基于VSC-HVDC的清洁能源并网

白古月 高海生

（华东交通大学电气与电子工程学院，江西 南昌 330013）

基于VSC-HVDC的清洁能源并网

白古月 高海生

（华东交通大学电气与电子工程学院，江西 南昌 330013）

改变能源结构，推进清洁能源发展是世界各国的一致选择，但是使用清洁能源会将电网中的供电源变得多而分散，会导致电网电压水平变动、线路传输功率超出极限、系统短路容量增加和系统暂态稳定性改变等一系列问题。一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制技术为基础的新型输电技术（VSC—HVDC）出现发展，为清洁能源的并网提供了有力的技术支撑。提出基于VSC—HVDC的清洁能源并网拓扑结构以及控制目标是清洁能源并网的首要目标。

VSC—HVDC；清洁能源；风光互补发电；PWM

（一）引言

VSC—HVDC是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制技术为基础的新型输电技术，它既可以实现有功功率和无功功率的独立控制，又能向无源系统供电；在潮流反转时，直流电流方向反转而直流电压极性不变，利于构成既能方便地控制潮流又具有较高可靠性的并联多端直流系统。这些特点使得VSC—HVDC技术在清洁能源并网方面具有优越性。

（二）清洁能源概述

1.清洁能源定义

清洁能源（clearer energy）指在生产和使用过程、不产生有害物质排放的能源。可再生的、消耗后可得到恢复，或非再生的(如风能、水能、天然气等)及经洁净技术处理过的能源。

2.清洁能源以及其并网发展的分类概述

（1）风能发电

风能(wind energy)是由地球表面大量空气流动所产生的动能。由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，引起各地气压的差异，在水平方向高压空气向低压地区流动。风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累积小时数。风能密度是单位迎风面积可获得的风的功率，与风速的三次方和空气密度成正比关系。据估算，全世界的风能总量约1300亿千瓦，中国的风能总量约16亿千瓦。

风能作为一种无污染和可再生的清洁能源有着巨大的发展潜力。近年因给大发电公司规定了配额，风电获得迅猛发展，但长期以来，其发电并网难一直是掣肘清洁能源行业发展的拦路虎。近五年来，我国风电装机容量连续以每年超过100%的速度增长，发电侧风电装机容量指标早已提前完成，但是截至2009年，风电装机容量占电力总装机容量的1.85%，而上网风电却仅占总电量的 0.75%，这意味有 1.1%的风电运营后无法上网。

由于风能的不可控性，功率调节是风机的关键技术之一，变速恒频风力发电机组已成为兆瓦级风力发电机组的主流机型。由于风电机组特殊的稳态与暂态特性，在风电穿透功率较大的电网时,会对原有电网带来一定的冲击，包括电压的波动和闪变、接入点短路电流的改变，对频率的影响等；同时，也将改变原有电网的潮流分布、线路传输功率甚至整个系统的惯量，增大了电网控制的难度。

虽然2009年以来，对风电装备产能过剩、风电并网困难的批评不断，但是风电的发展并没有因为争议而延缓，到2009年底，中国风电装机容量已达到了约2500万千瓦，跃居全球第2，已连续4年翻番增长。由于风电场输出功率的随机性和间歇性，以及风电机组难以提供电压控制功能，风电场的并网技术一直是国内外风电界的一个重要研究课题。

（2）太阳能光伏发电

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。

光伏发电具有不受地域限制、不消耗燃料、规模灵活、无污染、廉价、人类能够自由利用等优点，而发展的主要制约因素是成本过高，是常规发电上网电价的10倍多。但随着太阳能光伏发电技术的发展以及成本下降和能源供给形势、价格形成机制的改变，太阳能光伏发电最终将会成为具有明显优势的发电技术。

光伏发电主要以独立或并入大电网两种方式运行。其中，并网运行通过并网逆变器接入光伏阵列模块和电网关键部件，控制光伏阵列模块运行于最大功率点，并向电网输入正弦电流。并网后，光伏电池能够始终运行在最大功率点处。然而，由于太阳能的随机性和间歇性，光伏发电并网有可能会引起系统电压和频率的偏差、电压波动和闪变以及孤岛效应检测盲区大等问题，从而影响到电网的电能质量和稳定，亟需电网发展过程中找出适当的控制手段加以实时控制和调度。

