柔性直流輸電在風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

李辰治

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)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(xù)發(fā)展，如何合理開發(fā)和利用新能源發(fā)電早已成為中國發(fā)展的首要戰(zhàn)略性問題［1］。我國新能源發(fā)電繼續(xù)保持快速發(fā)展態(tài)勢，并網(wǎng)裝機容量持續(xù)增長，發(fā)電量不斷增加。在眾多新能源中，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是目前為止最適用于大規(guī)模發(fā)電的技術(shù)之一，約占并網(wǎng)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(fēng)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(guī)模風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)給系統(tǒng)帶來的影響及現(xiàn)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(shù)VSC－HVDC(Voltage Sourced Converter Based HVDC)在國內(nèi)也被稱為柔性直流輸電技術(shù)是解決大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)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(tǒng)短路比無影響，所以可將它放置在系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)以增強系統(tǒng)穩(wěn)定性，適合于向遠地負載、小島、海上鉆井等孤立網(wǎng)絡(luò)供電，尤其適合用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。因此，在風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用基于電力電子技術(shù)的柔性直流輸電技術(shù)，能使其在風(fēng)電并網(wǎng)及正常運行中發(fā)揮重要作用。隨著大功率電力電子器件的發(fā)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(yōu)點使得它在電力系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

2 風(fēng)電并網(wǎng)對電能質(zhì)量影響

風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響主要表現(xiàn)為以下兩方面。

2.1 對電壓波動的影響

風(fēng)力發(fā)電機組大多采用軟并網(wǎng)方式，但是在啟動時仍然會產(chǎn)生較大的沖擊電流。在風(fēng)力發(fā)電中，由于其有功輸出在很大程度上取決于風(fēng)速的大小波動性較大，很難與當(dāng)?shù)刎摵蓞f(xié)調(diào)運行，此時將增大電網(wǎng)的電壓波動。大型風(fēng)電場及其周邊地區(qū)經(jīng)常會出現(xiàn)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(fēng)力發(fā)電機組啟動時仍然會產(chǎn)生較大的沖擊電流。(2)當(dāng)風(fēng)速超過切出風(fēng)速或發(fā)生故障時，導(dǎo)致的風(fēng)力發(fā)電機組的脫網(wǎng)。(3)風(fēng)電場風(fēng)速條件變化也將引起風(fēng)電場及其附近的電壓波動。

2.2 諧波污染

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

3 直流輸電的技術(shù)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(yīng)，直流的輸電損耗大約只有交流的三分之二。直流導(dǎo)體的電暈效應(yīng)也比交流導(dǎo)體小。同時，直流線路本身不需要無功補償，但因為存在環(huán)流器和濾波器，直流線路的終端設(shè)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(dāng)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(yōu)勢。

圖1 直流與交流成本比較

由于直流輸電的技術(shù)特點，其應(yīng)用長久以來受到多方面因素的限制［9］，如換流設(shè)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(fù)雜等。不過，隨著技術(shù)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(gòu)成閥的晶閘管容量提升，晶閘管的模塊化結(jié)構(gòu)，強迫換相技術(shù)的使用，換流器控制中使用數(shù)字電子技術(shù)和光纖技術(shù)，以及計算機技術(shù)的進步等。正是得益于上述技術(shù)的改進，使得直流輸電在可靠性和換流設(shè)備的成本方面有了很好的改善。也為柔性直流輸電的發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用提供了契機。

4 基本結(jié)構(gòu)和原理及其優(yōu)勢

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

4.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

柔性直流輸電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 柔性直流輸電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

4.2 基本工作原理

與基于晶閘管的傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)不同，柔性直流輸電采用電壓源型換流器和PWM技術(shù)，其基本工作原理如圖3所示。由調(diào)制波與三角載波比較產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖，使VSC上下橋臂的開關(guān)管高頻開通和關(guān)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(jīng)過電抗器濾波后則為網(wǎng)側(cè)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(shè)換流電抗器無損耗且忽略諧波分量時，換流器和交流電網(wǎng)之間傳輸?shù)挠泄β蔖及無功功率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(wěn)態(tài)運行時的基波相量?？芍泄β实膫鬏斨饕Q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(fā)出或者吸收的無功功率。從系統(tǒng)角度來看，VSC可以看成是一個無轉(zhuǎn)動慣量的電動機或發(fā)電機，幾乎可以瞬時實現(xiàn)有功功率和無功功率的獨立調(diào)節(jié)，實現(xiàn)四象限運行。

