定性对电网影响力较大，由于环境原因，风电场一般都远离大电网或负荷地，风力发电须通过远距离传输；从经济的角度，大型风力发电所采用直流传输技术线和运营成本比交流电源更经济，同时确保了质量和电网的稳定性，使用轻型直流输电（VSC-HVDC）技术为风力发电系统的长距离传输和风力发电并网提供了一个新的解决办法。

1 技术研究概述

轻型直流输电技术（VSC-HVDC），由ABB公司提出于90年代后期发展的一种新型的高压直流输电（高压直流电，HVDC）技术，它采用绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）和脉冲宽度调制（PWM）技术的电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）进行换具有于传统的HVDC技术相比，可实现灵活的有功和无功功率独立控制，可减少变流器站过滤设备体积，易构成多端直流系统，并采用经济优势和特种电缆直流输电。此技术在交流电压和无功功率风能主动控制能力方面，对电波产生的快速反应能力尤其适合于并网风力发电系统。

轻型直流输电技术的一个重要应用是连接交换风力发电场与网络，主要包括系统建模和特性分析两个方面。现存的研究模型：根据电压源换流器电路拓扑的机组动态数学模型，通过分析风力发电机组的动态过程，对轻型直流输电风力发电系统的控制结构和动态控制策略按照次序进行设计；将VSC等效为电压源，再简化直流传输线的动态数学模型，建立多个风电机组发电数学模型，对风电场各机组的风能转换关系及运行原理进行研究。

轻型直流输电的风力发电系统控制研究主要有：为提高系统的稳定性和有效阻尼振荡，使用非线性鲁棒控制等方法对轻型直流输电系统电压进行控制；让风能可以大量输出。该系统可以有效解决电压和功率要求的变化。非常合适在链接交换网络系统和风电场。

2 技术原理

2.1 系统结构

轻型直流输电（VSC-HVDC）技术，是在IGBT和PWM波形基础上开发的一种最新型的高压直流的输电技术，主要作用是实现两个系统互相之间的电能传输。它的拓扑结构，如下图1所示：

典型的轻型直流输电系统拓扑结构由以下几个主要部分构成：

（l）交换源（AC Source）：用来连接两个交换源系统。甚至可以与不同频率的电网，或者风电场或其他中小型发电设备和电网相连接，轻型直流输电技术同时也应用于无源符合的电力负载系统；

（2）变压器（Transformers）：它和通信系统连接将交换网络电压转换为适合电能变换、VSC换流器站的振幅，受VSC功率开关器件的大小限制，振幅一般不超过+ 150千伏；

（3）电抗器（Phase reactors）：用于传输系统的有功和无功功率、电流的调节，减少在VSC换流站中，由于PWM技术而产生的高频谐波的含量；

（4）交流滤波器（AC filters）：谐波对交流系统等设备造成一定干扰，采用PWM技术、滤波器的容量的过滤器比传统的高压输电会小很多；

（5）VSC换流站（VSC Converters）：分受端和送端两个换流站，分别对整流和逆变进行操作，通过对VSC的控制，实现系统对活跃无功功率传输和系统控制功能；

（6）直流电（DC Capacitors）：在受端和送端设立容量相等的两个电容，目的是支持功率流动提供能量能量缓冲路径和电压缓冲区、以减少一侧的直流电压波纹；

（7）直流电缆（（DC Cables）：新型直流电缆，重量轻、体积小、绝缘性能好、传输能力强等特点，适用于地下、水下铺设。

2.2 控制策略

轻型直流输电系统适用于功率输送，要求VSC能独立控制有功和无功，功率实现双向流动，维护直流输电线路电压稳定；对电压波动的快速响应， 独立控制每个转换站。

传统的高压直流输电控制中：功率传输一端控制直流电压稳定，另一端控制有功功率，实现功率平衡，潮流可以流到任何方向，不能独立于有功控制。

轻型直流输电中：增设一个自由度来进行控制，由于采用了PWM调制技术，能独立操控有功和无功，无功功率在不改变直流电压的情况下，由交流电压或者设定值对送端或受端分别进行控制，有功功率用交流侧设定值来控制交流电压、频率。

