柔性直流输电技术及其应用研究

柔性直流输电技术及其应用研究
作者：赵林平
来源：《现代企业文化·理论版》2009年第14期
摘要:柔性直流输电(Voltage Source Converter based HVDC,VSC-HVDC),又称基于电压源型换流器(VSC)的高压直流输电,是近年发展起来的一种新型直流输电技术。

文章详细介绍了VSC-HVDC的相关技术,并针对其主要的技术特点与应用背景作了相关的应用研究。

关键词:柔性直流输电;电压源型换流器;高压输电
中图分类号:TM721 文献标识码:A
文章编号:1674-1145(2009)21-0162-02
柔性直流输电,是采用基于可控关断器件的VSC和PWM的直流输电技术。

由于它具有有功和无功独立控制、能向无源网络供电且适用于可再生能源并网、城市电网供电、异步交流电网互联等优点,国外学者已对其展开了深入的研究,而在国内,这种新型的输电技术还处于起步阶段,但从柔性输电的技术优势与国外成功的工程经验来说,这种新型的输电技术在国内将有着非常巨大的应用前景。

一、VSC-HVDC技术概述
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。

(一)VSC-HVDC的基本原理
所谓VSC-HVDC就是基于VSC的直流输电,其基本原理如图1所示,设送端、受端换流器均采用VSC,则两个换流器具有相同的结构。

换流器采用两电平六脉动型,每个桥臂都由多个IGBT或GTO串联而成。

直流侧电容器的作用是为逆变器提供电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波;换流电抗器是VSC与交流侧能量交换的纽带同时也起到滤波的作用;交流滤波器的作用是滤去交流侧谐波。

设交流母线电压基波分量为、逆变桥输出电压基波分量为、滞后于的角度为,换流电抗器为X,如图1所示。

则忽略谐波分量时换流器所吸收的有功功率和无功功率为:
(1)
(2)
由式(1)可见,有功功率传输主要取决于,当时VSC吸收有功功率,相当于传统HVDC中的整流器运行;当
时VSC发出有功功率,相当于传统HVDC中的逆变器运行。

因此通过对角的控制就可以控制直流电流的方向及输送功率的大小。

由式(2)可见,无功功率的传输主要取决于,
当时,VSC吸收无功功率;当时,
VSC发出无功功率。

所以,通过控制的大小就可以控制VSC发出或吸收的无功功率及其大小。

可见,VSC不仅能提高功率因素,而且还能起到STATCOM的作用,动态补偿交流母线的无功功率,稳定交流母线电压。

(二)正弦脉宽调制(SPWM)技术
VSC换流器阀控制采用SPWM技术。

脉宽调制技术PWM(Pulse Width Modulation)即通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效的获得所需要的波形(含形状和幅值)。

PWM控制的思想源于通信技术,全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。

PWM技术的应用十分广泛,它使电力电子装置的性能大大提高,因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。

PWM控制的基本思想是面积等效原理——冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。

因此,用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,称之为正弦脉宽调制(SPWM)技术,脉波数越多,不连续地按正弦规律改变宽度的多脉波电压就越等效于正弦电压。

SPWM的基本原理是:用给定的正弦波与三角载波比较,来决定每个桥臂的开通关断时刻。

当直流侧电压恒定时,SPWM的调制度(正弦给定信号与三角载波幅值之比,在0～l的范围内)决定VSC输出电压的幅值:正弦给定信号的频率与相位决定VSC输出电压的频率与相位。

(三)VSC-HVDC的基本控制策略
在VSC-HVDC系统中,主要有以下3种基本的控制方式:(1)定直流电压控制;(2)定直流电流控制;(3)定交流电压控制。

控制方式(1)控制直流母线电压和输送到交流侧的无功功率,为了提高换流器交流侧输出电压的稳定性,对直流电压进行定值控制是必要的,因此控制方式(1)是直流输电中最基本和必需的控制方式。

控制方式(2)控制直流电流和输送到交流侧的无功功率;控制方式(3)仅控制交流母线电压一个量。

(四)VSC-HVDC的技术特点
由于VSC-HVDC中交直流转换的核心部件——电压源换流器与传统HVDC中的换流器存在显著的差异,因此与传统HVDC相比,VSC-HVDC具有一些显著的技术优势,主要包括:
1.VSC电流能够自关断,可以工作在无源逆变方式,所以不需要外加的换相电压,受端系统可以是无源网络,克服了传统的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可以同时且相互独立控制有功功率、无功功率,控制更加灵活方便。