图1 光伏发电系统实例

（3）核能发电

核能发电是利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电，它与火力发电结构相似。只是以核反应堆及蒸汽发生器来代替火力发电的锅炉，以核裂变能代替矿物燃料的化学能。除沸水堆外（见轻水堆），其他类型的动力堆都是一回路的冷却剂通过堆心加热，在蒸汽发生器中将热量传给二回路或三回路的水，然后形成蒸汽推动汽轮发电机。沸水堆则是一回路的冷却剂通过堆心加热变成70个大气压左右的饱和蒸汽，经汽水分离并干燥后直接推动汽轮发电机。

世界上有比较丰富的核资源，核燃料有铀、钍、氘、锂硼等，世界上铀的储量约为417万吨。地球上可供开发的核燃料资源，可提供的能量是矿石燃料的十多万倍。核能具有许多的优点，如体积小而能量大，核能比化学能大几百万倍；并且和目前的传统发电成本比较，便宜许多；而且，由于核燃料的运输量小，所以核电站就可建在最需要的工业区附近；核能发电不会造成空气污染，属于清洁能源。然而，核电的调峰能力差，通常需要水电和火电的协调运行以控制出力。

目前，我国已建成并投入运行的核电机组共11台，总装机容量为 910万千瓦。核能应用可以作为缓和世界能源危机的一种有效的经济措施。

（4）水力发电

水能是可再生的清洁能源,在我国储量丰富。水力发电系统利用河流、湖泊等位于高处具有位能的水流至低处，将其中所含之位能转换成水轮机之动能，再藉水轮机为原动力，推动发电机产生电能。水电机组具有响应灵活、启动速度快、可调节范围广、跟踪负荷变化能力强的优点。但由于大型水电站会影响周边生态环境平衡，近年来小水电成为了水电技术的主要发展方向。

我国现存的小水电站多为径流式水电站，此种水电站按照河道多年的平均流量及可能获得的水头进行装机容量选择。全年不能满负荷运行，一般仅达到 180天左右的正常运行；枯水期发电量急剧下降，小于50%，有时甚至发不出电，受河道天然流量的制约，而丰水期又有大量的弃水。因此，小水电发电负荷的不确定性较强，表现出的规律性往往并不理想，并且调节能力较差，亟需研究预测模型的方法以提高发电负荷预测的准确性。

（5）其他清洁能源发电

其他清洁能源发电技术包括燃料电池发电、生物质能发电、海洋能发电和地热发电等。

3.我国清洁能源发展现状

我国太阳能光伏发电、风能发电、核电发展迅猛。截止到2009年12月31日，我国（不含台湾省）风机总装机容量达到25805.3MW，兆瓦级风电机组成为我国风电装机的主流产品，占2009年新装风机组容量的86.8%。在太阳能利用方面，西北部地区建设了大规模的太阳能光伏发电基地。2009年 4月，13家太阳能光伏企业共同签署了《洛阳宣言》，明确了在2012年实现光伏发电上网电价1元/(kW·h)的目标。另外，我国核电开发和水电开发也将继续加快。在核电发展方面，目前我国建成和在建的核电站总装机容量达到910万kW，已核准10个核电项目，核电机组达28台，其中已开工建设的有20台机组。到2010年为止，我国水电总装机容量达到2亿千瓦，位居世界第一。

（三）VSC-HVDC技术概述

加拿大McGill大学的Boon-Teck Ooi等人于1990年首次提出 VSC—HVDC（Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current Transmission System，VSC—HVDC）技术以来，由于其独特的技术优势吸引了众多学者和工程人员的关注。VSC—HVDC是以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制技术为基础的新型输电技术，它既可以实现有功和无功功率的独立控制，又能向无源系统供电；在潮流反转时，直流电流方向反转而直流电压极性不变，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。

VSC—HVDC系统由立即导通和立即关断的控制阀构成，即绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)技术，通过对控制阀的开关，实现对交流侧电压幅值和相角的控制，从而独立控制有功功率和无功功率，而且换流站不需要无功补偿，也不存在换相失败等问题，这些特点使得 VSC—HVDC技术在连接清洁能源发电并网方面具有很大的优越性。

