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1、轻型高压输电在风电中的应用轻型高压输电在风电中的应用摘 要: 风能作为一种绿色、清洁的可再生能源,将在取代传统一次能源、调整能源结构和 环境保护中发挥重要的作用。在介绍轻型直流输电(HVDC Light)基本原理和特点、分析了 HVDC Light的结构的基础上，进一步研究HVDC Light在风电场电力传输中的应用。将其与 传统的交流传输技术作比较,详细说明了电压源换流技术在风力发电并网上的重大创新及直 流输电电缆的巨大优势,表明了轻型高压直流输电技术在风电传输领域的广阔应用前景。关键词：轻型直流输电技术、风力发电序言序言传统的风电传输大多采用由风力发电机组发出恒频的电能,就近直接接入交流电
2、网中。但由 于风电本身的随机性和波动性,当风电装机容量达到一定程度并无法就近连接交流电网时,风 电的交流传输方式就受到许多限制。以我国上海地区为例,风力资源主要集中在三岛(崇明 岛、长兴岛和横沙岛)和四区(浦东、南汇、奉贤和金山)沿岸的近海浅滩和海域,离海岸线距 离较远,如何解决风电大容量、远距传输就成为一个重要课题。本文介绍了一种全新的适合 风电远距传输的轻型高压直流输电(HVDC Light)技术,并将该技术与传统的风电交流传输技 术作比较,分析该技术的优势,结合国内外应用现状,讨论应用HVDC L ight技术的可行性。1 HVDC Light 技术的基本原理技术的基本原理HVDC L
3、ight技术是在电压源(VSC)换流器和绝缘栅双极晶体管( IGBT)基础上开发出来的一 种适用于小功率传输的新型直流输电技术。HVDC L ight仅包含两个部件:两个换流站和一 对入地电缆。换流站采用VSC换流器技术,与传统的直流输电不同,VSC 换流器为无源逆变, 因此,它对受端系统没有要求,可用于向小容量系统或不含旋转电机的无源系统供电。如图1 所示,VSC换流器的桥臂(图1中3)是由大功率的可控关断型电力电子器件(如IGBT、IGCT) 和反并联二极管组成。图1 轻型高压直流输电系统结构示意图1滤波器 2换流电抗 3全控器件 4直流电容 5直流电缆由于大功率可控关断型电力电子器件可任
4、意开通或关断,通过利用PWM技术,VSC换流器 输出电压可根据交流系统的需要自动调节。图2为VSC的单相示意图。 其输出电压为Uc=UdM sin(t +)1 2式中:M为调制波峰值比载波峰值所得的比值,为基频,为换流器输出电压的相偏。 假设换流电抗器是无损耗的且忽略谐波分量，则换流器和交流电网之间传输的有功功率P 及无功功率Q 分别为:P = Q = sin（ cos）式中，Uc为换流器输出电压的基波分量; Us为交流母线电压基波分量; 为Uc和Us之间的相角差;X为换流电抗器的电抗。因为 VSC 吸收的有功功率和无功功率取决于 VSC 输出电压的相位和幅值， 所以通过控制 SPWM 给定正
5、弦信号的相位和调制度，就可以控制有功功率和无功功率的大小及传输方向，从而实现对有功功率和无功功率同时且相互独立的调节 。 图 2 VSC 单相示意图 图 3 VSC 正弦脉宽调制输出波形2 2 轻型轻型 HVDC 的特点的特点(1) VSC 电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，不需要外加的换向电压，从而 克服了传统 HVDC 受端必须是有源网络的根本缺陷，使利用 HVDC 为远距离的孤立负荷 送电成为可能。 (2) 正常运行时 VSC 可以同时且独立控制有功和无功，控制更加灵活方便。 (3)VSC 不仅不需要交流侧提供无功功率，而且能够起到静止无功补偿（STATCOM） 的作用，即动态补偿
6、交流母线的无功功率，稳定交流母线电压。这表明，如果 VSC 容量 允许，故障时轻型 HVDC 系统既可向故障区域提供有功功率的紧急支援，又可提供无功 功率的紧急支援，从而提高系统电压和功角稳定性。 (4) 潮流反转时直流电流方向反转，而直流电压极性不变，与传统的 HVDC 恰好相反。 这个特点有利于构成既能方便地控制潮流又能有较高可靠性的并联多端直流系统。 (5) 由于 VSC 交流侧电流可以控制，所以不会增加系统的短路容量。这意味着增加新 的轻型 HVDC 线路后，交流系统的保护整定基本不需改变。 (6) VSC 通常采用 SPWM 技术，开关频率相对较高，经过低通滤波后就可得到所需 交流电
