基于轻型直流输电系统的分布式发电结构讨论

张承宇 朱宜飞 张敏

1. 温州燃机发电有限公司，浙江 温州 325000

2. 长江勘测规划设计研究院新能源公司，湖北 武汉 430010

3. 温州电力局，浙江 温州 325000

基于轻型直流输电系统的分布式发电结构讨论

张承宇1朱宜飞2张敏3

1. 温州燃机发电有限公司，浙江 温州 325000

2. 长江勘测规划设计研究院新能源公司，湖北 武汉 430010

3. 温州电力局，浙江 温州 325000

以舟山群岛的新能源分布为背景，提出了以轻型直流系统为传输载体，讨论了包括风电、潮流能、太阳能以及燃料电池等各种形式的分布式发电能源的构架模式，以及为了稳定该直流输电系统的直流电压而配备的能量储存装置。整个系统构成后通过轻型直流输电电缆以及直流/交流转换器与交流电网相联接。

新能源；分布式发电；直流输电；直流/交流转换器

引言

随着舟山以风电为主的各种新能源项目不断投运和新建，新能源装机容量占当地电力容量比例逐渐加大，若不配置合理的输电方式，将会影响到局部电网的稳定，从而最终影响新能源产业的建设。本文以舟山为新能源发展为背景，提出了以轻型直流系统为传输载体，讨论了包括风电、潮流能、太阳能以及燃料电池等各种形式的分布式发电能源的构架模式，以及为了稳定该直流输电系统的直流电压而配备的能量储存装置。整个系统构成后通过轻型直流输电(HVDC Light)电缆以及直流/交流(DC/AC)转换器与交流电网相联接。

1 新能源发电及其特点

1.1 舟山群岛新能源分布

新能源又称可再生能源，是指传统能源（煤、石油、天然气、核电以及水电）之外的各种能源形式，主要包括了风能、太阳能、生物质能、地热能、核聚变、海洋能以及可再生能源衍生出来的生物燃料和氢所产生的能量。在舟山地区其新能源产业主要涉及风电、太阳能、潮流能等。

风电资源：舟山群岛处于东南沿海风能丰富地带，拥有丰富的风能资源。当风电场风电机组平均年利用小时数达到2500h，风电场具有良好的开发价值；当风电机组平均年利用小时数超过3000h，为优秀风电场。如岱山县，大风日数全年平均为118天，最大年出现200多天，年均有效风时7500h～8000h。嵊泗县年均风速为7.1米/秒，有效风速时数每年达6214h。其次舟山浅海区域面积广，可开发区域大。据国家气象局研究院研究资料显示，在浅海区域可以建造1000千瓦以上的大型风力发电机组，发电成本比岛上机组平均低30%～50%左右。舟山海域面积2.08万平方公里，其中水深2～15m的近海海域面积很大，初步估计在1000平方公里以上。在岱山、嵊泗近海海域中，适宜建造风力发电场的面积就超过200平方公里。可开发的地域有：长涂岛、长白岛、定海岑港和小沙镇、虾峙岛、衢山岛、嵊泗等，从舟山自然条件来看，十分适宜建造大规模、高密度的浅海风力发电场。

太阳能资源：中国太阳能资源分布统计分析，浙江省大部分地区日照属四类地区，舟山地区太阳能资源在全省属较高水平，全年日照时数为1400h～2200h。在每平方米面积上一年内接受的太阳辐射总量为4190MJ～5016 MJ。有一定的太阳能开发价值。

潮流能资源：舟山群岛不但拥有丰富的风能，在星罗棋布的群岛中，峡谷众多、水深流急，潮流能蕴藏量更是惊人。舟山潮流能具有相当大的开发潜力，有专家估计可开发资源占据全国潮流能资源的50%以上。根据资源分析，其资源规模达到2400万千瓦。

2 分布式发电的特点

本文所探讨的分布式发电，主要是指风电、太阳能、潮流能等新型环保、非化石能源发电的分布式发电能源。以风电为例，由于风速在自然界是随机性的，风电机组出力与风速三次方成正比，因此机组的出力也将随机的波动，虽然由多台风机组成一个风电场，其总出力由此得到一定的平滑，但是整体出力的波动仍然十分剧烈。随着大量风电场的商业投运，这些严重问题更加突出，其主要造成的原因有三方面：

首先，分布式发电传输模式区别于传统的电力输送模式，传统的电力输送模式是将电力能源从发电侧传递到负载侧，为了更好的提供电能必要的冗余是非常重要的，通过建立一个电力传输网络，将能源单向性的进行输送。但是对于分布式发电而言情况就有所不同，它的能量传输并不是一直单向性的，有时需要能量的输入，并且很少具有冗余设计。

