1、朱永强朱永强 风电场电气工程风电场电气工程 华北电力大学华北电力大学 风电场电气工程风电场电气工程 风电场电气一次系统风电场电气一次系统 风电场电气工程风电场电气工程 风电场的直流输电与风电场的直流输电与功率控制技术功率控制技术 第六章风电场的直流输电与功率控制技术第六章风电场的直流输电与功率控制技术 章节设置：章节设置：6.1 6.1 直流输电技术在风电场并网中的应用直流输电技术在风电场并网中的应用 6.2 6.2 风电场的无功电压控制风电场的无功电压控制 6.3 6.3 风电场低电压穿越能力风电场低电压穿越能力 6.4 6.4 风电场的频率特性与有功频率控制风电场的频率特性与有功频率控制
2、风电场电气工程风电场电气工程 风电场电气一次系统风电场电气一次系统 风电场电气工程风电场电气工程 风电场的直流输电与风电场的直流输电与功率控制技术功率控制技术 教学目标：教学目标：理解柔性直流输电技术及其在风电场中的应用，掌握风电理解柔性直流输电技术及其在风电场中的应用，掌握风电场中无功和电压控制的要求和方法，理解风电场低电压穿场中无功和电压控制的要求和方法，理解风电场低电压穿越的概念和意义，并了解有关的技术规定，对双馈式感应越的概念和意义，并了解有关的技术规定，对双馈式感应风电机组的低电压穿越技术有所认识，掌握风电机组的有风电机组的低电压穿越技术有所认识，掌握风电机组的有功和频率特性，理解风
3、电场的有功功率控制策略。功和频率特性，理解风电场的有功功率控制策略。第六章风电场的直流输电与功率控制技术第六章风电场的直流输电与功率控制技术 风电场电气工程风电场电气工程 风电场电气一次系统风电场电气一次系统 风电场电气工程风电场电气工程 风电场的直流输电与风电场的直流输电与功率控制技术功率控制技术 知识点分布：知识点分布：柔性直流输电技术及其在风电场中的应用；柔性直流输电技术及其在风电场中的应用；风电场无功、电压控制的要求和原则；风电场无功、电压控制的要求和原则；风电场无功、电压控制技术；风电场无功、电压控制技术；风电场低电压穿越的概念、意义；风电场低电压穿越的概念、意义；双馈式感应风电机组
4、的低电压穿越技术；双馈式感应风电机组的低电压穿越技术；风电机组的有功和频率特性；风电机组的有功和频率特性；风电场的有功功率控制策略风电场的有功功率控制策略 第六章风电场的直流输电与功率控制技术第六章风电场的直流输电与功率控制技术 风电场电气工程风电场电气工程 风电场电气一次系统风电场电气一次系统 风电场电气工程风电场电气工程 风电场的直流输电与风电场的直流输电与功率控制技术功率控制技术 6.1 6.1 直流输电技术在风电场并网中的应用直流输电技术在风电场并网中的应用 6.1.1 6.1.1 直流输电概述直流输电概述 6.1.2 6.1.2 基于基于VSCVSC的柔性直流输电技术的柔性直流输电技
5、术 6.1.3 6.1.3 风电场经风电场经VSCVSC-HVDCHVDC并网的工程应用并网的工程应用 风电场电气工程风电场电气工程 风电场电气一次系统风电场电气一次系统 风电场电气工程风电场电气工程 风电场的直流输电与风电场的直流输电与功率控制技术功率控制技术 6.1.1 6.1.1 直流输电概述直流输电概述 6.1.1.1 6.1.1.1 直流输电的概念及应用直流输电的概念及应用 高压直流（高压直流（High Voltage Direct Current,HVDCHigh Voltage Direct Current,HVDC），），必必须将送端的须将送端的交流电变换为直流电交流电变换为直
6、流电（称为整流），而到受端称为整流），而到受端又必须将又必须将直流电变换为交流电直流电变换为交流电（称为逆变）。这两种电力（称为逆变）。这两种电力变换统称为换流，需要有变换统称为换流，需要有高电压、大容量高电压、大容量的换流设备。的换流设备。直流输电系统结构可分为直流输电系统结构可分为两端直流输电系统两端直流输电系统和和多端直流输多端直流输电系统电系统两大类。两大类。两端直流输电系统是与交流系统只有两个连接端口两端直流输电系统是与交流系统只有两个连接端口 多端直流输电系统与交流系统有三个或三个以上连接端口多端直流输电系统与交流系统有三个或三个以上连接端口 风电场电气工程风电场电气工程 风电场电
