柔性直流輸電在風電系統中的應用

李辰治

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌443002)

1 引言

中國是一個能源消費大國，為了貫徹可持續發展，如何合理開發和利用新能源發電早已成為中國發展的首要戰略性問題［1］。我國新能源發電繼續保持快速發展態勢，并網裝機容量持續增長，發電量不斷增加。在眾多新能源中，風力發電技術是目前為止最適用于大規模發電的技術之一，約占并網新能源裝機總量的85%。截至2013年全國已累計建成及在建的風電場項目已超過1500個，裝機容量達到3.3億kW。隨著裝機容量的提升，大規模風力發電并網給系統帶來的影響及現階段存在的問題也越來越受到人們的重視。電壓源型直流輸電技術VSC－HVDC(Voltage Sourced Converter Based HVDC)在國內也被稱為柔性直流輸電技術是解決大規模風電并網問題的一個重要手段。由于柔性直流輸電自身靈活控制潮流和交流電壓的功能，對系統短路比無影響，所以可將它放置在系統薄弱環節以增強系統穩定性，適合于向遠地負載、小島、海上鉆井等孤立網絡供電，尤其適合用于風力發電系統。因此，在風力發電中應用基于電力電子技術的柔性直流輸電技術，能使其在風電并網及正常運行中發揮重要作用。隨著大功率電力電子器件的發展，柔性直流輸電傳輸容量進一步增大，柔性直流輸電自身的諸多優點使得它在電力系統中有著廣泛的應用前景。

2 風電并網對電能質量影響

風電并網對電網電能質量的影響主要表現為以下兩方面。

2.1 對電壓波動的影響

風力發電機組大多采用軟并網方式，但是在啟動時仍然會產生較大的沖擊電流。在風力發電中，由于其有功輸出在很大程度上取決于風速的大小波動性較大，很難與當地負荷協調運行，此時將增大電網的電壓波動。大型風電場及其周邊地區經常會出現電壓的大幅波動情況。綜上所述，其主要原因可分為以下三種情況:(1)風力發電機組啟動時仍然會產生較大的沖擊電流。(2)當風速超過切出風速或發生故障時，導致的風力發電機組的脫網。(3)風電場風速條件變化也將引起風電場及其附近的電壓波動。

2.2 諧波污染

風電給系統帶來諧波的途徑主要有兩種:(1)風力發電機本身配備的電力電子裝置，可能帶來諧波問題。(2)風力發電機的并聯補償電容器可能和線路電抗發生諧振。對風電而言，發電機本身產生的諧波是可以忽略的，諧波電流的真正來源是風電機組中的電力電子原件。尤其是變速恒頻風電機組，其中的變流器始終處于工作狀態，諧波大小與輸出功率基本呈線性關系，也就是和風速大小相關。在正常狀態下，諧波干擾的程度取決于變流器裝置的設計結構及其安裝的濾波裝置狀況，同時與網絡的短路容量有關。

3 直流輸電的技術特性

若輸電采用直流方案，只需要兩根輸電線，在每根線路載流量相同的條件下，由于沒有集膚效應，直流的輸電損耗大約只有交流的三分之二。直流導體的電暈效應也比交流導體小。同時，直流線路本身不需要無功補償，但因為存在環流器和濾波器，直流線路的終端設備成本較高。由圖1可看出直流與交流的輸電成本比較。兩曲線的交點稱為等價距離(一般在400～700km之間)，當輸電距離小于等價距離時交流成本更低，而大于等價距離時，直流輸電更有優勢。

圖1 直流與交流成本比較

由于直流輸電的技術特點，其應用長久以來受到多方面因素的限制［9］，如換流設備成本高，無法用變壓器改變電壓水平，諧波問題，需要無功功率，控制復雜等。不過，隨著技術的突破，一些直流輸電的固有缺陷也正在被人們慢慢克服，如構成閥的晶閘管容量提升，晶閘管的模塊化結構，強迫換相技術的使用，換流器控制中使用數字電子技術和光纖技術，以及計算機技術的進步等。正是得益于上述技術的改進，使得直流輸電在可靠性和換流設備的成本方面有了很好的改善。也為柔性直流輸電的發展和大規模應用提供了契機。