其次，分布式发电的运营模式区别于传统的交流电力网络，分布式发电的接入和运行有着各自的特点，对分布式发电的控制十分困难，例如风电、太阳能都受到风力和光能的制约，并且这些是无法控制和随机的。分布式发电设备均基于自身的运行而非根据电网系统的需求而行控制的。若直接接入交流电网将使得电网的供需平衡变得更加复杂。

最后，分布式发电的传输线路和交流传输线路的线路电气参数特征也有着不同的特点。传统高压线路或者城市的传输线路的阻抗比较小。通常高压线路的阻抗比R/ X＜0.2，电抗对于压降和线损方面是一个非常重要的电气参数。但是分布式发电的线路电阻大于或至少接近于线路电抗。若直接将分布式发电接入交流电网，由于阻抗的特征不同，可能会影响到负荷侧的电压稳定水平。

这些区别和问题都很难通过单一分布式发电厂改善或增加蓄能装置而进行克服的，因此需要引入新的概念采用新的模式去解决这些矛盾和困难。

3 多渠道集成式传输模式的构成方式

通过单一分布式发电形式的解决是比较困难的，但是可以将各种分布式发电模式重新整合，形成多渠道集成式的传输模式后，可能可以解决以上这些问题。

图1 多渠道集成式传输模式

根据图1所示，这个系统中，有两种不同的模式分布式发电设备接入到直流交换系统中，一种是交流发电的分布式发电装置，如潮汐发电和风力发电，以风力发电为例，它是通过了AC/DC PWM VSC技术接入到直流交换系统中；一种是直流形式的分布式发电装置，如太阳能发电和燃料电池发电经过DC/DC转换器接入直流交换系统中。为了保持交流系统的电压稳定，设置了储能装置。最终通过整合多渠道集成式的各个发电装置和储能装置，形成一个统一的直流电能供应设备。

这种多渠道集成式供电模式并不是替代原来应用于其他场合的交流系统和分布式系统，它的目的是为了解决由于先天性的分布式发电装置缺陷，通过这种模式能更好的改善这个集合后的分布式发电设备的稳定性和鲁棒特性。

4 多渠道集成式传输模式的构造中需要注意问题

为了更好的以及合理的建立多渠道集成式传输模式需要考虑直流电压等级选择、输入源和变换器的选择以及系统运行设计等三个方面。

4.1 直流电压等级的选择

直流电压等级的选择是这个系统建立的一个关键因素。它的选择主要是受以下两个方面所决定。

直流网络的电源分布范围。在不超过允许的压降范围，为了传送所需功率就要足够大的导线截面。最小截面积S计算公式如下：

其中：ρ (单位：Ωmm2/m)为电阻系数；2l (单位：m)为两点之间长度的2倍；P (单位：W)为传输功率；Δu（单位：V）为最大允许压降；V（单位：V）为电源电压。根据以上公式，横截面积与电源电压的平方成反比。根据文献介绍[1]，在正常电压230V的前提下，要实现距离至少为5400m的经济传输，至少直流电压为400V。因此DC400V为这个直流交换系统的最低电压。绝缘和防触电保护。考虑到直流交换系统的安全运行，低电压是一个较好的选择。并且低电压能以较为低成本的实现DC/DC转换器的应用。参考根据文献介绍[1]的电压等级的定义（表1），区间1的电压等级对于电力传输而言太低了，因此考虑选择区间2的电压等级。

表1 交流和直流的不同区间的电压等级定义

通过以上比较分析，考虑到转换器的成本和传输距离两者的关系，建议将直流交换系统的电压设置在400V～1000V之间的选择较为实际，可以兼顾两者的关系。

4.2 输入源和变换器的选择

根据图1所示，这个系统中有着不同种类的输入源，每种不同模式的输入源对应了不同模式的转换器。以下将对这几种不同的转换器进行介绍和分析。

DC/DC模式的交换器：这种模式的交换器主要是指一次侧产生的电能直接是直流电流的设备。本文主要涉及太阳能发电和燃料电池发电，以太阳能发电为例，太阳能发电的一次侧输出直流电压是随着太阳能的辐射强度和温度所影响的，因此它的一次侧的电压是一个不稳定的电压值，若经过固定比例的压比后，必然会与直流交换系统的电压之间有所差值，会出现或高过低于直流交换系统的电压，这样有可能将影响到整个直流交换系统的电压稳定，因此理想DC/DC交换器需选用升降压（Buck-Boost）转换器。

