大規模海上風電場并網接入方式

陳 鋒，劉連永，董余凡

(丹陽市供電公司，江蘇丹陽212300)

隨著世界經濟的不斷發展，能源短缺和環境污染等問題日益嚴峻，各國都開始著手優化能源結構，大力開發可再生能源。近年來，我國也加快了構建綠色能源供應體系的步伐，其中風力發電以其巨大的潛力和相對成熟的商業化基礎最為引人注目。文中介紹了適用于海上風電場并網傳輸解決方案的特點和適用范圍，并進行了對比分析。

1 海上風電場發展狀況及優勢

中國風能資源十分豐富，目前已經探明的風能儲量約為3226 MW，主要分布在西北、華北和東北的草原和戈壁以及東部和東南沿海及島嶼上，已經建成并網發電的風電場主要分布在新疆、廣東、遼寧、內蒙、浙江等16個省區[1，2]。東部沿海地區經濟發達，能源緊缺，開發豐富的海上風能資源將有效改善能源供應情況，因此海上風電的開發前景廣闊[3-5]。

一般認為2 MW是陸上風電機組單機容量的極限值，因為此類風機槳葉長度將達到60～70 m，陸上運輸很困難，安裝用的吊車吊裝重量將超過1200～1400 t，大部分地區不具備這個條件。由于風電場的噪聲、占用大量土地資源以及風電機組龐大的體積，使得陸上風電場的選址和風機的運輸遭遇很大困難。而這些問題對于海上風電來說，相對較容易解決，海上運輸方便并且超過1500 t的浮吊已經比較普遍，風電的開發正向海上轉移，即建設海上風電場。

與陸地風電相比，海上風電有以下優點：高風速、低風切變，由于海平面光滑、摩擦力小，因此風速較大，風速、風向的變化較小，風切變也較小，不需要很高的塔架，可降低風電機組成本；海上風湍流強度小，具有穩定的主導風向，機組承受的疲勞負荷較低，風機壽命更長；海上風電場允許單機容量更大的風機，高者可達5～10 MW[6]，由于對噪音要求較低，通過更高的轉動速度及輸出電壓，可獲取更高的能量產出。海上風電年平均利用小時可達3000 h以上，離岸10 km的海上風速比岸上高25%[7]，海上風電場的能量收益比沿海風資源豐富地區的陸地風機高出20%～40%[8]，所以海上風機更具吸引力。

2 海上風力發電傳輸方案

海上風電場的容量一般較大，距離海岸5～300 km，需要通過海底電纜接入陸上的電網。并且由于自然風的隨機性，預測準確度不高，風力發電的波動性較大，隨著海上風電場的容量越來越大，對系統的影響也越來越明顯。目前可采用的海上風電場并網方案主要是高壓交流（HVAC），基于相控變流器的常規高壓直流（LCC-HVDC）以及基于電壓源型變流器的柔性直流輸電（HVDC-Flexible），以下將對3種方案各自的特點進行比較分析[9-11]。

2.1 HVAC并網方式

目前海上風電場規模較小、離岸距離教近，普遍采用HVAC并網方式，如圖1所示。高壓交流并網方式最大優點是技術成熟、并網結構簡單、成本低。

圖1 高壓交流并網方式

HVAC并網方案使用的是交流電纜，在傳輸交流電能時會產生大量容性無功損耗，傳輸線路的功率因素較低，降低了交流電纜的實際輸電容量，并且隨著輸電距離的增加這種現象越嚴重。因此，必需在電纜兩端的變電站增設大容量感性無功補償裝置，既增加輸電成本，也增加海上變電站的體積，給變電站的建設帶來困難。而從國內外海上風電場的規劃方案來看，海上風電場的容量會越來越大，一般大中型海上風電場的裝機容量都會達到200 MW甚至1000 MW以上。同時，海上風電場的地理位置一般距負荷中心較遠，其就近的接入電網主要是低壓配電網，這樣的輸電系統R/X比值較大、短路容量較低，而使用HVAC并網方式需要接入電網的短路容量比較大，進一步制約了海上風電場的并網容量。此外，HVAC并網方式也意味著風電場和所接入的陸上交流系統必須保持同步，無論是風電場側，還是系統側發生故障都會直接影響到另一側。隨著海上風電場裝機容量的增大和離岸距離的增加，HVAC并網方式的經濟性和可靠性會降低，使其在遠距離大容量海上風電場并網中的應用非常有限。

2.2 LCC-HVDC并網方式

LCC-HVDC產生于上世紀50年代，經過半個世紀的發展，在陸上輸電系統中已經有了一定應用。因其適宜遠距離輸送、輸電容量大、易于控制和調節，在海上風電場并網工程中應用前景樂觀。

