專利名稱：一種將風電場和常規(guī)電廠聯(lián)合并網(wǎng)的多端直流輸電系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)輸配電技術領域，具體涉及風力發(fā)電經(jīng)大規(guī)模遠距離直流輸電并網(wǎng)的應用技術。
背景技術：
按照國家風電發(fā)展規(guī)劃，哈密、酒泉、河北、吉林、江蘇沿海、蒙東、蒙西七個千萬千瓦風電基地將于2020年建成，規(guī)劃到2015年建成5808萬千瓦，2020年建成9017萬千瓦， 占全國風電總裝機容量78%左右。由于風電總裝機容量龐大，各基地均被冠以“陸上三峽”稱號。但與總裝機容量不匹配的是，大部分風電基地位于我國西北地區(qū)，本地交流電網(wǎng)用電負荷低，自身消納能力弱，風能資源與負荷中心呈逆向分布，決定了大部分風力發(fā)電需要經(jīng)過大規(guī)模遠距離輸電使其在中東部負荷中心進行消納。特高壓直流輸電是實現(xiàn)大規(guī)模遠距離輸電的一種通用技術。風電場裝機容量較小時，風力發(fā)電一般通過交流并網(wǎng)方式直接接入本地交流電網(wǎng)。當風電場裝機容量達到數(shù)千萬千瓦時，由于風電場一般位于偏遠地區(qū)，本地交流電網(wǎng)網(wǎng)架薄弱，風電場經(jīng)交流并網(wǎng)會給本地交流電網(wǎng)帶來穩(wěn)定性問題，本地交流電網(wǎng)發(fā)生的擾動等也會影響風電場的穩(wěn)定運行。風力發(fā)電具有較強的波動性，而中東部負荷中心不可能接受波動的電力，為此，風力發(fā)電需要與火力發(fā)電，水力發(fā)電，抽水蓄能，儲能電廠等聯(lián)合從而為中東部負荷中心提供平穩(wěn)的電量。肖創(chuàng)英等人的“甘肅酒泉風電功率調(diào)節(jié)方式的研究”(中國電機工程學報，2010， 30(10)，1 7)提及了一種在甘肅酒泉地區(qū)配套建設火電機組，通過特高壓直流線路將風力發(fā)電與火力發(fā)電聯(lián)合輸送到中東部負荷中心的方案。其中配套火電機組的裝機容量為風力發(fā)電裝機容量的1. 6 2. 0倍。陳霞等人的“基于多端直流輸電的風電并網(wǎng)技術”(電工技術學報，2011，沈(7)) 提出了一種利用四端直流輸電系統(tǒng)將兩個跨區(qū)域的風電場輸送到兩個負荷中心的方案。具體系統(tǒng)為建立兩個整流站，整流站1和整流站2，兩個逆變站，逆變站1和逆變站2 ；整流站1和逆變站1，整流站1和整流站2，整流站2和逆變站2的直流母線分別通過一條直流輸電線聯(lián)接在一起；兩個跨區(qū)域的風電場分別接入至整流站1和整流站2的交流母線上，整流站1和整流站2同時分別與各自的本地交流電網(wǎng)聯(lián)接。US2010091527提供了一種利用電壓源型換流器從傳統(tǒng)兩端直流輸電中分接負荷的方案。該方案在傳統(tǒng)兩端直流輸電沿線上建立一個電壓源型環(huán)流器，利用電壓源型換流器從直流輸電線路上分接負荷。上述肖創(chuàng)英等人的方案由于需要配套建設1. 6 2倍風電裝機容量的火電機組， 其節(jié)能減排效果不容樂觀，是與發(fā)展風電所要達到的節(jié)能減排目標相背離的，同時該方案要求風電場附近具有建設大型火電機組的地理條件，而大部分陸上風電場位于缺水的偏遠