7、气一次系统风电场电气一次系统 风电场电气工程风电场电气工程 风电场的直流输电与风电场的直流输电与功率控制技术功率控制技术 6.1.1.1 直流输电的概念及应用直流输电的概念及应用 III1dV2dV换流站换流站线路线路dI1ZH2ZH换流站换流站交流系统交流系统I交流系统交流系统II两个换流站的直流侧分别接在直流线路的两端，换流站两个换流站的直流侧分别接在直流线路的两端，换流站装有换流器和谐波滤波器，实现交流电和直流电之间的装有换流器和谐波滤波器，实现交流电和直流电之间的变换。换流器由一个或多个采用三相桥式换流电路的换变换。换流器由一个或多个采用三相桥式换流电路的换流桥串联（或并联）组成流桥串
8、联（或并联）组成 风电场电气工程风电场电气工程 风电场电气一次系统风电场电气一次系统 风电场电气工程风电场电气工程 风电场的直流输电与风电场的直流输电与功率控制技术功率控制技术 6.1.1.1 直流输电的概念及应用直流输电的概念及应用 HVDC在在远距离大功率输电、海底电缆送电、不同额定频率远距离大功率输电、海底电缆送电、不同额定频率或相同额定频率交流系统的互联或相同额定频率交流系统的互联等场合得到了广泛应用。这等场合得到了广泛应用。这主要是由于：主要是由于：（1）直流输电两端的交流系统经过整流和逆变的隔离，无）直流输电两端的交流系统经过整流和逆变的隔离，无需同步运行，其输送容量和输电距离将不
9、受电力系统同步运需同步运行，其输送容量和输电距离将不受电力系统同步运行稳定性的限制。行稳定性的限制。（2）直流输电可以实现不同频率、不同电压等级、非同步）直流输电可以实现不同频率、不同电压等级、非同步运行的电网间互联；并且不会增大所联交流电网的短路容量，运行的电网间互联；并且不会增大所联交流电网的短路容量，即不增大断路器遮断容量。即不增大断路器遮断容量。（3）直流输电对输送的有功和无功功率可快速方便地进行）直流输电对输送的有功和无功功率可快速方便地进行控制（毫秒级），对交流系统的有功和无功平衡起快速调节控制（毫秒级），对交流系统的有功和无功平衡起快速调节作用，从而提高交流系统频率和电压的稳定性
10、。作用，从而提高交流系统频率和电压的稳定性。风电场电气工程风电场电气工程 风电场电气一次系统风电场电气一次系统 风电场电气工程风电场电气工程 风电场的直流输电与风电场的直流输电与功率控制技术功率控制技术 6.1.1.2 直流输电与交流输电的比较直流输电与交流输电的比较 直流线路只需正负两极导线，杆塔结构简单、线路造价低、损直流线路只需正负两极导线，杆塔结构简单、线路造价低、损耗小，在其线路走廊、铁塔高度、占地面积等方面，也比交流耗小，在其线路走廊、铁塔高度、占地面积等方面，也比交流输电优越输电优越 如果如果线路建造费用相同线路建造费用相同时，直流输电所能时，直流输电所能输送的功率输送的功率约为
11、交流约为交流输电功率的输电功率的1.5倍倍 在在输送功率相同输送功率相同的条件下，直流线路的条件下，直流线路导线电阻的功率损耗导线电阻的功率损耗比交比交流线路的流线路的少少1/3。直流线路没有感抗和容抗，在线路上也就直流线路没有感抗和容抗，在线路上也就没有无功损耗没有无功损耗 风电场电气工程风电场电气工程 风电场电气一次系统风电场电气一次系统 风电场电气工程风电场电气工程 风电场的直流输电与风电场的直流输电与功率控制技术功率控制技术 6.1.1.2 直流输电与交流输电的比较直流输电与交流输电的比较 电缆绝缘在直流和交流电压作用下的电缆绝缘在直流和交流电压作用下的电位分布、电场强度电位分布、电场
