直流输电技术在风力发电系统中的应用

中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司　徐田奎



直流输电技术在风力发电系统中的应用

中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司徐田奎

【摘要】详细介绍以电压源换流器以及绝缘栅双极晶体管为关键部件的轻型高压直流输电线路以及其在风力发电系统中的应用。首先对轻型直流输电技术以及轻型高压直流输电的基础技术进行了详细介绍，然后对其在风力发电系统中的应用方向以及实际应用进行了详细分析。

【关键词】直流输电技术；风力发电系统；应用

0　引言

风能是一种清洁、绿色的能源，具有可再生性，应用风能有利于调整能源结构，对于环境保护至关重要。新时期，直流输电技术发展迅速，下文主要以轻型高压直流输电技术为研究对象，具体分析了其在风力发电系统中的应用。

1　轻型高压直流输电技术

90年代后期，ABB公司研发出一种全新的高压直流输电技术，即轻型直流输电技术（VSC—HVDC），与传统的高压直流输电线路相比，该技术能够实现灵活的有功容量控制和无功容量控制，有利于减少变流器站过滤设备体积，容易形成多端直流系统，而且在经济方面应用优势十分明显。将轻型直流输电技术应用于风力发电系统中，在交流电压和无功功率控制方面都具有十分明显的优势。

在风力发电系统中，轻型高压直流输电线路的主要作用是连接交换风力发电场和网络，具体包括系统建模和特性这两个方面。在风力发电系统中，轻型高压直流输电的主要研究方向是提高风力发电系统的稳定性，使用非线性鲁棒控制等方法加强控制。

2　轻型高压直流输电技术

2.1电压源换流器（VSC）技术

在传统的电力工业中，高压直流输电技术一般是基于PCC技术，但是，现如今，VSC技术发展迅速并得到了广泛应用。PCC技术和VSC技术的主要区别在于，PCC技术在实际应用中，不仅需要开通电力电子元件，而且还需要断开电流组件。但是，VSC技术的应用却十分便捷，因为其使用全控型功率元件IGBT，有利于控制电流开断。PCC技术使用晶闸管，其单向导电性使得该项技术只能够控制阀的开通，但是不能控制电流开端，对于电流开端，必须借助于交流母线电压的过零。因此，如果使用PCC技术，则直流输电的方式不能够对旋转电击功率较小的负荷进行供电。另外，由于换流器的谐波次数较低、容量较大，而且占地面积大，因此在实际应用中会受到一定的限制。

VSC技术的全控型功率器件主要是绝缘栅双极晶体管，因此对于电流通断，可以通过控制半导体阀进行管理。

VSC主要是由直流电容、IGBT阀桥、交流滤波器、换流控制器等部件组成的。而IGBT阀桥的主要是由6个阀所组成的，在每1个阀中都并联了一个IGBT，而每个IGBT又与一个二极管进行反并联，在实际应用中，可以通过换流控制器的光纤连接来控制各个IGBT的开断形式。

其中：

Ug指的是换流器所产生的基波频率电压；

Un指的是交流网络电压；

X指的是线路电抗；

L指的是线路长度。

Ug的放大倍数可以直接决定无功功率Q的流动情况，而放大倍数可以通过来自换流器阀桥的脉冲宽度来进行管理和控制。对于无功功率Q，可以通过公式(2)进行计算：

流过换流器的电流和电压主要是由换流器容量直接决定的，而换流器的无功容量和有功容量之间可以进行交换，二者的结合形式如图1所示。

图1　无功容量和有功容量结合形式

2.2脉宽调制技术（PWM）

电压源换流器技术中的VSC可以使用IGBT，而这就使得PWM的应用可能性较大。采用PWM控制方式，可以有效控制逆变电路开关器件，使得输出端能够得到幅值相同、宽度不同的脉冲，而这些脉冲可以代替实际需要的正弦波。PWM可以通过实现两固定的直流电压之间的快速切换，以此产生交流电压，并且得到基波电压。在风力发电系统中，可以应用PWM技术，快速改变交流输出电压的幅值和相位，对无功功率和有功功率进行有效控制。通过PWM逆变的交流电压，能够随着控制系统的变化而发生改变。因此，在PWM技术的实际应用中，可以省去传统HVDC中的换流变压器，有利于简化电路结构。