3地區(qū)，并不適合建設火電機組。陳霞等人的方案仍需要本地交流電網(wǎng)平抑風電功率波動，本質(zhì)上與風力發(fā)電經(jīng)本地交流電網(wǎng)沒有區(qū)別，風電場經(jīng)交流并網(wǎng)會給本地電網(wǎng)帶來穩(wěn)定性問題，本地電網(wǎng)發(fā)生的擾動等也會影響風電場的穩(wěn)定運行。US2010091527中的方案用于傳輸風力發(fā)電時，要求電壓源型換流器的耐壓等級與傳統(tǒng)兩端直流輸電線的電壓等級相匹配， 目前尚無達到此電壓等級的電壓源型換流器技術。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明所要解決的技術問題是在無需本地交流電網(wǎng)平抑風電功率波動的前提下，風電場為負荷中心提供大容量的平穩(wěn)電能。為解決上述現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明提供了一種將風電場和常規(guī)電廠聯(lián)合并網(wǎng)的多端直流輸電系統(tǒng)，該輸電系統(tǒng)中風電場直接聯(lián)接至整流站，無需本地交流電網(wǎng)平抑風電功率波動，與風電場聯(lián)合的常規(guī)發(fā)電廠地理位置無限制，可以是遠離風電場的已有常規(guī)電廠或在合適的位置新建的常規(guī)電廠。本發(fā)明解決其技術問題采用以下的技術方案一種將風電場和常規(guī)電廠聯(lián)合并網(wǎng)的多端直流輸電系統(tǒng)，包括兩個整流站，一個逆變站，其特征在于，所述風電場聯(lián)接至其中的第一整流站的交流母線側，所述常規(guī)電廠聯(lián)接至其中的第二整流站的交流母線側，所述逆變站聯(lián)接至負荷中心，且所述兩個整流站和逆變站對應的直流母線通過直流輸電線路聯(lián)接在一起，即構成多端直流輸電系統(tǒng)兩整流站和逆變站都采用技術成熟的電流源型換流技術，其額定電壓可達士800kV，額定功率可達6400MW，適合實現(xiàn)風力發(fā)電和常規(guī)電力的遠距離輸送。進一步地，可以采用多種方案為整流站1提供交流換相電壓，包括采用靜止同步補償器給第一整流站提供交流換相電壓，采用同步調(diào)相機給第一整流站提供交流換相電壓，或采用風電場附近的本地交流電網(wǎng)給第一整流站提供交流換相電壓。本發(fā)明還提出了上述多端直流輸電系統(tǒng)的啟動方法，具體包括1)通過第二整流站和逆變站按傳統(tǒng)兩端直流輸電的啟動方式建立起多端直流輸電系統(tǒng)的直流電壓；2)由靜止同步補償器，同步調(diào)相機或本地交流電網(wǎng)建立第一整流站交流換相電壓；3)風電場進行同期合閘操作；4)第一整流站解鎖，同時風電場有功功率按一定斜率上升至與當前風速對應的最大值；5)投入逆變站的定功率控制環(huán)，完成系統(tǒng)啟動。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的新穎性和創(chuàng)造性體現(xiàn)在1)與傳統(tǒng)兩端直流輸電相比，本系統(tǒng)多了一個整流站，可以將風電場和常規(guī)電廠分別接在兩個整流站上，實現(xiàn)風電場和常規(guī)電廠的聯(lián)合并網(wǎng)；2)第一整流站的交流換相電壓由靜止同步補償器提供，風電場不與其鄰近的交流電網(wǎng)聯(lián)接，風電場與送端交流電網(wǎng)之間沒有任何影響；幻與風電場經(jīng)基于電壓源換流器的高壓直流輸電并網(wǎng)技術相比，本發(fā)明以電流源型換流器傳輸有功功率，其電壓等級和功率等級可以做得很高；