4 基本結構和原理及其優勢

柔性直流輸電技術是在IGBT(絕緣柵雙極晶體管)和VSC(電壓源換流站)基礎上采用PWM(脈寬調制)技術發展起來的新一代直流輸電技術。與基于自然換相技術的電流源型換流器的傳統直流輸電不同，VSC－HVDC是一種以電壓源換流器、可控關斷器件和脈寬調制(PWM技術)為基礎的新型直流輸電技術。這種輸電技術能夠瞬時實現有功和無功的獨立解耦控制、能向無源網絡供電、換流站間無需通訊、且易于構成多端直流系統。另外，該輸電技術能同時向系統提供有功功率和無功功率的緊急支援，在提高系統的穩定性和輸電能力等方面具有優勢。

4.1 網絡結構

柔性直流輸電系統網絡結構如圖2所示。

圖2 柔性直流輸電系統網絡結構圖

4.2 基本工作原理

與基于晶閘管的傳統直流輸電技術不同，柔性直流輸電采用電壓源型換流器和PWM技術，其基本工作原理如圖3所示。由調制波與三角載波比較產生的觸發脈沖，使VSC上下橋臂的開關管高頻開通和關斷，則橋臂中點電壓Uc在兩個固定電壓+Ud和－Ud之間快速切換，Uc再經過電抗器濾波后則為網側的交流電壓Us。

圖3 基本工作原理圖

進一步分析可知，在假設換流電抗器無損耗且忽略諧波分量時，換流器和交流電網之間傳輸的有功功率P及無功功率Q分別為:

式中:Uc為換流器輸出電壓的基波分量;Us為交流母線電壓基波分量;δ為Uc和Us之間的相角差;X1為換流電抗器的電抗。由式(1)和式(2)可以得到換流器穩態運行時的基波相量。可知有功功率的傳輸主要取決于δ，無功功率的傳輸主要取決于Uc。因此通過對δ的控制就可以控制直流電流的方向及輸送有功功率的大小，通過控制Uc就可以控制VSC發出或者吸收的無功功率。從系統角度來看，VSC可以看成是一個無轉動慣量的電動機或發電機，幾乎可以瞬時實現有功功率和無功功率的獨立調節，實現四象限運行。

4.3 特點比較及技術優勢

傳統直流輸電(LCC－HVDC)基于電網換相，是電流源型的直流輸電技術(Current Source Converter Based HVDC)。柔性直流輸電(VSC－HVDC)是電壓源型的直流輸電技術(Voltage Sourced Converter Based HVDC)。相比于傳統直流輸電，柔性直流輸電有著自身的優勢。VSC－HVDC與LCC－HVDC的比較見表1。

通過比較表1可知柔性直流輸電相比傳統直流輸電有很多的技術優勢。VSC－HVDC可以采用傳統的架空線路，但使用地下電纜更能使效益發揮出來。在很多情況下電纜的成本低于架空線路，并且采用電纜更能滿足環境的要求。與傳統交流和就地發電相比，除了具有成本上的優勢之外，VSC－HVDC還能提高供電的電能質量。采用可控關斷型電力電子器件和PWM技術，可以實現有功功率和無功功率的獨立控制能向無源網絡系統供電;在潮流反轉時，直流電流方向反轉而直流電壓極性不變，且換流器之間無需通信，也不需要外部的輔助設備，便于構成并聯的多端直流輸電系統。VSC換流器產生的低次諧波少，使濾波裝置的容量大大減小。柔性直流輸電系統既能輸送有功功率，還能實現無功功率的緊急支援(起靜止同步調相機功能，即STATCOM)，從而提高系統的功角穩定性，以及系統的電壓穩定性。與此同時，模塊化的設計使柔性直流輸電的設計、生產、安裝和調試周期大為縮短。

表1 柔性直流輸電與傳統直流輸電的特點比較

5 應用實例

世界最早采用柔性直流輸電技術的商業工程于1997年3月在瑞典正式投入運行。而圖3則為1999年6月同在瑞典投產運行采用柔性直流輸電技術的哥特蘭項目，其主要的作用是連接瑞典哥特蘭北部的風電場和維斯比城的公共電網。其網絡連接圖如圖4所示。