7、压，可以不用变压器，所需滤波装置的容量也大大减小。(7) 多个 VSC 可以接到一个固定极性的直流母线上，易于构成与交流系统具有相同拓 扑结构的多端直流系统，运行控制方式灵活多变。 3 轻型轻型 HVDC 在风电领域的应用在风电领域的应用由于海上风能资源丰富，发电量比陆地上更大，同时受到环境的影响也很小，在当今技 术的可行性条件下，海上风力发电必将成为一个迅速发展的领域。但是，随着海上风电场 容量在电网中所占比例的不断增加，海上风电场对电网的稳定性、安全性，以及电能质量 的影响也越来越显著。传统的无功补偿装置，如静止无功补偿( Static Compensator，STATCOM)，电压源换流
8、器( Voltage Source Converter，VSC)等，虽然能在 部分范围内改善风电场并网性能，但是对电网的影响并没有从实质上得到改善。因此，对 海上风电场并网方法的研究就非常必要。 图2 基于VSC-HVDC的600MW海上风电原理图 VSC-HVDC 系统传输性能好,对于相同线材,其传输容量为交流系统的 1.52 倍.VSC- HVDC 系统电能损耗小,其阻性损耗一般只有相同容量交流系统的 65%。换流站为室内式设 计,占地少,维修容易,建造工期短,施工图 2 基于 VSC-HVDC 的 600MW 海上风电场基本结构 难度小,适于水下施工作业,电气元件也远远少于交流变电站,同
9、时能够保证系统对外界的磁 场和噪声干扰处在安全范围内.电缆采用聚乙烯绝缘材料,对土地和海洋无污染,而且重量轻、 柔软,便于运送和安装.由于轻型直流输电系统需要昂贵的换流设备,所以工程造价约为交流 系统的 2.35 倍,但是系统损耗却仅为交流系统的 2/3。如果海上风场采用直驱型机组,PMSG 为了顺利地与交流电网并网,本身也需要一全容量换流器,但将 VSC-HVDC 系统与直驱型机 组结合,便可以省去机组本身高额的全容量换流器,从而可以进一步降低成本。 海上风电轻型直流输电系统的核心技术在于所采用的大容量换流器,其主要为 ABB(西 门子公司所拥有,并在国外的大型海上风电场得以成功应用)。我国
10、在轻型直流输电技术方 面还处于跟踪与技术储备阶段,国家电网公司已制定了相应的实施计划,并在福建(岛屿输电)、 甘肃(大型风电场)、上海(城市供电)建立了应用示范.ABB 至今已在全球范围内成功实施了 12 项输电工程,其中 5 个用于海上风电轻型直流输电工程,其他还包括电网互联等。 用于海上风电的轻型直流输电商业化运行系统的代表性工程有哥特兰岛(Gotland)工程 和 Tjeareborg 轻型直流输电工程。 Gotland 工程是连接瑞典哥特兰岛北部和维斯比城的轻型直流输电系统,其输送容量为 65MVA,传输电压为80 kV,传输距离为 70 km. Gotland 工程是世界上最早商业化
11、运行的轻 型直流输电工程,是用环保的方法连接风电场和整个网络负载中心的典范,其可操作性很强。 该工程已于 1999 年 6 月投入运行。 Tjaereborg 工程是位于丹麦的第一个用于风力发电的轻型直流输电示范工程,其输送容量为 8 MVA,传输电压为9 kV,传输距离为 4 km,它有效地解决了由于风力发电所致电网无 功功率过大和电压不稳的问题.该工程于 1999 年 3 月动工, 2000 年 12 月完成了所有的实验 和论证。目前丹麦能源部门修建了 5 个利用海风发电的风电场，每个风电场装机容量约为 150MW。预计在今后 30 年内还将逐步增加大约 4000MW 的风力发电装机容量，
12、约占总装 机容量的 40%50%。 由于可再生能源的开发，在哥特兰岛南部安装了 40MW 的风力发电设备，而且正在 兴建更多的风电场。因为风力发电机的操作条件受到电压波动和无功变化的影响，需要更 大的电力传输容量以及更好的方法保证传输质量。轻型 HVDC 技术的优良性能可以解决 风电场中的电能质量问题，即电压和无功支撑，而且以地下电缆传输电能，对环境的影响 相对较小，这些有利条件促使当地政府决定修建了这条轻型 HVDC 输电线路。 由于大量的风力发电设备引入电网，必然会对整个电网产生严重影响。风力发电的不 稳定性会影响整个电网的电能质量，同时也会引起电压控制和无功补偿问题。为此，丹麦 ELTR
13、A 公司在 Tjaereborg 建设了最大传输容量为 8MVar/7.2MW 的轻型 HVDC 示范工程， 并于 2008 年 8 月正式投运。结束语结束语上述工程的成功经验表明该技术正在不断的进步和成熟。作为一项新型的输电技术,轻型 HVDC以其自身的特点在应用方面显示出了很大的优越性，主要包括：模块化结构、标准 化设计、建设工期短、结构紧凑、对环境影响较小、对潮流和电压具有可控性、可以输送 小容量的电力等，这些特点都非常适合风力发电的电能传输，是充分利用风力发电的最佳 方式,对于上海开发利用风能特别有利。 从电能质量及输电稳定性来说, HVDC L ight能使风电场输出的电压、电流基本满足电能质 量 要求,实现交直流隔离,对于提高电网稳定性也有重要意义。可以预见在不久的将来, HVDCLight将在风电传输方面发挥越来越重要的作用。
