欒鵬飛，孫冬梅

（鄂爾多斯電業(yè)局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017000）

1 概 述

輕型直流輸電（VSC－HVDC）是一種以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）、電壓源換流器和脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)為基礎(chǔ)的新型輸電技術(shù)，具有易于構(gòu)成多端直流系統(tǒng)、可向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)輸送的有功功率進(jìn)行快速、靈活控制的同時(shí)還能夠動(dòng)態(tài)補(bǔ)償交流母線的無(wú)功功率，穩(wěn)定交流母線電壓，抑制并網(wǎng)PCC點(diǎn)電壓波動(dòng)，非常適用于大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)。

2 VSC－HVDC的工作原理［1］

VSC－HVDC通過VSC（電壓源變換器）來(lái)實(shí)現(xiàn)，VSC－HVDC系統(tǒng)原理如圖1所示，兩側(cè)換流站采用電壓源型換流器，換流器由換流橋、換流電抗器、直流電容器和交流濾波器組成。換流橋每個(gè)橋臂均由多個(gè)IGBT串聯(lián)而成。換流電抗器是VSC與交流側(cè)能量交換的紐帶，同時(shí)起到濾除交流側(cè)電流諧波的作用。直流側(cè)并聯(lián)的電容器起到提供電壓支撐、緩沖橋臂關(guān)斷時(shí)的沖擊電流、減小直流側(cè)諧波的作用。換流器中IGBT上并聯(lián)反向二極管，除了作為主回路以外，還起到保護(hù)和續(xù)流的作用。換流器通常采用脈寬調(diào)制（PWM）控制技術(shù)。

設(shè)交流母線電壓基波分量為US，換流器輸出電壓基波分量為UC，UC滯后于US的角度為δ，換流電抗器L的等效電抗為X，如圖1所示。假設(shè)換流電抗器是無(wú)損耗的，忽略諧波分量時(shí)，換流器所吸收的有功功率P和無(wú)功功率Q分別為：

由式（1）可知，調(diào)節(jié)δ和UC即可實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率和無(wú)功功率大小以及傳輸方向的控制。當(dāng)VSC采用PWM技術(shù)進(jìn)行控制時(shí)，δ可以通過PWM的調(diào)制波相角進(jìn)行調(diào)節(jié)，而UC正比于直流線路電壓Ud和PWM的調(diào)制比M的乘積。因此，調(diào)節(jié)δ和M 即可實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率P和無(wú)功功率Q的控制。由于輕型直流輸電系統(tǒng)可以向交流系統(tǒng)返送無(wú)功功率，因此，當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，輕型直流輸電系統(tǒng)將有利于穩(wěn)定系統(tǒng)的電壓水平，改善交流系統(tǒng)電能的傳輸質(zhì)量［2，3］。

圖1 VSC－HVDC系統(tǒng)原理圖

3 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)引起的電壓波動(dòng)［4］

本文研究的典型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)如圖2所示。

圖中風(fēng)電場(chǎng)輸出功率為Pf和Qf，Pd1和Qd1為注入VSC－HVDC送端站功率，Pd2和Qd2為 VSC－HVDC受端站輸出功率，T1和T2是換相變壓器；Ps和Qs代表PCC注入交流系統(tǒng)功率，Zs代表交流輸電線路阻抗，us代表交流系統(tǒng)電壓。一般由于風(fēng)源的波動(dòng)性隨機(jī)性導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)輸出有功、無(wú)功功率波動(dòng)。如圖2所示，當(dāng)PCC點(diǎn)連接交流系統(tǒng)時(shí)，交流輸電線路上的電壓降為：

圖2 基于VSC－HVDC的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)

式中，upcc為PCC點(diǎn)電壓；Rs、Xs為交流系統(tǒng)輸電線路等效阻抗、電抗。

假設(shè)交流系統(tǒng)電壓us保持恒定，由上式可看出任何風(fēng)電場(chǎng)輸出功率Pf和Qf波動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致PCC點(diǎn)電壓波動(dòng)。當(dāng)PCC點(diǎn)連接VSC－HVDC系統(tǒng)時(shí)，由于送端站既可輸送有功功率又可輸送無(wú)功功率，則式（2）可寫為：

由于實(shí)際并網(wǎng)系統(tǒng)中Xs?Rs，則由有功潮流變化引起的電壓波動(dòng)可忽略不計(jì)，式（3）可簡(jiǎn)化為：

則根據(jù)Qf變化控制送端站無(wú)功Qd1就可以控制PCC點(diǎn)電壓的波動(dòng)，改善風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)性能。

4 工程實(shí)例

Tjaereborg示范工程：兩端換流站分別位于Tjaereborg與Enge，額定容量8 MVA/7.2 MW，直流電壓±9 kV，直流電流358 A，輸電距離4.4 km，建設(shè)目的是將位于西部Tjaereborg風(fēng)電站與交流主網(wǎng)相聯(lián)。該工程2000年6月投入運(yùn)行，目的是為了驗(yàn)證距陸地50 km，容量為100 MW的大容量海上風(fēng)力發(fā)電的輸電技術(shù)。Tjaereborg工程的建成和成功投運(yùn)，為解決風(fēng)力發(fā)電接入所導(dǎo)致無(wú)功功率和電壓穩(wěn)定問題提供了參考，也為各國(guó)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)提供了借鑒。

5 總 結(jié)

由以上分析可知VSC－HVDC在并網(wǎng)過程中能夠動(dòng)態(tài)補(bǔ)償交流母線的無(wú)功功率，穩(wěn)定交流母線電壓，抑制并網(wǎng)PCC點(diǎn)電壓波動(dòng)，非常適用于大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)，對(duì)實(shí)際工程并網(wǎng)有很好的借鑒意義。

［1］ 張重實(shí)，宋 穎.多端直流輸電系統(tǒng)的控制問題［J］.中國(guó)電力，1996，（7）：21－23.

［2］ 李庚銀，呂鵬飛，李廣凱，等.輕型高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展與展望［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27（4）：77－80.

［3］ 武 娟，任震，黃雯瑩，等.輕型直流輸電的運(yùn)行機(jī)理和特性分析［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，29（8）：41－40.

［4］ 劉 靜，韓民曉.輕型直流輸電建模及其在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用［D］.華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

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