3 技术特点与应用领域

3.1 特点和优势

轻型直流输电技术是采用的基于IGBT和PWM技术的VSC，其特性和优点胜于传统的高压直流输电系统和交流输电系统：

（1）传统HVDC均采用自然换向的相控换流器（PCC），由无自断能力的晶闸管（Thyristor）组成，受端系统为逆变器提供变换相电压，在弱交流系统的末端时，用同步摄像机来改善换相条；轻型直流输电技术使用自关断电流的IGBT，受端是无源网络，减少对设备的需求；

（2）系统通过VSC控制：实现相互独立的有功、无功功率传输。在有功不变，交流系统无功实现动态补偿，交流电压稳定，实现静态无功补偿（STATCOM）功能，并在电网故障时，提供电网无功功率支持；

（3）系统采用PWM控制技术：IGBT开关在高频状态下，系统的滤波设备大幅下降，只需要低通滤波即可设定的交流电压和电流；

（4）VSC换流器较适宜多端直流母线连接，通过换流站之间的控制建立多端直流输电系统，与交流系统有相同的拓扑结构。系统在潮流反转时能够保证直流电压的极性并且仅需要改变电流的方向，即对潮流进行操控；

（5） VSC换流站独立于两端的交流源，让系统对交流源的的干扰不敏感，同时交流电压的故障也不影响到直流传输；当交流系统发生接地或短路故障而导致交流电压下降，VSC的控制作用直流电传输会自动调整到预定故障值；

（6） 整流侧和逆变侧的VSC控制系统能互相独立控制，使控制器的可靠性和反应速度得到提高，减少了传统的HVDC交流通信失败的风险。

3.2 应用领域

实际应用表明轻型直流输电技术，在传输的电压低于±150kV、容量低于200MW的电力系统连接具有技术和经济上的优越性，可应用于以下领域：

（1）连接大电网和风力发电场。风力发电场均远离大电网负荷区地区，从传输容量方面和建筑成本考虑，使用轻型直流输电技术是实现电网和风电场互联的最佳解决方案之一；

（2）清洁能源。风能，太阳能、潮汐电站均建在偏远地区，电能质量很难满足要求。轻型直流输电技术可提高电力电能质量，降低经济投资，改善电力传输效率，使用地下电缆可减少对环境的破坏，符合清洁能源保护环境的要求；

（3）城市电网改造。大、中城市发展和建设使地面传输空间减小，头顶配电网络不能满足电力建设要求，使用地下电缆传输，占用空间小，提高有效容量和传动效率，地下电缆轻型直流输电技术已城市电网改造和增加容量的可行性措施之一；

（4）连接不同电网，提高供电质量。风电、太阳能等供电系统输入网络后负载经常发生变化，导致频繁的电网电压波动，电网不稳定。轻型直流输电技术引进了更多的直流电源环网，方便电网之间力量的支持，从而提高传输的可靠性和灵活性。使不同容量不同频率电网之间的连接更方便，对于电力谐波、电压闪变、电网负载变化等，轻型直流输电技术可以通过VSC保持稳定电网。

结语

风能作为一种清洁的可再生能源已越来越多地受到各国关注并得以飞速发展。当前风电厂和电网多数使用交流电源系统链接，这对风力发电机组输出和电网的稳定性提出了更高的需求。轻型传输技术是一种新型的基于VSC直流输电技术，以GBT和PWM控制技术为基础，通过对VSC的结构与控制设计，使系统的有功和无功实现独立控制，迅速调整变化中的交、直流电压，采用特殊的电缆传输，适用风力电场，并实现与交流电网稳定连接。

参考文献

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