大規模海上風電并網方式的研究

沙志成，張 丹，趙 龍

(1．山東電力工程咨詢院有限公司，濟南 250013；2．國網山東省電力公司經濟技術研究院，濟南 250002)

大規模海上風電并網方式的研究

沙志成1，張 丹1，趙 龍2

(1．山東電力工程咨詢院有限公司，濟南 250013；2．國網山東省電力公司經濟技術研究院，濟南 250002)

在風力發電等可再生能源技術高速發展的潮流下，對比分析了適用于海上風電場的高壓交流、常規高壓直流和柔性直流輸電3種并網方式。簡要介紹了柔性直流輸電的工作原理，詳細說明了柔性直流輸電技術在風電并網上的應用情況，并著重探討柔性直流輸電并網的經濟性，認為柔性直流輸電技術在海上風電傳輸領域有廣闊應用前景。這對于滿足我國清潔高效的能源利用有著顯著的意義。

海上風電；交流輸電；常規直流輸電；柔性直流輸電

相比于陸上風電，海上風電具有建設規模和機組單機容量大，靠近電力負荷中心，并網和消納相對容易等特點.由于風機距離海岸較遠，視覺干擾、噪聲很小,海上風電還具有資源豐富、年利用小時數高、風速穩定、不占用土地資源、對生態環境影響較小等優勢，在歐洲和美國等發達地區發展迅速。

我國海上風能資源豐富，大陸海岸線長約18 000 km，水深2～15 m的海域面積遼闊，全年風速≥6 m/s 的時數為4 000 h，開發潛力巨大。另外，土地資源相對緊缺的東部沿海經濟發達地區，能源供應結構有待優化，開發豐富的海上風能資源已經成為我國能源戰略的一個重要內容。我國于2006年開始海上測風，第一個大型海上風電項目——上海東海大橋海上風電場于2008年建成投產。但受建設成本、電價水平、海洋規劃、技術積累等因素制約，我國海上風電發展較慢。隨著海上風力發電技術的逐漸成熟和設備國產化比例的提高，建設和運行成本將大幅降低，海上風電將成為未來新能源發展的重點。

風力發電的波動性、間歇性和隨機性導致了目前風電功率預測準確程度普遍偏低，同時大規模的風電并網會導致系統潮流、有功頻率特性、無功電壓特性等的變化，特別是網架結構比較薄弱的電網集中并入大規模風電時，系統的安全穩定運行將受到影響。另外，對于陸上風電、光伏等新能源在電網中所占比例較高的區域，海上風電接入電網會遇到更多問題。因而，海上風電接入電網時，需確保滿足一定的性能指標，包括系統穩定性、暫態恢復能力、無功支撐能力、電壓調整率、頻率調整、電能質量等。為減少海上風電帶來的不利影響，可以通過加強地區間電網和陸上電網的網架結構，提高電網輸送能力和系統的安全可靠。

1 海上風電場的并網方式

海上風電場的并網方式分別是高壓交流并網(High Voltage Alternating Current, 簡稱HVAC)、高壓直流輸電方式并網(High Voltage Direct Current, 簡稱HVDC)。

HVAC方式具有結構簡單、成本較低等特點，發展最為成熟。目前，使用HVAC是絕大多數陸上風電場并網的選擇。但對于規模較大的海上風電場，隨著并網距離的增加，輸電損耗上升較快,如果增大海底電纜截面和提高傳輸電壓等級，將導致投資成本的急劇增加。另外，對于距離岸邊較遠的海上風電，為了抑制過電壓水平，需要加裝較大的感性無功設備補償并網電纜的充電功率。同時, 海上風電場交流系統必須與其接入的電網保持同步，受到擾動后仍要維持系統的同步運行。因此實際工程中該方法一般只用于傳輸容量小、傳輸距離短的風電接入系統。距離海岸小于50 km且建設規模小于200 MW海上風電場普遍采用HVAC方式。

將HVDC技術應用于風電并網，特別是對于遠距離海上風電場，具有明顯優勢：

(1)海上風電采用HVDC方式后，不需要與陸上電網保持同步，因此，海上風電場系統頻率的允許變化范圍較大，電網的每個聯絡終端都具有很強的獨立性，可以依照自己的控制策略運行。