2.3轻型高压直流换流站

高频下，换流器的转换过程十分有效，因此对于滤波器、变压器等辅助设备的需求比较少。换流器的电压与网络节点位置的交流电压不同，而且轻型高压直流换流站一般至需要1个变压器，有利于减小高压直流换流站的建设面积。例如，1个65MVA容量的轻型高压直流换流站的占地面积一般为800m2，而1个250MVA容量的轻型高压直流换流站的占地面积一般为3000m2。另外，在轻型高压直流换流站的建设过程中，可以使用很多地下电缆，所以对于周边环境不会产生不良影响，因此，轻型高压直流输电技术的应用十分环保清洁，但是由于其结构紧密，因此对于绝缘性能的要求也比较高。

2.4轻型高压直流输电电缆

现阶段，新型的轻型高压直流输电电缆是一种挤压式单极绝缘电缆，单极直流电缆的绝缘壁厚度比较大，因此其绝缘性能较高，应用前景十分广阔。与此同时，轻型高压直流输电电缆的机械灵活性比较高，在实际应用中，可以被用于绝缘架空电缆及海底电缆等方面。

3　轻型高压直流输电技术在风力发电系统中的应用

3.1应用领域

（1）通过轻型高压直流输电技术，可以将风力发电场和大电网进行有效连接。一般情况下，风力发电厂远离大电网负荷区。因此，在实际应用中，可以使用轻型高压直流输电技术，有利于节约建筑施工成本，提高传输容量。

（2）清洁能源。一般情况下，风能、太阳能等都建设在偏远地区，因此很难保证电能质量。如果使用轻型高压直流输电技术，则能够在很大程度上降低经济投资成本、提高电力传输效率和电能质量、避免对环境造成破坏，因此清洁性较高。

（3）城市电网改造。新时期，社会经济发展迅速，各地建设数量越来越多，而采用头顶配电网络很难满足电力建设需求，对此，可以使用轻型高压直流输电技术，因为地下电缆的应用可以增加电力容量，提高电力传动效率。

（4）连接不同电网，提高供电质量。当太阳能和风电等供电系统输入网络后，负载会经常发生变化，这就会导致电网波动强烈，降低电网的运行稳定性。而使用轻型高压直流输电技术可以引进直流电压环网，有利于提高电网传输的稳定性和可靠性，使得不同频率和容量的电网能够方便连接。

3.2世界首个轻型高压直流输电技术应用实例

世界上首个运用轻型高压直流输电技术的风力发电系统被命名为Borkum2，位于德国北海岸130km的位置。该风力发电系统是第一个利用HVDC输送技术与电网联接的风力发电项目，由于轻型高压直流输电技术属于环境友好型技术，因此只会产生比较弱的电磁场，不需要输油管道，而且根据上文所述，应用轻型高压直流输电技术，换流器的结构形式比较紧凑，有利于减少传输损耗，社会经济效益和生态效益比较高。

轻型高压直流变压器的设计方式比较简单，与标准电力变压器的设计形式差距比较小，而且电力扰动换流器的电抗器能够起到很好的滤波作用，为轻型高压直流输电系统提供电抗。

轻型高压直流阀可以对交流电流进行整流。对于每一相，都有直流电容和套管的集装箱为其提供服务。而尖端的MACH2TM保护、仪表和冷却系统安装在阀门下方的另外两个集装箱内。在直流区域，有128km海底电缆和74km陆地电缆和其他轻型HVDC换流器电站进行有效连接。

4　结语

综上所述，轻型高压直流输电技术是一种新型的直流输电技术，将其应用于风力发电系统中能够达到很好的效果。因此，未来，轻型高压直流输电技术必将不断发展，并且在风力发电、山区供电、海上供电等等方面发挥作用。

参考文献

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