2基于VSC-HVDC的南汇风电场并网应用研究1

1、基于VSC-HVDC的南汇风电场并网应用研究俞俊霞，肖斌，吴国明(上海市电力公司浦东供电公司, 上海200000 )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。本文在介绍柔性直流输电（VSC-HVDC）的原理和技术特点的基础上，将其与其他风电并网技术作了比较，详细说明了柔性直流输电技术在风电并网上的重大创新及巨大优势，并介绍了该技术在上海南汇风电场并网上的示范应用工程，表明了柔性直流输电技术在风电传输领域的广阔应用前景。关键词: 柔性直流输电，风电并网，南汇风电场，电压源换流器中图分类号: TM 721. 1文献标识码:A 0 引言

2、当今，人类社会面临着诸多挑战，如环境污染、全球气候变化、能源安全等。这些挑战一方面威胁着世界的可持续发展，另一方面也极大地推动了可再生能源的开发和利用。在可再生能源中，风能越来越受到人们的重视，成为发展最快的一种新型能源1。根据世界风能协会的预测，到2010年, 世界风电装机容量将达到160 GW。近年来，中国也加快了风电产业的发展。根据我国的可再生能源发展规划，2010年、2020年风电的发展目标分别为10GW和30 GW2。风电机组出力具有随机性、间歇性和不可控性，因此风电场的投入与切除运行，会对地区电网的安全、稳定运行产生重大影响3，其中以并网风电场引起的系统电压稳定性以及系统电压波动问

3、题最为典型，已经成为风电场并入薄弱电网的限制性因素。而柔性直流输电（又称：轻型直流输电）技术同时应用电压源型换流器(Voltage Source Converter, VSC)和脉宽调制技术(PWM)，可通过控制策略调整无功输出，稳定系统电压。风电场通过柔性直流输电接入系统后，将有效降低其对电网的冲击，增强电网可靠性及稳定性。本文阐述了基于柔性直流输电（VSC-HVDC）的风电并网方式的原理、优点及在国内外的应用，并以南汇风电场为切入点，详细介绍了风电场的模型和基于VSC-HVDC的南汇风电并网应用工程。1 基于VSC-HVDC的风电并网技术研究1.1 VSC-HVDC的原理柔性直流输电技术是

4、一种以电压源换流器、可控关断器件和脉宽调制技术(PWM) 为基础的新型直流输电技术。与传统直流输电相比，柔性直流输电技术具有控制灵活方便、提高系统稳定性、增加系统动态无功储备和改善电能质量等技术优势，适用于孤岛供电、可再生能源并网、非同步交流电网互联和城市电网供电等方面。双端VSC-HVDC输电系统的结构示意图如图1所示4。其中两个电压源换流器VSC1和VSC2分别用作整流器和逆变器，主要部件包括全控换流桥、直流侧电容器；全控换流桥的每个桥臂均由多个绝缘栅双极晶体管IGBT或门极可关断晶体管GTO等可关断器件组成，可以满足一定技术条件下的容量需求；直流侧电容为换流器提供电压支撑，直流电压的稳定

5、是整个换流器可靠工作的保证；交流侧换流变压器和换流电抗器起到VSC与交流系统间能量交换纽带和滤波作用；交流侧滤波器的作用是滤除交流侧谐波。由于柔性直流输电一般采用地下或海底电缆，对周围环境产生的影响很小。图1 双端SVC-HVDC输电系统示意图假设换流电抗器是无损耗的，在忽略谐波分量时，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 (1) (2)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；XL为换流电抗器和换流变压器的电抗。由式(1)、(2)可以看出，有功功率的传输主要取决于，无功功率的传输主要取决于UC。而UC是由换流器输出的脉宽调制

6、(PWM)电压的脉冲宽度控制的。因此，通过对角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发出或吸收无功功率及其大小，从而灵活地根据风电场的风况自动调整输电线路的输送容量。1.2 VSC-HVDC用于风电场并网的主要优势 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功率和无功功率，能够在送、受端独立地进行电压控制，可以在PQ图中四象限运行，控制更加灵活方便。3)VSC不仅不需要交流侧提供无

7、功功率，而且能够起到静止无功补偿器（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VSC-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) 与常规HVDC靠改变直流电压极性改变直流电流方向相比，VSC-HVDC通过改变送、受端的直流电压大小来改变直流电流的方向，能够更方便、更快速地实现潮流反转，有利于形成多端直流系统。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VSC-HVDC线路后，交流系统的保护整定基本不需改变。6) VSC-HVD

8、C一般采用高频PWM技术，VSC产生的谐波次数较高，谐波成分降低，不需大量的交流滤波设备，大大减少了换流站的占地面积。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。总之，VSC-HVDC的控制更加灵活，减少了无功补偿装置、滤波设备和占地面积，降低了工程造价。表1-1是目前风电场并网方式（交流输电、常规HVDC和VSC-HVDC）的主要性能比较。表1 各种并网方式主要性能的比较比较内容交流输电常规HVDCVSC-HVDC有功控制能力无有有无功控制能力无无有联网要求互联系统必须同步可非同步互联，不能向弱交流系统和无源系统供