12、强度和击穿强度和击穿强度都不相同（海上风电场必须用海底电缆线路长都不相同（海上风电场必须用海底电缆线路长距离输电的情况下，采用直流电缆在投资上比采用交流电距离输电的情况下，采用直流电缆在投资上比采用交流电缆经济得多）缆经济得多）交流交流电缆线路的对地电容比架空线大电缆线路的对地电容比架空线大得多，由此所引起的得多，由此所引起的交流线路交流线路电容电流很大电容电流很大，而直流电缆，而直流电缆不存在电容电流不存在电容电流，其，其输电距离将不受限制，输电距离将不受限制，有利于进行远距离送电有利于进行远距离送电。直流输电系统两端的换流站设备比交流输电系统中的直流输电系统两端的换流站设备比交流输电系统中
13、的变电变电站复杂站复杂，传统直流输电使用晶闸管换流器，在进行换流时，传统直流输电使用晶闸管换流器，在进行换流时要消耗大量的无功功率，每个换流站需装设无功补偿设备要消耗大量的无功功率，每个换流站需装设无功补偿设备 风电场电气工程风电场电气工程 风电场电气一次系统风电场电气一次系统 风电场电气工程风电场电气工程 风电场的直流输电与风电场的直流输电与功率控制技术功率控制技术 6.1.1.2 直流输电与交流输电的比较直流输电与交流输电的比较 AC电缆线路DC电缆线路AC架空线路DC架空线路等价距离等价距离换流站费用变电站费用K（费用）l（距离）直流输电和交流输电相比，换流站的投资比变电站的投资高，直流
14、输电和交流输电相比，换流站的投资比变电站的投资高，而直流输电线路的投资比交流输电线路的投资低而直流输电线路的投资比交流输电线路的投资低 交直流输电的线路和两端设备的总费用相等，这个输电距离交直流输电的线路和两端设备的总费用相等，这个输电距离称之为交、直流输电的称之为交、直流输电的等价距离等价距离 输电距离大于等价距离输电距离大于等价距离时，采用直流输电比采时，采用直流输电比采用交流输电经济用交流输电经济;反之反之则采用交流输电比较经则采用交流输电比较经济济 风电场电气工程风电场电气工程 风电场电气一次系统风电场电气一次系统 风电场电气工程风电场电气工程 风电场的直流输电与风电场的直流输电与功率
15、控制技术功率控制技术 6.1.2.1 VSC-HVDC的概念的概念 传统直流输电技术传统直流输电技术换流器采用的是半控型器件换流器采用的是半控型器件晶闸管晶闸管因而存在因而存在一些一些固有缺陷固有缺陷：要吸收大量的无功功率，需要大量的无功补偿：要吸收大量的无功功率，需要大量的无功补偿装置及滤波设备，不能向无源网络输送电能。装置及滤波设备，不能向无源网络输送电能。全控型器件全控型器件开关频率高，损耗小，关断由门极触发脉冲控制，开关频率高，损耗小，关断由门极触发脉冲控制，换流站可以进行自换相，运行不需要借助外部电压源；换流站可以进行自换相，运行不需要借助外部电压源；VSC结结合脉宽调制技术（合脉宽
16、调制技术（PWM），两侧交流电网的无功潮流可以独立），两侧交流电网的无功潮流可以独立控制，不需要无功补偿设备；且有功功率控制和无功功率的控控制，不需要无功补偿设备；且有功功率控制和无功功率的控制相互独立，这就是制相互独立，这就是基于电压源换流器（基于电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）的高压直流（简称）的高压直流（简称VSC-HVDC）输电技术）输电技术。这种换流器的这种换流器的功能强、体积小、可减少换流站的设备、简化换功能强、体积小、可减少换流站的设备、简化换流站的结构流站的结构，也称其为柔性直流输电（，也称其为柔性直流输电（HVDC Flexible）或轻）或轻型直流输电（型直流输电（HVDC Light）。）。风电场电气工程风电场电气工程 风电场电气一次系统风电场电气一次系统 风电场电气工程风电场电气工程 风电场的直流输电与风电场的直流输电与功率控制技术功率控制技术 6.1.2.2 VSC-HVDC的基本原理的基本原理 每侧的电压源换流站主要包括：每侧的电压源换流站主要包括：全控换流桥、换流变压器全控换流桥、换流变压器（有时可以由电抗器取代）、