AC/DC转换器：在图1中这种转换器主要是指风力和潮流能发电，其中潮流能的发电原理与风力发电原理较为相似。由于风电的特性，若将大量的风力发电机组直接接入大型交流电网，由于其可能消耗大量的无功以及不稳定的电能输出，这对交流电网而言是一个不小的冲击，大容量的风电直接通过交流系统接入电网，对局部电网的稳定、运行以及电能质量都有着许多的负面影响，可能造成这个局部电网的功率波动、电压波动以及闪变等问题。维持在考虑一个局部电力系统中，只能接受一定量的风电容量，称之为风电场穿透功率极限。所谓风电场穿透概念就是指风电场装机容量与接入的系统总负荷的比例，风电场穿透功率极限定义为接入系统的说能承受的最大风电场装机容量与系统最大总负荷的百分比，若超过了这个极限，系统就可能会产生电压和频率的偏差，从而影响到系统的稳定，一般认为直接通过交流系统接入这个极限为8%，由于舟山群岛，其本身的自有的最大负荷有限，与外部电网的链接也不是十分紧密，若通过交流直接接入本地电网，将严重影响到了风力发电的发展。为了克服这个约束条件采用的这个AC/DC转换器为基于PMW VSC的技术，其输电技术就是所谓的轻型直流输电技术，这个技术可以实现独立控制有功功率和无功功率，能够在送、受端独立进行电压控制，交流侧电流能够进行控制，通过新型交流输电系统最后接入交流系统中不会增加交流系统的短路容量[2]。通过PMW VSC转换器以及轻型直流输电技术的应用可以大幅减少对交流电网的冲击，大幅提高风电场穿透功率极限，从而更好更多的的利用风电资源。

储能装置的转换器：由于分布式发电的不确定性，使得储能装置在直流系统中有着十分重要的作用，它的主要配置目的是为了抑制整个直流交换系统电力输出的震荡幅度。目前主要储能方式有电池、大容量电容器、飞轮储能装置和超导储能装置（SMES）等几种方式。由于储能装置存在能量的储备和释放的过程，因此选用的转换器是一个双向DC/DC转换器。

连接交流电网的转换器：各种形式的分布式发电能量通过整个形成类似一个大型直流电源电厂，经过直流交换系统后，经直流输送，经过连接交流电网的转换器，实现电能流向交流系统，从而满足交流负载的需求。根据以上提到的通常直流交换系统的电压不超过1000V，但是交流侧电压一般都比较高，电压等级一般都超过10kV，这使得电压比超过10倍以上。为了传输大容量的电能，直接通过单一的结构简单的DC/AC转换器，由于变比太大，传输容量受到制约。为了解决这个困难，通过新型的结构模式，将大容量电能转换分解成若干个转换单元，能很好的解决大容量传输的问题。

4.3 系统运行设计

直流交换系统运行控制方式主要有两种方式，一种是主/从控制方式，另外一种是电压跌落控制方式。

第一种主/从控制方式要求各个交换器直接进行快速的通讯交换，主控制交换器为连接储能装置的交换器，它负责稳定直流交换系统的直流电压。所有的分布式发电装置的能源输出信号都被汇集到一起，同时这个直流交换系统的总输出信号也反馈给每个交换器。这种方式是一个高宽带的直流电压控制方式，能较好的解决电压跌落。

第二种电压跌落控制方式不需要各个转换器之间进行通讯，反而将直流交换系统的直流电压作为转换器的控制信号，各个系统独立的去平衡电能波浪，保持直流电压水平的稳定。随着转换器输出能量的增加，电压随着降低。这种模式是一种回归式的控制方式。

一般第二种控制方式较为常用。

5 结语

多渠道集成式分布式发电模式是一个较新的发展模式，这项工作还有许多技术问题需要进一步探讨。

这个模式构架较为适用类似于舟山群岛这种有着不同新的分布式能源的区域，能较好解决了各种分布式发电模式的集成问题，为交流电网提供安全稳定的能源输出。这可能是未来系统解决分布式发电布局的一种较为实际的解决方式。

[1] V.Azbe, R.Mihalic, Distributegd eneratiofnr om renewabsle ourcesi n isolated DC network, Renewable Energy (In press)

[2] 鲍洁秋，孟垂懿.VSC-HVDC系统在海上风电传输中的应用.沈阳工程学院学报，2011(1)，p5-8

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.11.106