9、电可非同步互联，可向弱交流系统和无源系统供电功率的振荡阻尼作用无有限高功率反转快慢快损耗低中等高（2%3%）环境影响高低低成本低中等稍高1.3 VSC-HVDC输电技术在风力发电中的应用在国外，VSC-HVDC技术已投入商业应用，从1997年世界上第1个柔性直流输电工程瑞典Hellsjon试验工程成功运行以来，已有几个欧美国家开始了工程应用。数据表明，VSC-HVDC线路在小容量、远距离输送时也十分具有竞争力，对于改善电网电能质量，降低系统短路电流、谐波污染也大有帮助。现有VSC-HVDC工程中有2个工程用于输送风力发电的商业运行线路5（见表2）。以Gotland工程为例，它利用地下直流电缆代

10、替架空线，克服了Gotland岛上难以安装架空线的困难；另外采用VSC-HVDC技术，不仅风力发电场内部交流系统的稳定性大大提高，Gotland岛南部电网的电能质量和电压稳定性也得以提高。在国内，国家电网公司高度重视柔性直流输电技术发展，于2008年启动了“柔性直流输电关键技术与示范工程”项目，2009年又将柔性直流输电技术列入“坚强智能电网研究体系”。据悉，国家电网公司柔性直流输电示范工程已于2010年6月在上海浦东开工，而上海南汇风电场作为该工程的电能来源将对风电电能的并网起到现实指导作用，具有长远的战略意义。表2国外VSC-HVDC风力发电线路工程投运时间最大传输功率/MW两侧交流电压/

11、kV直流电压/kV直流电流/A线路长度/km用途Gotland19995080/80803502*70为风力发电提供电压支持且采用地下电缆传输电能，环境影响小Tjaerebog20007.210.5/10.593582*4.3解决风力发电引起的无功功率和电压问题2基于VSC-HVDC的南汇风电场并网应用2.1 目前风电场概况目前，南汇风电场是由11台1.5MW的风机分别接入南汇风电场升压站的10 kV分段母线上，装机总容量达到16.5 MW，南汇风电场通过2回35 kV线路治风3992和治风3993线经35 kV大治站接入220 kV南汇站。2.2 风电场模型风电机组主要分成两类：恒转速型和变

12、转速型，前者主要使用在早期的风力发电中；随着电力电子技术、控制技术和机械制造工艺的发展，后者是今后的主流类型和研究热点6。在变转速型风电机组中，双馈式感应发电机组(Doubly - Fed Induction Generator , DFIG) 目前被广泛应用于大中型风电场，南汇风电场采用的就是DFIG机组。这类机组的突出特点主要是在转子回路利用较小容量的变频器就可以实现机组的变速运行。另外该类机组的单机容量较大，调节更灵活，效率较高。其模型结构如图2：图2 南汇风电场的结构模型2.3基于VSC-HVDC的风电场接入系统方式此VSC-HVDC示范工程额定运行容量为18 MW，直流额定电压为&#

13、177;30 kV，直流额定电流为300 A,设备设计容量为20 MVA。工程包括：书柔换流站、风电场换流站、南汇风电场至书柔换流站1回柔性直流线路、书柔站至大冶站35 kV交流线路。线路由现风电场大治站两回交流输电线路之一治风3993交流线路开断环入书柔站而成。两侧交流侧维持接入系统方案现状，采用全线电缆方案。电气系统单线图如图3。图3 南汇风电场并网系统接线图3 结论随着能源紧缺和环境污染等问题的日益严峻，国家将大力开发和利用可再生清洁能源，优化能源结构。因此，促进大规模风力发电场的并网，满足持续快速增长的能源需求和能源的清洁高效利用，符合电力工业发展规律和电网技术发展方向。本文以南汇风电

14、场为切入点，分析了SVC-HVDC用于风电场并网的基本模型及其技术优势，随着技术的发展，SVC-HVDC较其他输电技术将更具竞争力，将其广泛应用在我国新能源并网等方面将是完全可能的。参考文献：1 时璟丽 .世界风电发展形势及我国风电制造业面临的机遇 J.可再生能,2009,27(3):1-32 朱卫东.国家科技计划与风电发展 J.可再生能源, 2009, 27(2):1-53 席皛，李海燕，孔庆东. 风电场投切对地区电网电压的影响J .电网技术,2008 ,10 (32) :57-62.4 杨思祥, 李国杰, 阮思烨. 应用于DFIG风电场的SVC-HVDC控制策略J. 电力系统自动化, 2007, 31(19): 65-67.5 董 健林震宇, 卫春, 张华. 轻型高压直流输电技术在风电传输中的应用J.配网自动化, 2008, 13: 3