VSC－HVDC抑制并网PCC点电压波动浅析

栾鹏飞，孙冬梅

（鄂尔多斯电业局，内蒙古 鄂尔多斯017000）

1 概 述

轻型直流输电（VSC－HVDC）是一种以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）、电压源换流器和脉宽调制（PWM）技术为基础的新型输电技术，具有易于构成多端直流系统、可向无源网络供电等优点，对输送的有功功率进行快速、灵活控制的同时还能够动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压，抑制并网PCC点电压波动，非常适用于大型风电场并网。

2 VSC－HVDC的工作原理［1］

VSC－HVDC通过VSC（电压源变换器）来实现，VSC－HVDC系统原理如图1所示，两侧换流站采用电压源型换流器，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与交流侧能量交换的纽带，同时起到滤除交流侧电流谐波的作用。直流侧并联的电容器起到提供电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波的作用。换流器中IGBT上并联反向二极管，除了作为主回路以外，还起到保护和续流的作用。换流器通常采用脉宽调制（PWM）控制技术。

设交流母线电压基波分量为US，换流器输出电压基波分量为UC，UC滞后于US的角度为δ，换流电抗器L的等效电抗为X，如图1所示。假设换流电抗器是无损耗的，忽略谐波分量时，换流器所吸收的有功功率P和无功功率Q分别为：

由式（1）可知，调节δ和UC即可实现对有功功率和无功功率大小以及传输方向的控制。当VSC采用PWM技术进行控制时，δ可以通过PWM的调制波相角进行调节，而UC正比于直流线路电压Ud和PWM的调制比M的乘积。因此，调节δ和M 即可实现对有功功率P和无功功率Q的控制。由于轻型直流输电系统可以向交流系统返送无功功率，因此，当交流系统发生故障时，轻型直流输电系统将有利于稳定系统的电压水平，改善交流系统电能的传输质量［2，3］。

图1 VSC－HVDC系统原理图

3 风电场并网引起的电压波动［4］

本文研究的典型风电场并网系统如图2所示。

图中风电场输出功率为Pf和Qf，Pd1和Qd1为注入VSC－HVDC送端站功率，Pd2和Qd2为 VSC－HVDC受端站输出功率，T1和T2是换相变压器；Ps和Qs代表PCC注入交流系统功率，Zs代表交流输电线路阻抗，us代表交流系统电压。一般由于风源的波动性随机性导致风电场输出有功、无功功率波动。如图2所示，当PCC点连接交流系统时，交流输电线路上的电压降为：

图2 基于VSC－HVDC的风电场并网系统

式中，upcc为PCC点电压；Rs、Xs为交流系统输电线路等效阻抗、电抗。

假设交流系统电压us保持恒定，由上式可看出任何风电场输出功率Pf和Qf波动都会导致PCC点电压波动。当PCC点连接VSC－HVDC系统时，由于送端站既可输送有功功率又可输送无功功率，则式（2）可写为：

由于实际并网系统中Xs≫Rs，则由有功潮流变化引起的电压波动可忽略不计，式（3）可简化为：

则根据Qf变化控制送端站无功Qd1就可以控制PCC点电压的波动，改善风电场的并网性能。

4 工程实例

Tjaereborg示范工程：两端换流站分别位于Tjaereborg与Enge，额定容量8 MVA/7.2 MW，直流电压±9 kV，直流电流358 A，输电距离4.4 km，建设目的是将位于西部Tjaereborg风电站与交流主网相联。该工程2000年6月投入运行，目的是为了验证距陆地50 km，容量为100 MW的大容量海上风力发电的输电技术。Tjaereborg工程的建成和成功投运，为解决风力发电接入所导致无功功率和电压稳定问题提供了参考，也为各国风电场建设提供了借鉴。

5 总 结

由以上分析可知VSC－HVDC在并网过程中能够动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压，抑制并网PCC点电压波动，非常适用于大型风电场并网，对实际工程并网有很好的借鉴意义。

［1］ 张重实，宋 颖.多端直流输电系统的控制问题［J］.中国电力，1996，（7）：21－23.

［2］ 李庚银，吕鹏飞，李广凯，等.轻型高压直流输电技术的发展与展望［J］.电力系统自动化，2003，27（4）：77－80.

［3］ 武 娟，任震，黄雯莹，等.轻型直流输电的运行机理和特性分析［J］.华南理工大学学报，2001，29（8）：41－40.

［4］ 刘 静，韩民晓.轻型直流输电建模及其在风力发电中的应用［D］.华北电力大学硕士学位论文，2008.

［5］ SOBRINK KHK，SORENSENP L，Feasibility study regarding，integration of the 160MW wind farm using VSC transmission［C］.CIGRE.2001.