而传统HVDC中控制量只有触发角,不可能单独控制有功功率或无功功率。

3.VSC不仅不需要交流侧提供无功功率而且能够起到STATCOM的作用,动态补偿交流母线的无功功率,稳定交流母线电压。

4.潮流反转时直流电流方向反转而直流电压极性不变,与传统的HVDC恰好相反。

这个特点有利于构成既能方便地控制潮流又有较高可靠性的并联多端直流系统,克服了传统多端HVDC系统并联连接时潮流控制不便、串联连接时又影响可靠性的缺点。

5.由于VSC交流侧电流可以被控制,所以不会增加系统的短路功率。

6.VSC通常采用SPWM技术,开关频率相对较高,经过低通滤波后就可得到所需交流电压,可以不用变压器,所需滤波装置容量也大大减小。

二、柔性直流输电技术在风电系统中的应用研究
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[5]。

(一)基于VSC-HVDC的风电场并网系统
基于柔性直流输电的风电场并网系统原理图如下:
(二)控制策略
由于风电场发出的有功随着风速的变化而波动,对于柔性直流输电系统,有功平衡的改变会影响直流线路的电压,从而对交流侧电压产生影响。

而直流线路电压的波动会使直流侧电容不断充放电,减小电容的寿命。

因此,当风电场输出有功功率变化时,抑制直流电压的波动是需要特别关注的问题。

dq坐标系下的VSC动态模型如下式所示(忽略换流器电阻损耗):
其中, 、分别为三相电流基波的d轴和q轴分量,、
分别为交流母线侧三相电压基波的d轴和q轴分量, 、分别为直流母线侧三相电压基波分量的d轴和q轴分量,为同步频率。

采用SPWM进行触发,则有:
其中,M为调制比, 为SPWM初始相位角。

对于直流侧,动态方程为:
(5)
其中,为注入VSC的直流电流, 为从直流网络注入的电流。

如图2所示,交流输电线路上的电压降为(忽略换流器电阻损耗):
(6)
即根据变化控制送端站无功就可以控制综上,柔性直流输电的任务是瞬时地将风电场发出的功率传输出去,并保证风电场母线电压的稳定。

因此,风电场侧换流器的控制目标是定交流侧有功和定交流电压。

电网侧换流器的控制目标为定直流电压和定交流电压。

柔性直流输电技术用于连接风电场和电网具有独特的优势,它无需额外的无功补偿,能实现风力发电的远距离能量输送。

它可以连接多台风电机组、甚至多个风电场,从而减少换流站的个数,节约成本。

目前柔性直流输电技术用于风电场并网的实际工程有:瑞典哥特兰岛工程用于陆上风电场并网;丹麦Tjaereborg工程用于海上风电场并网。

这两个工程的顺利投运及其取得的效益,为我国风电场采用柔性直流输电
方式并网提供了应用前提与可行性验证。

三、柔性直流输电技术的工程应用趋势
随着大容量全控型电子器件的研制成功,VSC-HVDC的最大输电容量由最初的3MW发展到400MW(Nordeon1),直流电压由10KV提升到±150kV,如表1所示,而随着技术的不断成熟与应用,直流柔性输电的容量增大的趋势将会越来越快。

四、结论
本文介绍了柔性直流输电这种新型输电技术,主要对其工作原理、组成部分及技术特点等作了简要分析,并针对其技术特点和应用特性作了相关的应用探讨。

而随着国内对这种新型输电技术的不断深入研究,再加上国外现有的实际工程的成功运行经验,它的应用前景将是非常广阔的。

不仅仅是在风力发电领域,同时在可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电、交流电网互联等应用领域柔性直流输电技术也能大展身手。

参考文献
[1]张桂斌.新型直流输电及其相关技术[D].杭州:浙江大学,2001.
[2]郑超,周孝信,李若梅,等.VSC-HVDC稳态特性与潮流算法的研究[J].中国电机工程学
报,2005,25(6).
[3]王超,张怀宇,王辛慧,等.风力发电技术及其发展方向[J].电站系统工程,2006,22(2).
作者简介:赵林平(1967- ),男,平凉供电公司副总工程师兼生产技术部主任,高级工程师。