本發(fā)明的有益效果主要是相比于傳統(tǒng)兩端直流輸電，本發(fā)明不需要在風電場附近建設配套的火電廠等常規(guī)電廠，對與風電場聯(lián)合的常規(guī)電廠的地理位置無任何要求，方便資源的優(yōu)化配置；相比于交流電網(wǎng)并網(wǎng)的方式，本發(fā)明不需要風電場附近的本地交流電網(wǎng)平抑風電功率波動，風電場不影響其本地交流電網(wǎng)的穩(wěn)定性；相比于風電場經(jīng)電壓源型直流輸電并網(wǎng)的方案，該方案可以采用目前技術成熟的特高壓換流技術，單回雙極線路輸電功率可達到6400MW，距離可達2000km及以上，電壓等級可達士800kV，而采用電壓源型換流器的直流輸電技術，截至 2010年，輸電功率最大的一個直流輸電工程，其功率為400麗，輸電距離970km，電壓等級為士200kV。采用本發(fā)明傳輸風力發(fā)電，現(xiàn)有電網(wǎng)的結構及運行方式基本無需做改變，本發(fā)明可作為繼傳輸遠距離常規(guī)大電源的兩端直流輸電后，一種專用于傳輸大規(guī)模風力發(fā)電的點對網(wǎng)基本送電方式。


圖1是采用靜止同步補償器給整流站1提供交流換相電壓的多端直流輸電系統(tǒng)系統(tǒng)；圖2是采用同步調(diào)相機給整流站1提供交流換相電壓的多端直流輸電系統(tǒng)系統(tǒng)；圖3是采用本地交流電網(wǎng)給整流站1提供交流換相電壓的多端直流輸電系統(tǒng)系統(tǒng)；圖4是方案1啟動時各物理量的波形；圖5是方案1風電功率波動時各物理量的波形。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明。見圖1，一種將風電場和常規(guī)電廠聯(lián)合并網(wǎng)的多端直流輸電系統(tǒng)共包括兩個整流站和一個逆變站。多個風電場通過各自的風電場內(nèi)輸電線路XI，升壓變壓器Tl和輸電線路X2聯(lián)接到整流站1的交流母線上，常規(guī)電廠聯(lián)接至整流站2的交流母線上，逆變站交流母線聯(lián)接至負荷中心，整流站1，整流站2和逆變站的正負直流母線對應地通過直流線路聯(lián)接在一起，構成一個多端直流輸電系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，聯(lián)接在整流站2上的常規(guī)電廠可以平抑風電場的功率波動，風電場與常規(guī)電廠聯(lián)合后可視為一個大的電源，為負荷中心提供平穩(wěn)電會旨。傳統(tǒng)的兩端直流輸電系統(tǒng)含雙極性接線，同極性接線和單極性接線等3種接線方式，類似地該多端直流輸電系統(tǒng)也含有雙極性接線，同極性接線和單極性接線等3種接線方式。圖1給出的是雙極性接線方式。整流站2的交流換相電壓由其所聯(lián)接的常規(guī)電廠提供，逆變站的交流換相電壓由負荷中心提供，整流站1的交流換相電壓則有多種提供方式，分別是方案一，通過靜止同步補償器提供；方案二，通過同步調(diào)相機提供和方案三，通過本地交流電網(wǎng)提供。利用靜止同步補償器給整流站1提供交流換相電壓時，風電場與其本地交流電網(wǎng)解耦，風電場的功率波動不會影響本地交流電網(wǎng)，本地交流電網(wǎng)發(fā)生的故障等擾動對風電場也無影響。
利用同步調(diào)相機給整流站1提供交流換相電壓接線如圖2所示，除整流站1交流換相電壓提供方式與方案一有區(qū)別外，該方案所包含的換流站及接線方式與方案一完全一致。與圖1類似，這種方案中，風電場也與其本地的交流電網(wǎng)解耦。利用本地交流電網(wǎng)給整流站1提供交流換相電壓接線如圖3所示，除整流站1交流換相電壓提供方式與方案一有區(qū)別外，該方案所包含的換流站及接線方式與方案一完全一致。為了減小風電場功率波動對本地交流電網(wǎng)的影響，可以使整流站實時跟蹤風電場輸出的有功功率，使得本地交流電網(wǎng)不參與平抑風電功率，僅利用本地交流電網(wǎng)給風電場提供交流換相電壓。