哥特蘭至維斯比城的線路連接使用了柔性直流輸電技術［11］。其輸送的功率可達50MW，直流電流為360A，線纜長度為70km。換流裝置被放置在緊湊的集裝箱模塊內，這就構成了一個低成本，環保型的雙極

圖4 哥特蘭輸電項目系統圖

直流系統，該系統不需要接地極。使用兩根±80kV的電纜連接兩換流站。此技術的應用使得可再生能源的開發利用達到更加滿意的效果。因為風電設備的并網運行會對整個網絡造成的影響，如本文第一節所述，該影響會對配電網的電壓，波形等造成負面影響，所以需要更大的電力傳輸容量及更合理的傳輸方式解決傳輸過程及風電場中的電能質量問題。而本實例采用柔性直流輸電技術正是對解決此類問題的一個很好的嘗試。柔性直流輸電的優良性能保證了風電場中的電能質量，即電壓，無功等。與此同時，該項目在傳輸方式上采用地下電纜，相比傳統的傳輸線更加環保。基于VSC的低功率直流輸電通過直流電纜向遠方提供穩定，高效，清潔的電源。其在環境效益的優勢明顯，此外在經濟型和可維護性方面也有優勢，由于直流系統不會向遠方電網提供短路電流，因此對大部分斷路器要求較低。正是基于以上多方面優勢使得這條線路發揮了投資者所期待的經濟和環境效益，也為隨后幾年柔性直流輸電技術的發展提供了經驗和理論依據。

6 結語

隨著電力電子技術及相關技術的發展，快速，大功率，高電壓的開關器件和直流電纜技術的進步。柔性直流輸電將有著廣闊的應用空間和經濟前景。在風電系統中，柔性直流輸電可以控制系統中的無功功率、抑制風電場出口的電壓波動。柔性直流輸電是一項新興的輸電技術，國內對其的研究尚處于比較初級的階段，很多方面的工作尚未開展。希望在今后的工作學習中能夠解決以上問題，可以最大程度地發揮柔性直流輸電技術的優勢，除了連接風電場等可再生能源外，還要向小型孤立的遠距離負荷直接供電，更經濟地向城市中心送電，實現兩個交流異步系統的互聯等。總之，柔性直流輸電技術必將在未來電力系統中得到更加廣泛的應用。

［1］何祚庥，王亦楠.風力發電是我國能源和電力可持續發展戰略的最現實選擇［J］.上海電力，2005(1):8－18.

［2］雷亞洲.與風電并網相關的研究課題［J］.電力系統自動化，2003，27(8):84－89.

［3］張新房，徐大平，柳亦兵，等.風力發電技術的發展及相關控制問題綜述［J］.華北電力技術，2005(5):42－46.

［4］蘇明軍.風力發電——中國重要的后續能源［J］.能源環境保護，2005，19(6):12 －14.

［5］張伯泉，楊宜民.風力和太陽能光伏發電現狀及發展趨勢［J］.中國電力，2006，39(6):65 －69.

［6］耿華，楊耕，崔揚等.并網型風力發電系統的現狀與發展［J］.東方電氣評論，2006，20(2):1 －7.

［7］鄒建華.發展風能發電改善能源結構［J］.華東電力，2006，34(12):71－74.

［8］王春明，周強，王金全，等.風 －光 －柴互補供電系統［J］.解放軍理工大學學報(自然科學版)，2005，6(5):474 －478.

［9］stendius L，Eriksson K.HVDC Light—an Excellent Tool for City centre Infeed.PowerGen Conference，Singapore，Sept.1999.

［10］Schettler F，Huang H，Christl N.HVDC Transmission Systems Using Voltage Sourced Converters——Design and Applications，IEEE Summer Power Meeting，2000(2):715 －720.

［11］Aspulund G，Eriksson K，Tollerz O.Land and Sea Cable Interconnections with HVDC Light.CEPSI 2000 Conference in Manila，Phillipines，2000，12:23 －27.