4.3 特點比較及技術(shù)優(yōu)勢

傳統(tǒng)直流輸電(LCC－HVDC)基于電網(wǎng)換相，是電流源型的直流輸電技術(shù)(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(shù)(Voltage Sourced Converter Based HVDC)。相比于傳統(tǒng)直流輸電，柔性直流輸電有著自身的優(yōu)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(tǒng)直流輸電有很多的技術(shù)優(yōu)勢。VSC－HVDC可以采用傳統(tǒng)的架空線路，但使用地下電纜更能使效益發(fā)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(huán)境的要求。與傳統(tǒng)交流和就地發(fā)電相比，除了具有成本上的優(yōu)勢之外，VSC－HVDC還能提高供電的電能質(zhì)量。采用可控關(guān)斷型電力電子器件和PWM技術(shù)，可以實現(xiàn)有功功率和無功功率的獨立控制能向無源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)供電;在潮流反轉(zhuǎn)時，直流電流方向反轉(zhuǎn)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(shè)備，便于構(gòu)成并聯(lián)的多端直流輸電系統(tǒng)。VSC換流器產(chǎn)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(tǒng)既能輸送有功功率，還能實現(xiàn)無功功率的緊急支援(起靜止同步調(diào)相機功能，即STATCOM)，從而提高系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性，以及系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。與此同時，模塊化的設(shè)計使柔性直流輸電的設(shè)計、生產(chǎn)、安裝和調(diào)試周期大為縮短。

表1 柔性直流輸電與傳統(tǒng)直流輸電的特點比較

5 應(yīng)用實例

世界最早采用柔性直流輸電技術(shù)的商業(yè)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(chǎn)運行采用柔性直流輸電技術(shù)的哥特蘭項目，其主要的作用是連接瑞典哥特蘭北部的風(fēng)電場和維斯比城的公共電網(wǎng)。其網(wǎng)絡(luò)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(shù)［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(nèi)，這就構(gòu)成了一個低成本，環(huán)保型的雙極

圖4 哥特蘭輸電項目系統(tǒng)圖

直流系統(tǒng)，該系統(tǒng)不需要接地極。使用兩根±80kV的電纜連接兩換流站。此技術(shù)的應(yīng)用使得可再生能源的開發(fā)利用達到更加滿意的效果。因為風(fēng)電設(shè)備的并網(wǎng)運行會對整個網(wǎng)絡(luò)造成的影響，如本文第一節(jié)所述，該影響會對配電網(wǎng)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(fēng)電場中的電能質(zhì)量問題。而本實例采用柔性直流輸電技術(shù)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(yōu)良性能保證了風(fēng)電場中的電能質(zhì)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(tǒng)的傳輸線更加環(huán)保?；赩SC的低功率直流輸電通過直流電纜向遠方提供穩(wěn)定，高效，清潔的電源。其在環(huán)境效益的優(yōu)勢明顯，此外在經(jīng)濟型和可維護性方面也有優(yōu)勢，由于直流系統(tǒng)不會向遠方電網(wǎng)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(yōu)勢使得這條線路發(fā)揮了投資者所期待的經(jīng)濟和環(huán)境效益，也為隨后幾年柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展提供了經(jīng)驗和理論依據(jù)。

6 結(jié)語

隨著電力電子技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，快速，大功率，高電壓的開關(guān)器件和直流電纜技術(shù)的進步。柔性直流輸電將有著廣闊的應(yīng)用空間和經(jīng)濟前景。在風(fēng)電系統(tǒng)中，柔性直流輸電可以控制系統(tǒng)中的無功功率、抑制風(fēng)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(shù)，國內(nèi)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(xué)習(xí)中能夠解決以上問題，可以最大程度地發(fā)揮柔性直流輸電技術(shù)的優(yōu)勢，除了連接風(fēng)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(jīng)濟地向城市中心送電，實現(xiàn)兩個交流異步系統(tǒng)的互聯(lián)等?？傊嵝灾绷鬏旊娂夹g(shù)必將在未來電力系統(tǒng)中得到更加廣泛的應(yīng)用。

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