基于LCC-HVDC技術的海上風電場并網傳輸系統如圖2所示，包括：換流變壓器、無功補償設備、交流濾波器、晶閘管換流器、直流電抗器、直流濾波器、直流電纜、輔助功率設備以及控制和保護設備。

圖2 常規高壓直流輸電并網方式

由于LCC-HVDC換流站基于晶閘管器件，而晶閘管是半控型功率器件，只能控制其開通過程，無法控制其關斷過程，只有當流過晶閘管的電流為零，且管兩端電壓在一段時間內為零或負值時，晶閘管才能可靠關斷。因此LCC-HVDC存在如下固有缺陷[12]：（1）為保證晶閘管可靠觸發，其整流側的觸發滯后角一般要保證10～15°，而逆變側的關斷越前角一般為15°或更大些。因此LCC-HVDC在運行過程中，需要吸收大量的無功功率，其數值為輸送有功功率的40%～60%，這樣需要在整流站和逆變站裝設大量的無功補償設備，從而增加了換流站的體積，特別不利于離岸的換流站的施工和安裝。（2）晶閘管的開關頻率一般都比較低，換流站運行過程中會產生大量諧波，需要在兩端的換流站增設體積龐大的交流濾波裝置。（3）LCC-HVDC輸電系統對所聯交流系統的故障非常敏感，故障發生時交流母線電壓會下降，容易導致換相失敗，造成系統運行事故。

2.3 HVDC-Flexible并網方式

HVDC-Flexible是一種基于電力電子技術的新型輸配電技術，以IGBT、IGCT等全控電力電子器件和PWM技術為核心，具有很好的性能：獨立控制有功、無功功率；可連接弱交流系統或無源系統；不會增加交流系統的短路容量；變流站采用模塊化設計，安裝、調試簡單等等。從瑞典Gotland、丹麥Tjaereborg等并網風電場工程的運行經驗來看，HVDC-Flexible不僅能夠減小風電場對電網穩定性、安全性和電能質量等方面的影響，而且可以提高并網風電場的輸送容量和風電場的接入容量，靈活控制風電潮流。

但HVDC-Flexible變流站也存在開關損耗較大等問題，與HVAC、LCC-HVDC之間不存在絕對的優劣，需要綜合考慮。在輸送功率相同和可靠性指標相當的條件下，雖然HVAC中換流站的建造費用比較昂貴，但LCC-HVDC只需要1根電纜（單極型）或2根電纜（雙極型），HVDC-Flexible也只需要 2根電纜，而HVAC需要3根電纜，且直流電纜成本更低。因此當海底電纜輸電距離增加到一定值，交、直流輸電方式的設備總成本可以相等，這個距離就稱為交直流輸電等價距離，如圖3所示[13]。

圖3 交直流輸電等價距離示

從圖3可以看出，雖然LCC-HVDC和 HVDCFlexible變流站的建設成本要高于HVAC變電站的，但由于敷設直流電纜的單位成本要比交流電纜的成本低。因此當輸電距離達到電纜線路等價距離時，高壓直流輸電與高壓交流輸電的輸電設備總成本相等，當輸電距離大于等價距離時，LCC-HVDC和HVDCFlexible比HVAC更經濟，且距離越長LCC-HVDC和HVDC-Flexible的經濟性越明顯。目前一般認為海底電纜線路的交直、流輸電等價距離約為90 km，并且隨著變流裝置價格的不斷下降，等價距離必然也將不斷減小。

一般海上風電場裝機容量在100 MW內，或離岸距離在100 km內，HVAC并網方式相對其他2種直流并網方式具有更大的優勢。而在考慮了海上變流站的施工費用和安裝難度的因素，海上風電場裝機容量在100～400 MW之間時，相對于LCC-HVDC來說，HVDC-Flexible在經濟和技術上更優越。而當裝機容量超過400 MW時，LCC-HVDC占有優勢。

3 海上風電場HVDC-Flexible并網方案

雖然HVDC-Flexible都是基于VSC換流器，但根據海上風電場電氣主接線方式和VSC安裝位置的不同，其HVDC-Flexible并網方案分為以下幾種。

3.1 并網方案一

如圖4所示，每臺風力發電機輸出的交流電經變壓器升壓到10 kV或35 kV，由各自的VSC變換成直流電，再通過海底直流電纜連接到海上風電場的直流升壓站，升壓站內的DC/DC模塊將公共直流母線上的直流電壓提升到±150 kV，然后經過海底直流電纜將海上風電場的電能輸送到岸上的VSC換流站，經岸上VSC換流站變換為交流電后接入電網。