1.VSC—HVDC的结构和基本原理

与基于电网换相技术的电流源换流器型直流输电（LCC—HVDC）不同，电压源换流器型直流输电(VSC—HVDC)是一种以可控关断器件和脉宽调制(PWM)技术为基础的新型直流输电技术。VSC—HVDC能够瞬时实现有功功率和无功功率的独立解耦控制、能向无源网络供电、换流站间无需通讯、且易于构成多端直流系统。另外，该输电技术能同时向系统提供有功功率和无功功率的紧急支援，在提高系统的稳定性和输电能力等方面具有优势。

（1）系统结构

图3 典型电压源换流器拓扑结构

图2 VSC—HVDC结构原理图

VSC-HVDC结构原理见图2，两端换流站均为VSC结构，它由全控型器件构成的换流器、换流变压器、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器等组成。图 3为典型电压源换流器的拓扑结构。

电压源换流器(VSC)是整个系统中的关键性器件，其桥臂由大功率可控关断型器件IGBT、IGCT和反并联的二极管组成。换流器的拓扑结构为二电平和三电平 2种，开关模式为正弦脉宽调制（PWM）和优化脉宽调制等。变压器T可采用常规的单相或三相变压器，为了使换流器能够达到最大的有功功率和无功功率，变压器的二次侧绕组带有分接头开关，通过调节分接头来调节二次侧的基准，进而获得最大的有功和无功输送能力。在 VSC中，对应的每一相分别安装一个换流电抗器L，换流电抗器是VSC与交流系统之间传输功率的纽带，决定有功功率与无功功率的控制性能；换流电抗器能抑制换流器输出电流和电压中的开关频率谐波量，以获得期望的基波电流和基波电压；另外，换流电抗器还能抑制短路电流。直流侧电容器C是VSC的直流侧的储能元件，它可以缓冲桥臂开断的冲击电流、减小直流侧的电压谐波，并为受端站提供电压支撑同时，直流侧电容器的大小决定其抑制直流电压波动的能力，也影响控制器的响应性能。系统中，适量的交流滤波器(接地或不接地)安装在换流母线处，使系统的谐波畸变率达到相关的谐波标准。

（2）工作原理

VSC—HVDC采用可控关断器件IGBT（或IGCT）和PWM技术，由调制波与三角载波比较产生的触发脉冲使上下桥臂高频开通和关断，桥臂中点电压 Uc在 2个固定直流电压±Ud之间快速切换，Uc再经过电抗器滤波后成为网侧的交流电压Us。进一步分析可知，假设换流电抗器无损耗且忽略谐波分量时，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：

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；δ为Uc和Us之间的相角差；X1为换流电抗器的电抗。有功功率的传输主要取决于δ，无功功率的传输主要取决于Uc。因此通过对δ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发出或者吸收的无功功率。从系统角度来看，VSC可视为一无转动惯量的电动机或发电机，几乎可以瞬时实现有功功率和无功功率的独立调节，实现4象限运行。

2.VSC—HVDC的工程应用研究

受电力行业特殊性的限制，VSC—HVDC的研究相对滞后，最早的实验性工程是瑞典的Hellsjon工程，于1997年3月10日投运，目前在运行以及即将投运的VSC—HVDC工程均为ABB公司设计。

（1）Gotland工程

Gotland工程位于瑞典的哥特兰岛，1999年12月投运，是世界上第一个商业运行的VSC—HVDC工程。

Gotland工程的额定电压为±80kV；受端额定容量为50MW；换流器使用2.5kV/700A的IGBT，容量为65MVA；使用40次高通（8MVA）交流滤波器一组；在无功补偿方面，采用对VSC的控制，补偿异步风力发电机和负载消耗的无功功率。

（2）Directlink工程

该工程位于澳大利亚，用于将昆士兰和新南威尔士州两个非同步交流电网连接在一起。工程的额定电压为±80kV；换流器使用2.5kV/500A的IGBT，容量为65MVA；使用39次和78次交流滤波器各一组；且该工程为3套同规格（±80kV、60MW）的设备并列运行。Directlink工程全部利用以往的交流线路作为其支流输电线路，节约了输电走廊，并减小了对环境的影响。系统总的输电容量达到了180MW。

