李辰治

(三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌443002)

1 引言

中国是一个能源消费大国，为了贯彻可持续发展，如何合理开发和利用新能源发电早已成为中国发展的首要战略性问题［1］。我国新能源发电继续保持快速发展态势，并网装机容量持续增长，发电量不断增加。在众多新能源中，风力发电技术是目前为止最适用于大规模发电的技术之一，约占并网新能源装机总量的85%。截至2013年全国已累计建成及在建的风电场项目已超过1500个，装机容量达到3.3亿kW。随着装机容量的提升，大规模风力发电并网给系统带来的影响及现阶段存在的问题也越来越受到人们的重视。电压源型直流输电技术VSC－HVDC(Voltage Sourced Converter Based HVDC)在国内也被称为柔性直流输电技术是解决大规模风电并网问题的一个重要手段。由于柔性直流输电自身灵活控制潮流和交流电压的功能，对系统短路比无影响，所以可将它放置在系统薄弱环节以增强系统稳定性，适合于向远地负载、小岛、海上钻井等孤立网络供电，尤其适合用于风力发电系统。因此，在风力发电中应用基于电力电子技术的柔性直流输电技术，能使其在风电并网及正常运行中发挥重要作用。随着大功率电力电子器件的发展，柔性直流输电传输容量进一步增大，柔性直流输电自身的诸多优点使得它在电力系统中有着广泛的应用前景。

2 风电并网对电能质量影响

风电并网对电网电能质量的影响主要表现为以下两方面。

2.1 对电压波动的影响

风力发电机组大多采用软并网方式，但是在启动时仍然会产生较大的冲击电流。在风力发电中，由于其有功输出在很大程度上取决于风速的大小波动性较大，很难与当地负荷协调运行，此时将增大电网的电压波动。大型风电场及其周边地区经常会出现电压的大幅波动情况。综上所述，其主要原因可分为以下三种情况:(1)风力发电机组启动时仍然会产生较大的冲击电流。(2)当风速超过切出风速或发生故障时，导致的风力发电机组的脱网。(3)风电场风速条件变化也将引起风电场及其附近的电压波动。

2.2 谐波污染

风电给系统带来谐波的途径主要有两种:(1)风力发电机本身配备的电力电子装置，可能带来谐波问题。(2)风力发电机的并联补偿电容器可能和线路电抗发生谐振。对风电而言，发电机本身产生的谐波是可以忽略的，谐波电流的真正来源是风电机组中的电力电子原件。尤其是变速恒频风电机组，其中的变流器始终处于工作状态，谐波大小与输出功率基本呈线性关系，也就是和风速大小相关。在正常状态下，谐波干扰的程度取决于变流器装置的设计结构及其安装的滤波装置状况，同时与网络的短路容量有关。

3 直流输电的技术特性

若输电采用直流方案，只需要两根输电线，在每根线路载流量相同的条件下，由于没有集肤效应，直流的输电损耗大约只有交流的三分之二。直流导体的电晕效应也比交流导体小。同时，直流线路本身不需要无功补偿，但因为存在环流器和滤波器，直流线路的终端设备成本较高。由图1可看出直流与交流的输电成本比较。两曲线的交点称为等价距离(一般在400～700km之间)，当输电距离小于等价距离时交流成本更低，而大于等价距离时，直流输电更有优势。

图1 直流与交流成本比较

由于直流输电的技术特点，其应用长久以来受到多方面因素的限制［9］，如换流设备成本高，无法用变压器改变电压水平，谐波问题，需要无功功率，控制复杂等。不过，随着技术的突破，一些直流输电的固有缺陷也正在被人们慢慢克服，如构成阀的晶闸管容量提升，晶闸管的模块化结构，强迫换相技术的使用，换流器控制中使用数字电子技术和光纤技术，以及计算机技术的进步等。正是得益于上述技术的改进，使得直流输电在可靠性和换流设备的成本方面有了很好的改善。也为柔性直流输电的发展和大规模应用提供了契机。

4 基本结构和原理及其优势

柔性直流输电技术是在IGBT(绝缘栅双极晶体管)和VSC(电压源换流站)基础上采用PWM(脉宽调制)技术发展起来的新一代直流输电技术。与基于自然换相技术的电流源型换流器的传统直流输电不同，VSC－HVDC是一种以电压源换流器、可控关断器件和脉宽调制(PWM技术)为基础的新型直流输电技术。这种输电技术能够瞬时实现有功和无功的独立解耦控制、能向无源网络供电、换流站间无需通讯、且易于构成多端直流系统。另外，该输电技术能同时向系统提供有功功率和无功功率的紧急支援，在提高系统的稳定性和输电能力等方面具有优势。

4.1 网络结构

柔性直流输电系统网络结构如图2所示。

图2 柔性直流输电系统网络结构图

4.2 基本工作原理

与基于晶闸管的传统直流输电技术不同，柔性直流输电采用电压源型换流器和PWM技术，其基本工作原理如图3所示。由调制波与三角载波比较产生的触发脉冲，使VSC上下桥臂的开关管高频开通和关断，则桥臂中点电压Uc在两个固定电压+Ud和－Ud之间快速切换，Uc再经过电抗器滤波后则为网侧的交流电压Us。

图3 基本工作原理图

进一步分析可知，在假设换流电抗器无损耗且忽略谐波分量时，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:

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;δ为Uc和Us之间的相角差;X1为换流电抗器的电抗。由式(1)和式(2)可以得到换流器稳态运行时的基波相量。可知有功功率的传输主要取决于δ，无功功率的传输主要取决于Uc。因此通过对δ的控制就可以控制直流电流的方向及输送有功功率的大小，通过控制Uc就可以控制VSC发出或者吸收的无功功率。从系统角度来看，VSC可以看成是一个无转动惯量的电动机或发电机，几乎可以瞬时实现有功功率和无功功率的独立调节，实现四象限运行。

4.3 特点比较及技术优势

传统直流输电(LCC－HVDC)基于电网换相，是电流源型的直流输电技术(Current Source Converter Based HVDC)。柔性直流输电(VSC－HVDC)是电压源型的直流输电技术(Voltage Sourced Converter Based HVDC)。相比于传统直流输电，柔性直流输电有着自身的优势。VSC－HVDC与LCC－HVDC的比较见表1。

通过比较表1可知柔性直流输电相比传统直流输电有很多的技术优势。VSC－HVDC可以采用传统的架空线路，但使用地下电缆更能使效益发挥出来。在很多情况下电缆的成本低于架空线路，并且采用电缆更能满足环境的要求。与传统交流和就地发电相比，除了具有成本上的优势之外，VSC－HVDC还能提高供电的电能质量。采用可控关断型电力电子器件和PWM技术，可以实现有功功率和无功功率的独立控制能向无源网络系统供电;在潮流反转时，直流电流方向反转而直流电压极性不变，且换流器之间无需通信，也不需要外部的辅助设备，便于构成并联的多端直流输电系统。VSC换流器产生的低次谐波少，使滤波装置的容量大大减小。柔性直流输电系统既能输送有功功率，还能实现无功功率的紧急支援(起静止同步调相机功能，即STATCOM)，从而提高系统的功角稳定性，以及系统的电压稳定性。与此同时，模块化的设计使柔性直流输电的设计、生产、安装和调试周期大为缩短。

表1 柔性直流输电与传统直流输电的特点比较

5 应用实例

世界最早采用柔性直流输电技术的商业工程于1997年3月在瑞典正式投入运行。而图3则为1999年6月同在瑞典投产运行采用柔性直流输电技术的哥特兰项目，其主要的作用是连接瑞典哥特兰北部的风电场和维斯比城的公共电网。其网络连接图如图4所示。

哥特兰至维斯比城的线路连接使用了柔性直流输电技术［11］。其输送的功率可达50MW，直流电流为360A，线缆长度为70km。换流装置被放置在紧凑的集装箱模块内，这就构成了一个低成本，环保型的双极

图4 哥特兰输电项目系统图

直流系统，该系统不需要接地极。使用两根±80kV的电缆连接两换流站。此技术的应用使得可再生能源的开发利用达到更加满意的效果。因为风电设备的并网运行会对整个网络造成的影响，如本文第一节所述，该影响会对配电网的电压，波形等造成负面影响，所以需要更大的电力传输容量及更合理的传输方式解决传输过程及风电场中的电能质量问题。而本实例采用柔性直流输电技术正是对解决此类问题的一个很好的尝试。柔性直流输电的优良性能保证了风电场中的电能质量，即电压，无功等。与此同时，该项目在传输方式上采用地下电缆，相比传统的传输线更加环保。基于VSC的低功率直流输电通过直流电缆向远方提供稳定，高效，清洁的电源。其在环境效益的优势明显，此外在经济型和可维护性方面也有优势，由于直流系统不会向远方电网提供短路电流，因此对大部分断路器要求较低。正是基于以上多方面优势使得这条线路发挥了投资者所期待的经济和环境效益，也为随后几年柔性直流输电技术的发展提供了经验和理论依据。

6 结语

随着电力电子技术及相关技术的发展，快速，大功率，高电压的开关器件和直流电缆技术的进步。柔性直流输电将有着广阔的应用空间和经济前景。在风电系统中，柔性直流输电可以控制系统中的无功功率、抑制风电场出口的电压波动。柔性直流输电是一项新兴的输电技术，国内对其的研究尚处于比较初级的阶段，很多方面的工作尚未开展。希望在今后的工作学习中能够解决以上问题，可以最大程度地发挥柔性直流输电技术的优势，除了连接风电场等可再生能源外，还要向小型孤立的远距离负荷直接供电，更经济地向城市中心送电，实现两个交流异步系统的互联等。总之，柔性直流输电技术必将在未来电力系统中得到更加广泛的应用。

［1］何祚庥，王亦楠.风力发电是我国能源和电力可持续发展战略的最现实选择［J］.上海电力，2005(1):8－18.

［2］雷亚洲.与风电并网相关的研究课题［J］.电力系统自动化，2003，27(8):84－89.

［3］张新房，徐大平，柳亦兵，等.风力发电技术的发展及相关控制问题综述［J］.华北电力技术，2005(5):42－46.

［4］苏明军.风力发电——中国重要的后续能源［J］.能源环境保护，2005，19(6):12 －14.

［5］张伯泉，杨宜民.风力和太阳能光伏发电现状及发展趋势［J］.中国电力，2006，39(6):65 －69.

［6］耿华，杨耕，崔扬等.并网型风力发电系统的现状与发展［J］.东方电气评论，2006，20(2):1 －7.

［7］邹建华.发展风能发电改善能源结构［J］.华东电力，2006，34(12):71－74.

［8］王春明，周强，王金全，等.风 －光 －柴互补供电系统［J］.解放军理工大学学报(自然科学版)，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.