采用以下操作啟動系統(tǒng)初始時，閉鎖整流站1，整流站2，逆變站1的觸發(fā)脈沖，風電場斷路器處于開斷狀態(tài)。某時刻下發(fā)啟動指令后，按以下時序啟動系統(tǒng)1)給定整流站2和逆變站的電流指令值為額定工況下整流站2的額定電流值，解鎖整流站2和逆變站的觸發(fā)脈沖，繼續(xù)閉鎖整流站1的觸發(fā)脈沖。整流站2和逆變站按照傳統(tǒng)兩端直流輸電的啟動過程建立起多端直流輸電的直流電壓；2)由靜止同步補償器，同步調(diào)相機或本地交流電網(wǎng)建立整流站1交流換相電壓；3)風電場檢測到整流站1的交流換相電壓幅值和頻率基本維持恒定后，進行同期合閘操作；4)風電場同期合閘成功后，風電功率指令值按一定的斜率上升至與當前風速對應的值，與此同時解鎖整流站1的觸發(fā)脈沖，逆變站的電流指令值對應地也按一定的斜率上升；5)經(jīng)過一段時間后，整流站1的直流功率達到與當前風速對應的最大風電功率值，投入逆變站的定功率控制環(huán)，完成系統(tǒng)啟動。為驗證本發(fā)明的正確性，利用國際通用直流輸電仿真軟件PSCAD/EMTDC搭建了與方案一對應的仿真算例進行仿真驗證。仿真算例中，整流站1，整流站2，靜止同步補償器的開關器件采用PSCAD/EMTDC標準模型庫中的詳細開關模型，為提高計算速度，多個風電場用一臺等容量的風力發(fā)電機組建模，但其變頻器仍采用詳細開關模型建模。由于仿真算例的一次設備模型全部都由標準模型庫中的詳細開關模型搭建，仿真實驗所得的結果是高度可信的。圖4和圖5給出了仿真實驗結果。圖4是多端直流輸電系統(tǒng)啟動時各物理量的波形；圖5是風電功率波動時各物理量的波形。為方便對比，直流電壓和直流功率都已標幺化，直流電壓的基準值為800kV，整流站1，整流站2，逆變站直流功率的基準值分別為 2000MW,1500MW和 3200MW。仿真實驗過程中，各主要操作時間節(jié)點為0. 04s 解鎖整流站2，逆變站0.4s，整流站1解鎖0.5s:風電場同期合閘0. 6s 1. 6s 風電場有功功率按一定斜率上升，逆變站電流指令斜率上升為1. 01. 7s 逆變站定功率控制投入運行3. 0 5. Os 風電場經(jīng)歷幅度為-2m/s，持續(xù)時間為2s的陣風擾動Os 0. 4s期間由整流站2和逆變站進行啟動操作建立多端直流輸電系統(tǒng)的直流電壓，由于整流站1處于閉鎖狀態(tài)，整流站1與整流站2的直流電壓完全相同，之后，整流站 1解鎖，由于直流線路電阻的存在，整流站1與整流站2間的直流電壓差值逐漸增大，最終維持穩(wěn)定值，如圖4(a)所示。Os 0. 期間，隨著啟動過程進行，整流站2和逆變站的直流功率逐漸上升，如圖4(b)所示，由于整流站2和逆變站直流功率基準值選取不同，圖4(b) 顯示兩者的直流功率標么值有較大差值，整流站2和逆變站的有名值是基本一致的。0. 4s 左右，多端直流輸電系統(tǒng)的直流電壓已達到額定值附近。0. 6s 1. 6s風電場有功率從零按一定斜率上升。如圖5 (b)所示，整流站1的直流功率按一定斜率上升，逆變站的直流功率也按一定斜率上升，在1. 7s逆變站的定功率控制環(huán)節(jié)投入運行后，逆變站直流功率維持1. 0標么，0. 6s 1. 6s期間，整流站2的直流功率基本不變。3.0 5. Os，風電場經(jīng)歷幅度為-2m/s，持續(xù)時間為k的陣風擾動。風電功率在風速擾動作用下先下降后上升，導致整流站1直流功率先下降后上升，為給負荷中心提供平穩(wěn)電力，整流站2的直流功率先上升后下降，與整流站1的功率變化方向相反，如圖 5 (a)-(c)所示。由仿真實驗結果可知，本發(fā)明所提系統(tǒng)能穩(wěn)定地啟動，風速擾動會引起風電功率的變化，進而導致整流站1功率發(fā)生變化，整流站2功率會隨著風電功率變化而變化，逆變站向負荷中心提供的功率不變。