圖4 海上風電場HVDC-Flexible并網方案一

該方案的優點是可以通過獨立的VSC靈活控制每臺風機的有功、無功功率；每臺風機可以根據本臺風機的實時風速，調節機組輸出交流電壓的頻率，使得本機組工作在理想的轉速，以保證本機組功率捕獲性能始終保持最優狀態。其缺點是風電機組內電氣結構較復雜，在機組設計時要充分考慮VSC的結構和安裝位置，增加了風電機組設計和安裝的難度；并且海上風電場的VSC控制系統比較復雜，如果機組側VSC直流電壓控制不當的話，可能會在VSC之間產生換流；由于要考慮單臺機組VSC的尺寸，所以其輸入輸出電壓等級較低，需經過DC/DC升壓站來提升直流輸電的電壓等級，目前DC/DC升壓技術主要應用在小功率低電壓的開關電源領域，在大功率和高電壓領域的工程實例基本沒有；同時考慮每臺VSC的功率冗余問題后，該方案需要使用的功率器件數目比較多，增加了設備成本；由于每臺機組都裝有VSC，增加了維護難度。

3.2 并網方案二

如圖5所示，將海上風電場的風機分成多組，每臺風力發電機輸出的交流電經變壓器升壓到10 kV或35 kV，由各自的VSC變換成直流電，在每一組內的VSC輸出電壓串聯起來，使得每一組的輸出直流電壓達到±150 kV，然后將各組的輸出電能并接到海上匯流站的±150 kV母線上，再經過海底直流電纜將海上風電場的電能輸送到岸上的VSC換流站，經岸上VSC換流站變換為50 Hz交流電后接入電網[14，15]。

圖5 海上風電場HVDC-Flexible并網方案二

該方案具有方案一的優點，且相對于方案一來說，節省了DC/DC升壓站的設計和安裝，降低了并網的技術難度和成本。該方案也存在與方案一類似的缺點，由于對風電場內的VSC進行分組和串并聯連接，使得海上風電場的內部接線比較復雜，增加了海上風電場安裝和施工難度。

3.3 并網方案三

如圖6所示，風電場內的風機劃分成獨立的幾塊區域，各區域內的所有風力發電機輸出電壓經變壓器升壓到10 kV或35 kV，然后通過海底交流電纜匯接到本組的交流母線上，各組的母線是相互隔開的，海上換流站內各組VSC將本段母線的交流電能轉化為±150 kV的直流電能，再經本組專用的海底直流電纜將直流電能傳輸到相應的岸上VSC，各組岸上VSC再獨立地將本組的直流電轉化為交流電，經過變壓器接入電網[16]。

圖6 海上風電場HVDC-Flexible并網方案三

該方案的優點是：每片區域內的風電場只通過本組的背靠背型HVDC-Flexible系統就實現了并網運行，不需要裝設體積龐大的VSC變流器，從而降低了風電機組和風電場內部主接線的設計和安裝難度，同時也降低了VSC的控制設計和維護難度，適合于單片區域內風機容量約為400 MW，風電場總容量超過600 MW的大型海上風電場。其缺點是：海上換流站內分段母線較多，要配備多套母線保護設備，增加了設備成本和維護難道；區域內所有風機都只受同一個VSC控制，區域內機組不能獨立控制自身的有功、無功功率，所有風機只能工作在同一個轉速下，無法保證區域內每臺機組功率捕獲性能始終保持最優狀態；使用了多套背靠背型柔性直流輸電系統，增加了成本和維護難度，總的開關損耗也比較大。

3.4 并網方案四

如圖7所示，風電場內所有風力發電機輸出電壓經變壓器升壓到10 kV或35 kV，然后通過海底交流電纜匯接到海上換流站的交流母線上，通過海上換流站內VSC將交流電能轉化為±150 kV的直流電能，再經過海底直流電纜將直流電能傳輸到岸上VSC，岸上VSC再將直流電轉化為交流電，經過變壓器接入電網[10]。

圖7 海上風電場HVDC-Flexible并網方案四

該方案的優點是：風電場內電氣主接線較簡單，總的成本相對也比較低，安裝和維護難度相對前面的幾種方案也比較低。其缺點是：所有風機都只受同一個VSC控制，區域內機組不能獨立控制自身的有功、無功功率，所有風機只能工作在同轉速下，無法保證區域內每臺機組功率捕獲性能始終保持最優狀態，這種并網方案適合于裝機容量100～400 MW海上風電場。

4 結束語

海上風電以其獨特的優勢已開始引領風電未來的發展。世界上許多國家都十分重視海上風電的開發和利用，紛紛著手建設海上風電場，更加高效大規模地發展風電。開展對海上風電場并網方式的研究，對于解決海上風電場的關鍵技術問題，進一步推動風電產業的可持續發展，都有著重要的意義。

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