VSC－HVDC抑制并網PCC點電壓波動淺析

欒鵬飛，孫冬梅

（鄂爾多斯電業局，內蒙古 鄂爾多斯017000）

1 概 述

輕型直流輸電（VSC－HVDC）是一種以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）、電壓源換流器和脈寬調制（PWM）技術為基礎的新型輸電技術，具有易于構成多端直流系統、可向無源網絡供電等優點，對輸送的有功功率進行快速、靈活控制的同時還能夠動態補償交流母線的無功功率，穩定交流母線電壓，抑制并網PCC點電壓波動，非常適用于大型風電場并網。

2 VSC－HVDC的工作原理［1］

VSC－HVDC通過VSC（電壓源變換器）來實現，VSC－HVDC系統原理如圖1所示，兩側換流站采用電壓源型換流器，換流器由換流橋、換流電抗器、直流電容器和交流濾波器組成。換流橋每個橋臂均由多個IGBT串聯而成。換流電抗器是VSC與交流側能量交換的紐帶，同時起到濾除交流側電流諧波的作用。直流側并聯的電容器起到提供電壓支撐、緩沖橋臂關斷時的沖擊電流、減小直流側諧波的作用。換流器中IGBT上并聯反向二極管，除了作為主回路以外，還起到保護和續流的作用。換流器通常采用脈寬調制（PWM）控制技術。

設交流母線電壓基波分量為US，換流器輸出電壓基波分量為UC，UC滯后于US的角度為δ，換流電抗器L的等效電抗為X，如圖1所示。假設換流電抗器是無損耗的，忽略諧波分量時，換流器所吸收的有功功率P和無功功率Q分別為：

由式（1）可知，調節δ和UC即可實現對有功功率和無功功率大小以及傳輸方向的控制。當VSC采用PWM技術進行控制時，δ可以通過PWM的調制波相角進行調節，而UC正比于直流線路電壓Ud和PWM的調制比M的乘積。因此，調節δ和M 即可實現對有功功率P和無功功率Q的控制。由于輕型直流輸電系統可以向交流系統返送無功功率，因此，當交流系統發生故障時，輕型直流輸電系統將有利于穩定系統的電壓水平，改善交流系統電能的傳輸質量［2，3］。

圖1 VSC－HVDC系統原理圖

3 風電場并網引起的電壓波動［4］

本文研究的典型風電場并網系統如圖2所示。

圖中風電場輸出功率為Pf和Qf，Pd1和Qd1為注入VSC－HVDC送端站功率，Pd2和Qd2為 VSC－HVDC受端站輸出功率，T1和T2是換相變壓器；Ps和Qs代表PCC注入交流系統功率，Zs代表交流輸電線路阻抗，us代表交流系統電壓。一般由于風源的波動性隨機性導致風電場輸出有功、無功功率波動。如圖2所示，當PCC點連接交流系統時，交流輸電線路上的電壓降為：

圖2 基于VSC－HVDC的風電場并網系統

式中，upcc為PCC點電壓；Rs、Xs為交流系統輸電線路等效阻抗、電抗。

假設交流系統電壓us保持恒定，由上式可看出任何風電場輸出功率Pf和Qf波動都會導致PCC點電壓波動。當PCC點連接VSC－HVDC系統時，由于送端站既可輸送有功功率又可輸送無功功率，則式（2）可寫為：

由于實際并網系統中Xs?Rs，則由有功潮流變化引起的電壓波動可忽略不計，式（3）可簡化為：

則根據Qf變化控制送端站無功Qd1就可以控制PCC點電壓的波動，改善風電場的并網性能。

4 工程實例

Tjaereborg示范工程：兩端換流站分別位于Tjaereborg與Enge，額定容量8 MVA/7.2 MW，直流電壓±9 kV，直流電流358 A，輸電距離4.4 km，建設目的是將位于西部Tjaereborg風電站與交流主網相聯。該工程2000年6月投入運行，目的是為了驗證距陸地50 km，容量為100 MW的大容量海上風力發電的輸電技術。Tjaereborg工程的建成和成功投運，為解決風力發電接入所導致無功功率和電壓穩定問題提供了參考，也為各國風電場建設提供了借鑒。

5 總 結

由以上分析可知VSC－HVDC在并網過程中能夠動態補償交流母線的無功功率，穩定交流母線電壓，抑制并網PCC點電壓波動，非常適用于大型風電場并網，對實際工程并網有很好的借鑒意義。

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