中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司　徐田奎

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直流輸電技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司徐田奎

【摘要】詳細(xì)介紹以電壓源換流器以及絕緣柵雙極晶體管為關(guān)鍵部件的輕型高壓直流輸電線路以及其在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用。首先對(duì)輕型直流輸電技術(shù)以及輕型高壓直流輸電的基礎(chǔ)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，然后對(duì)其在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用方向以及實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)分析。

【關(guān)鍵詞】直流輸電技術(shù)；風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；應(yīng)用

0　引言

風(fēng)能是一種清潔、綠色的能源，具有可再生性，應(yīng)用風(fēng)能有利于調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，對(duì)于環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要。新時(shí)期，直流輸電技術(shù)發(fā)展迅速，下文主要以輕型高壓直流輸電技術(shù)為研究對(duì)象，具體分析了其在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1　輕型高壓直流輸電技術(shù)

90年代后期，ABB公司研發(fā)出一種全新的高壓直流輸電技術(shù)，即輕型直流輸電技術(shù)（VSC—HVDC），與傳統(tǒng)的高壓直流輸電線路相比，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的有功容量控制和無(wú)功容量控制，有利于減少變流器站過濾設(shè)備體積，容易形成多端直流系統(tǒng)，而且在經(jīng)濟(jì)方面應(yīng)用優(yōu)勢(shì)十分明顯。將輕型直流輸電技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，在交流電壓和無(wú)功功率控制方面都具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，輕型高壓直流輸電線路的主要作用是連接交換風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)和網(wǎng)絡(luò)，具體包括系統(tǒng)建模和特性這兩個(gè)方面。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，輕型高壓直流輸電的主要研究方向是提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使用非線性魯棒控制等方法加強(qiáng)控制。

2　輕型高壓直流輸電技術(shù)

2.1電壓源換流器（VSC）技術(shù)

在傳統(tǒng)的電力工業(yè)中，高壓直流輸電技術(shù)一般是基于PCC技術(shù)，但是，現(xiàn)如今，VSC技術(shù)發(fā)展迅速并得到了廣泛應(yīng)用。PCC技術(shù)和VSC技術(shù)的主要區(qū)別在于，PCC技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，不僅需要開通電力電子元件，而且還需要斷開電流組件。但是，VSC技術(shù)的應(yīng)用卻十分便捷，因?yàn)槠涫褂萌匦凸β试蘒GBT，有利于控制電流開斷。PCC技術(shù)使用晶閘管，其單向?qū)щ娦允沟迷擁?xiàng)技術(shù)只能夠控制閥的開通，但是不能控制電流開端，對(duì)于電流開端，必須借助于交流母線電壓的過零。因此，如果使用PCC技術(shù)，則直流輸電的方式不能夠?qū)πD(zhuǎn)電擊功率較小的負(fù)荷進(jìn)行供電。另外，由于換流器的諧波次數(shù)較低、容量較大，而且占地面積大，因此在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到一定的限制。

VSC技術(shù)的全控型功率器件主要是絕緣柵雙極晶體管，因此對(duì)于電流通斷，可以通過控制半導(dǎo)體閥進(jìn)行管理。

VSC主要是由直流電容、IGBT閥橋、交流濾波器、換流控制器等部件組成的。而IGBT閥橋的主要是由6個(gè)閥所組成的，在每1個(gè)閥中都并聯(lián)了一個(gè)IGBT，而每個(gè)IGBT又與一個(gè)二極管進(jìn)行反并聯(lián)，在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過換流控制器的光纖連接來控制各個(gè)IGBT的開斷形式。

其中：

Ug指的是換流器所產(chǎn)生的基波頻率電壓；

Un指的是交流網(wǎng)絡(luò)電壓；

X指的是線路電抗；

L指的是線路長(zhǎng)度。

Ug的放大倍數(shù)可以直接決定無(wú)功功率Q的流動(dòng)情況，而放大倍數(shù)可以通過來自換流器閥橋的脈沖寬度來進(jìn)行管理和控制。對(duì)于無(wú)功功率Q，可以通過公式(2)進(jìn)行計(jì)算：

流過換流器的電流和電壓主要是由換流器容量直接決定的，而換流器的無(wú)功容量和有功容量之間可以進(jìn)行交換，二者的結(jié)合形式如圖1所示。

圖1　無(wú)功容量和有功容量結(jié)合形式

2.2脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）

電壓源換流器技術(shù)中的VSC可以使用IGBT，而這就使得PWM的應(yīng)用可能性較大。采用PWM控制方式，可以有效控制逆變電路開關(guān)器件，使得輸出端能夠得到幅值相同、寬度不同的脈沖，而這些脈沖可以代替實(shí)際需要的正弦波。PWM可以通過實(shí)現(xiàn)兩固定的直流電壓之間的快速切換，以此產(chǎn)生交流電壓，并且得到基波電壓。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，可以應(yīng)用PWM技術(shù)，快速改變交流輸出電壓的幅值和相位，對(duì)無(wú)功功率和有功功率進(jìn)行有效控制。通過PWM逆變的交流電壓，能夠隨著控制系統(tǒng)的變化而發(fā)生改變。因此，在PWM技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，可以省去傳統(tǒng)HVDC中的換流變壓器，有利于簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)。