綜上可知，本發(fā)明可以將風力發(fā)電和常規(guī)電廠聯(lián)合，為負荷中心提供平穩(wěn)電力。以上列舉的僅是本發(fā)明的若干個具體實施實例，本發(fā)明不限于以上實施例，還可以有許多變形，本領域的普通技術人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導出或聯(lián)想到的所有變形，均應認為是本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種將風電場和常規(guī)電廠聯(lián)合并網(wǎng)的多端直流輸電系統(tǒng)，包括兩個整流站和一個逆變站，其特征在于，所述風電場聯(lián)接至其中的第一整流站的交流母線側，所述常規(guī)電廠聯(lián)接至其中的第二整流站的交流母線側，所述逆變站聯(lián)接至負荷中心，且所述兩個整流站和逆變站對應的直流母線通過直流輸電線路聯(lián)接在一起。
2.根據(jù)權利要求1所述的多端直流輸電系統(tǒng)，其特征在于，所述與風電場聯(lián)接的第一整流站與本地交流電網(wǎng)相連，由所述本地交流電網(wǎng)給該整流站提供交流換相電壓。
3.根據(jù)權利要求1所述的多端直流輸電系統(tǒng)，其特征在于，所述與風電場聯(lián)接的第一整流站上連接有靜止同步補償器，用于給該整流站提供交流換相電壓。
4.根據(jù)權利要求1所述的多端直流輸電系統(tǒng)，其特征在于，所述與風電場聯(lián)接的第一整流站上連接有同步調(diào)相機，用于給該整流站提供交流換相電壓。
5.根據(jù)權利要求1-4所述的多端直流輸電系統(tǒng)，其特征在于，所述兩個整流站和一個逆變站均采用電流源型換流器。
6.權利要求1-5之一所述的多端直流輸電系統(tǒng)啟動方法，具體包括如下步驟1)通過所述第二整流站和逆變站建立該多端直流輸電系統(tǒng)的直流電壓；2)由所述靜止同步補償器，同步調(diào)相機或本地交流電網(wǎng)建立所述第一整流站的交流換相電壓。3)風電場進行同期合閘操作；4)所述第一整流站解鎖，同時風電場有功功率按一定斜率上升至與當前風速對應的最大值；5)投入逆變站的定功率控制環(huán)，完成系統(tǒng)啟動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種將風電場和常規(guī)電廠聯(lián)合并網(wǎng)的多端直流輸電系統(tǒng)，包括兩個整流站和一個逆變站，所述風電場聯(lián)接至其中一個整流站的交流母線側，所述常規(guī)電廠聯(lián)接至另一個整流站的交流母線側，所述逆變站聯(lián)接至負荷中心，且所述兩個整流站和逆變站對應的直流母線通過直流輸電線路聯(lián)接在一起，即構成多端直流輸電系統(tǒng)。本發(fā)明不需要在風電場附近建設配套的常規(guī)電廠，對與風電場聯(lián)合的常規(guī)電廠的地理位置無任何要求；相比于交流電網(wǎng)并網(wǎng)的方式，本發(fā)明不需要風電場附近的本地交流電網(wǎng)平抑風電功率波動，相比于風電場經(jīng)電壓源型直流輸電并網(wǎng)的方案，可以采用目前技術成熟的特高壓換流技術，單回雙極線路輸電功率可達6400MW及以上。
文檔編號H02J3/36GK102427243SQ20111033512
公開日2012年4月25日 申請日期2011年10月28日 優(yōu)先權日2011年10月28日
發(fā)明者文勁宇, 林衛(wèi)星, 程時杰 申請人:華中科技大學