（3）Tjaereborg工程

Tjaereborg工程位于丹麦西部，将海上风力发电接入到交流系统。该工程验证了距离陆地50km容量为100MW的大容量海上风机接入电网的输电技术。

图4 Tjaereborg工程主回路结构

系统为交直流混合结构，如图3所示，共有3种运行方式，分别为：交流输电，直流输电和交直流混合输电。为了使风机的运行效率最高，发电系统需要运行在32~52Hz之间，会严重影响交流系统。采用VSC-HVDC系统送电达到了与交流系统隔离并且维持交流系统电能质量的要求。

（4）Eagle Pass工程

为了解决电压稳定问题，保证美国和墨西哥之间的电力供应连续，在美国西部和墨西哥交界的美国一侧建立了采用背靠背方式的Eagle Pass工程。该工程在138KV的输电线路上装设了额定功率为36MW、BTB方式的VSC-HVDC系统。除了用作BTB的运行方式，还可以作为2台36MW的STATCOM投入到美国侧或者墨西哥侧运行。该工程还可以用于黑启动及向无源系统输送功率，也可实现在单独给负荷供电的同时与主网的并网。

一些用于风电联网和直流背靠背的商业化运行工程从投运到现在运行良好，产生了巨大的经济与环保效益。可看出VSC-HVDC系统可为清洁能源供电、并网提供提供动态无功补偿，且可通过频率控制实现最大能源效率捕获。非常适用于低功耗长距离输电，有利于清洁能源并网发展。

（四）清洁能源并网结构拓扑

到目前为止，建成的直流输电都是双端供电系统，但是与传统直流输电不同，VSC-HVDC可以给无源系统直接供电，潮流反转时电流方向反转，电压极性不变。因此，它适合构成具备较高可靠性的并联多端直流系统，极大地便利于分布式的清洁能源并网。

1.多端VSC直流系统结构

图5 多端VSC-HVDC系统

该系统包括 4个电压源换流站；主导站，工作在直流电压模式下，交流侧与大电网电网相连；其余三个工作在功率模式下，交流侧与无穷大电源相连；换流站工作在交流电压模式下，交流侧与清洁能源供电源连接。在多端直流输电系统中，各换流站之间有必要进行功率的协调配合，以防止个别换流站过载(特别是主导站)。

2.风光互补发电系统的并网结构

太阳能与风能在时间和地域上具有很强的互补性，风光互补混合供电系统是可再生能源独立供电系统的一种重要形式。采用基于多端 VSC的直流输电系统，能够实现风光互补发电系统的电压优化控制，保证发电厂电压的稳定与安全，使电网运行可靠平稳。

图6 基于VSC-HVDC的风光互补发电系统

（五）VSC-HVDC并网系统的控制目标

有功功率的输出由清洁能源的发电量决定，随着随着发电量的的变化而波动，不考虑功率的损耗，VSC-HVDC系统应同步的将电场发出的有功功率传送到电网，实现有功功率的平衡。同时，由于 VSC的有功无功独立调节能力，可以为电场的无功损耗提供支持。因此VSC-HVDC的任务是瞬时地将电场发出的功率传输出去，并保证风电场母线电压的稳定。而电场侧换流站的控制目标是定交流电压和定交流侧有功功率；电网侧换流站的控制目标为定直流电压和定无功功率。

（六）结语

积极地发展清洁能源是解决能源危机的主要途径，对彻底解决我国能源紧缺、环境污染和气候变化等问题具有重要的战略意义。应用基于 VSC的高压直流输电技术将传统的电网设计的运行模式由“单点供电，多点用电”改变为增加电网中的供电源（风力发电、光伏发电等清洁能源供电），可以极大地提高清洁能源的供电效率。VSC—HVDC的换流技术在我国目前正处于起步阶段，应引起电力工业和学术领域的充分重视。

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TM72

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1008-1151(2011)06-0024-04

2011-04-26

白古月（1984－），女，华东交通大学电气与电子工程学院硕士研究生，研究方向为基于电压源换流器的直流输电技术。