2.3輕型高壓直流換流站

高頻下，換流器的轉(zhuǎn)換過程十分有效，因此對(duì)于濾波器、變壓器等輔助設(shè)備的需求比較少。換流器的電壓與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置的交流電壓不同，而且輕型高壓直流換流站一般至需要1個(gè)變壓器，有利于減小高壓直流換流站的建設(shè)面積。例如，1個(gè)65MVA容量的輕型高壓直流換流站的占地面積一般為800m2，而1個(gè)250MVA容量的輕型高壓直流換流站的占地面積一般為3000m2。另外，在輕型高壓直流換流站的建設(shè)過程中，可以使用很多地下電纜，所以對(duì)于周邊環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生不良影響，因此，輕型高壓直流輸電技術(shù)的應(yīng)用十分環(huán)保清潔，但是由于其結(jié)構(gòu)緊密，因此對(duì)于絕緣性能的要求也比較高。

2.4輕型高壓直流輸電電纜

現(xiàn)階段，新型的輕型高壓直流輸電電纜是一種擠壓式單極絕緣電纜，單極直流電纜的絕緣壁厚度比較大，因此其絕緣性能較高，應(yīng)用前景十分廣闊。與此同時(shí)，輕型高壓直流輸電電纜的機(jī)械靈活性比較高，在實(shí)際應(yīng)用中，可以被用于絕緣架空電纜及海底電纜等方面。

3　輕型高壓直流輸電技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1應(yīng)用領(lǐng)域

（1）通過輕型高壓直流輸電技術(shù)，可以將風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)和大電網(wǎng)進(jìn)行有效連接。一般情況下，風(fēng)力發(fā)電廠遠(yuǎn)離大電網(wǎng)負(fù)荷區(qū)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，可以使用輕型高壓直流輸電技術(shù)，有利于節(jié)約建筑施工成本，提高傳輸容量。

（2）清潔能源。一般情況下，風(fēng)能、太陽(yáng)能等都建設(shè)在偏遠(yuǎn)地區(qū)，因此很難保證電能質(zhì)量。如果使用輕型高壓直流輸電技術(shù)，則能夠在很大程度上降低經(jīng)濟(jì)投資成本、提高電力傳輸效率和電能質(zhì)量、避免對(duì)環(huán)境造成破壞，因此清潔性較高。

（3）城市電網(wǎng)改造。新時(shí)期，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，各地建設(shè)數(shù)量越來越多，而采用頭頂配電網(wǎng)絡(luò)很難滿足電力建設(shè)需求，對(duì)此，可以使用輕型高壓直流輸電技術(shù)，因?yàn)榈叵码娎|的應(yīng)用可以增加電力容量，提高電力傳動(dòng)效率。

（4）連接不同電網(wǎng)，提高供電質(zhì)量。當(dāng)太陽(yáng)能和風(fēng)電等供電系統(tǒng)輸入網(wǎng)絡(luò)后，負(fù)載會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化，這就會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)波動(dòng)強(qiáng)烈，降低電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。而使用輕型高壓直流輸電技術(shù)可以引進(jìn)直流電壓環(huán)網(wǎng)，有利于提高電網(wǎng)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，使得不同頻率和容量的電網(wǎng)能夠方便連接。

3.2世界首個(gè)輕型高壓直流輸電技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

世界上首個(gè)運(yùn)用輕型高壓直流輸電技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)被命名為Borkum2，位于德國(guó)北海岸130km的位置。該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是第一個(gè)利用HVDC輸送技術(shù)與電網(wǎng)聯(lián)接的風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目，由于輕型高壓直流輸電技術(shù)屬于環(huán)境友好型技術(shù)，因此只會(huì)產(chǎn)生比較弱的電磁場(chǎng)，不需要輸油管道，而且根據(jù)上文所述，應(yīng)用輕型高壓直流輸電技術(shù)，換流器的結(jié)構(gòu)形式比較緊湊，有利于減少傳輸損耗，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益比較高。

輕型高壓直流變壓器的設(shè)計(jì)方式比較簡(jiǎn)單，與標(biāo)準(zhǔn)電力變壓器的設(shè)計(jì)形式差距比較小，而且電力擾動(dòng)換流器的電抗器能夠起到很好的濾波作用，為輕型高壓直流輸電系統(tǒng)提供電抗。

輕型高壓直流閥可以對(duì)交流電流進(jìn)行整流。對(duì)于每一相，都有直流電容和套管的集裝箱為其提供服務(wù)。而尖端的MACH2TM保護(hù)、儀表和冷卻系統(tǒng)安裝在閥門下方的另外兩個(gè)集裝箱內(nèi)。在直流區(qū)域，有128km海底電纜和74km陸地電纜和其他輕型HVDC換流器電站進(jìn)行有效連接。

4　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，輕型高壓直流輸電技術(shù)是一種新型的直流輸電技術(shù)，將其應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中能夠達(dá)到很好的效果。因此，未來，輕型高壓直流輸電技術(shù)必將不斷發(fā)展，并且在風(fēng)力發(fā)電、山區(qū)供電、海上供電等等方面發(fā)揮作用。

參考文獻(xiàn)

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