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1、轻型直流输电技术在风力发电中的应用摘要：闸述了轻型直流输电(HVDCLight)基本原理和特点，分析了HVDCLight的结构，为进步研究HVDCLaght在风电场电力传输中的应用奠定了基础。若重分析风力发电场与电力系统联网问题。通过分析以电压源换流器为基础的轻型HVDC技术的基本原理和技术特点，说明该技术是理想的风力发电与电网连接的输电方式。最后介绍轻型高压r流输电在一些风电场输电联网工程中的应用.关键词轻型向流输电，旭压源换流器，海上风电HVDCTedmologyinWindElectricityGenerationLuoxiaiigcai(Electnc0811ClassStudentI
2、D:1081181116)ABSTRACT:DescnbedHVDCLightthebasicpnnaplesandcharactenstiesofthestructureoftheHVDCLightforBirtherstudyofHVDCLightinthewindfarmpowertransmissionoftliefioundationAnalyzedwindfennandpowersysteminterconnectionissuesByanalyzingthevoltagesourceconverterbasedHVDCtechnology;thebasicprinciplesof
3、lightandtedinicalcharactenstics.indicatingthatthetechnologyisidealfiarwindpowergenerationandgndconnectionofthetransmissionsystemFinallyHVDCLighttransmissionnetworkinanumberofwindengineenng,KEYWORDS:HVDC.voltagesourceconverter.offshorewindpowero引言我国风能资源极其丰富，实际戚开发量达23亿kW。由于风电场的选址主要考虑风能特性、风资源评估和风力发电机组布
4、局等因素，有相当一部分风电场位于边远地区，甚至无人居住的地方。这些地区经济落后，交通不便，处于电网末端，要经过长距离输电线才能上网。考虑到风电场的规模一般比较小，因此，风电场接入的电网主要是地区低压配电网，0些情况下其至要经过现有的农电网接入系统。这样的输电系统，因导线较细，导线的R/X比值较大，旦表明与系统联系紧密程度的短路容量较低，严重影响了风电场的供电质量，并制约风电场规模的进步发展。风电场的总体规模与系统连接点三相短路的短路容量之比，与风电场电压的波动有密切关系。换句话说，为了保证电网的电压质最，风电场的装机容鼠不能超过联接点短路容量的某一百分值。而轻型高压直流（HVDC）技术正是可以
5、很好地符合风力发电的特点并完成输送风电到电网的输电方式。1.轻型HVDC的基本原理与特点1.1轻型HVDC的基本原理现在，以电压源换流器（VSC）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）为基础的轻型HVDC,把HVDC的容量延伸到了只有几MW到几十MW。这种小功率的轻型HVDC系统，有很好的应用前景。除具存常规HVDC的优点外，轻型HVDC还可直接向小型孤立的远距离负荷供电，更经济地向市中心送电，方便地连接分散电源，运行控制方式灵活多变，可减少输电线路电压降落和电压闪变，进一步提高电能质量等。随着高新技术产业的发展，对高品质电能质量及电网运行的犬活性和可靠性要求进步提高，轻型HVDC技术必将在我国得到越
6、来越广泛的重视、研究和应用。轻型HVDC是在IGBT和VSC基础上发展起来的，其基本原理如图1所示。设送端和受端换流器均采用VSC,则2个换流器具有相同的结构。换流器由换流桥、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器组成。换流桥每个桥臂均由多个IGBT串联而成。换流电抗器是VSC与交流侧能最交换的纽带，同时也起到滤波的作用；宜流电容器的作用是为逆变器提供电压支撑、缓冲桥普关断时的冲击电流和减小直流侧谐波；交流滤波器的作用是滤除交流侧谐波。另外，轻型HVDC的传输线路-般采用地下电缆，对周围环境没有影响。轻型HVDC换流站为无人值守型换流站，几乎不需要维护，可以进行远程控制或根据相邻交流系统的情况进行
7、自动控制，换流站之间不需要通信。假设换流电抗器是无损耗的旦忽略谐波分量,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：dUcUsP=sin6(1)xC)cUs(Us-Uccos8)Q=yx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，8为Uc和Us之间的相角差，X为换流电抗器的电抗。图1轻型HVDC基本原理1.2轻型HVDC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
8、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。由于VSC交流侧电流可以控制，所以不会增加系统的短路容鼠。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S
9、PWM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匕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。2轻型HVDC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，随着海上风电场容昼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给定正弦信殍的相位和调制度，就可以
10、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旦相:独立的调节。全性，以及电能质最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（StaticCompensator,STATCOM）t电压源换流器（VoltageSourceConverter,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。海上风电场海上变电站海岸纣I陆上换流璃站30KV150KV危极电缰:300MVA广jdOMVAl50kVILr300MVA300MVAOOMVAl双极电曜IOMVA陆上电网600MVA|C
11、HQHZHOOkV图：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152倍.VSC-HVDC系统电能损耗小，其阻性损耗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,适于水卜施工作业，电J元件也远远少于交流变电站，同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，使丁运送和安装由丁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235倍，但是系统损
12、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系统与宜骤型机组结合，便诃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（H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，国家电网公司己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至今己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
13、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（GoUand）工程和Tjearebo咯轻型直流输电工程。Gotland工程是连接瑞典哥特兰岛北部和维斯比城的轻型宜流输电系统，其输送容果为65MVA,传输电压为80kV,传输距离为70kmGotland1.世界上最早商业化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我中心的典范,其可换作性很强。该工程己丁1999年6月投入运行。Tjaereb遍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8MVA,传输电压为9kV,传输距离为4血它有效地解决了由于风力发电所致电网无功功率
14、过大和电斥不稳的问题该工程于1999年3月动匚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的风力发电装机容虽，约占总装机容晟的40%50%o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IL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昂:，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，而且以地卜电缆传输电能，对环境的影响相对较小，这些有利条件
15、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EETRA公司在Tjaereborg建设了最大传输容晨为8MVai力2MW的轻型HVDC示范工程，并于2008年8月正式投运。3结束语上述工程的成功经验表明该技木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!1有可控性、可以输送小容景的电力等，这些特点都非
16、常适合风力发电的电能传输。随着现有用于风力发电的轻型HVDC运行经验的积累，必将有更多的大型风电场通过轻型HVDC与电网联接。参考文献1杨角婢.梁志修风力发巾的发展及其巾场祀景Jib.M技术，2003.27(7)78-792李庚银，吕鹏、李广凯，等.轻型高斥直流输电技术的发展与展望电力系统自动化2003,27(4)77-813刘跟东译2000年末全球风电发展状况及十大风电市场.风力发也2002,(4):38-42.4王徽.黄成力海上风力发电技术J.上海节能，2007(1).23-265张鹏，宋佳蓉轻型高压ft流技术在离岸风电开发中的应用J.江苏电机工程，2009,11(28)50-52.6李永坚，周有庆.宋强,等高压直流输电技术的发展与应用高电压技术2003.29(10):26-287武始.任微.黄雯莹，等