(2)長距離的交流電力電纜受充電電流的影響，電力傳輸能力受限，而HVDC電纜的充電電流則非常微小，因此，輸電距離可以不受限制。

(3)能夠隔離海上風電系統和陸上電網的故障，某些情況下，HVDC系統還可以參與故障后的狀態恢復。

(4)可以設定和控制直流傳輸系統的潮流。

(5)傳輸同樣容量的功率HVDC方式損耗低，整個直流系統的運行損耗將低于等效的HVAC系統。

(6)在相同的運行條件下，單根HVDC電纜的傳輸容量高，三相交流線路的傳輸容量僅為同樣規格的一對直流電纜的60%。

高壓直流方式主要有兩類，常規直流輸電方式(LCC-HVDC)和柔性直流輸電技術(VSC-HVDC)。常規直流輸電采用基于線換相換流器，柔性直流輸電采用基于自換向的電壓源換流器。

LCC-HVDC并網方式下為確保換流器正常換相，需要交流側電網提供連續的換相電壓，風電出力的不穩定性會導致發生換相失敗故障的概率較高，海上風電場安全穩定運行的能力大大降低。輸送功率相同情況下，常規直流工程占地較大，超過交流和柔性直流輸電方案占地面積的兩倍以上；另外，當風力不夠或者風力過大從系統中切除風機后，為保證系統穩定運行同時給風電場處的負荷供電，系統將向風電場有限度地傳輸有功功率，這時需要對風電側系統進行無功補償，但常規直流本身不能夠發出無功，而且還需要增加大量的無功補償裝置，換流站的占地面積也會相應的加大，考慮到海上平臺的建設難度，因此常規直流輸電不適合海上風電場使用[1]。

2 柔性直流輸電技術

柔性直流輸電是以脈寬調制技術(PWM)和IGBT等全控型器件為基礎，通過高可控性電壓源型換流器(VSC)中電力電子器件的開通和關斷來改變輸出電壓的相角和幅值，達到分別獨立控制交流側有功和無功功率的目的，實現風電功率輸送和穩定電網運行。作為新一代直流輸電技術，在完善常規輸電技術存在的一些固有缺陷[1]等方面卓有成效，解決了常規HVDC面臨的諸多難題，為變革輸電方式和構建未來網絡格局提供了全新的解決方案。

VSC-HVDC輸電系統(雙端)的結構如圖1所示。系統中兩個電壓源換流器VSC2和VSC1分別用作逆變器和整流器，全控換流橋和直流側電容器是其主要部件。全控換流橋的每個橋臂均可以滿足一定技術條件下的容量需求，由多個門極可關斷晶體管GTO或絕緣柵雙極晶體管IGBT等可關斷器件組成。為保證整個換流器連續可靠工作，直流側電容可以起到穩定直流電壓并為換流器提供電壓支撐的作用；交流側換流變壓器是VSC與交流系統間能量交換紐帶；交流側換流電抗器和濾波器的作用是濾除交流側諧波。

圖1 VSC-HVDC輸電系統(雙端)示意圖

相比于常規直流輸電，柔性直流輸電技術具有以下優點：

(1)可以向無源網絡供電。由于柔性直流輸電采用了IGBT等全控型器件，VSC電流可以自關斷，即在沒有另外增加換相電壓的情況下，就能夠在無源逆變方式下穩定工作，從而實現了向孤立無源網絡供電。

(2)有功和無功之間能夠獨立解耦控制并實現潮流快速翻轉。在正常工作狀態時，由于換流器具有可隨時開關的特點，柔性直流輸電不僅可以精準地分別控制有功和無功，而且在不改變電壓的條件下，只需改變電流的方向就可以相應翻轉潮流，實現對系統的靈活控制。

(3)在IGBT開關過程中可以有效地降低諧波分量的產生，也大大減少無功功率的需求。柔性直流輸電不需要安裝傳統直流輸電的諸多濾波設備，一般情況下只要將一組低通濾波器安裝在交流母線上就可以使諧波電壓指數符合規定標準。

(4)可以起到STATCOM作用，即不僅不需要從交流系統吸收無功功率，而且能夠動態地向交流網絡提供無功，抑制電壓波動和閃變，保持母線電壓穩定。當某區域電網發生故障時，只要VSC具備足夠大容量，在設備允許范圍內，該換流器可立即向該區域電網同時提供無功和有功功率，從而提高AC系統的功角和電壓的穩定性。

(5)在系統短路時由于換流器AC側電流可控，輸送功率不會上升，增加同類系統后，也無需重新整定交流系統負責保護的相關設備或者裝置。

(6)不需要配置傳統直流輸電工程中為得到理想電壓而專門設置的變流變壓器。這是因為開關造成的諧波大都集中在高頻區， 而VSC在脈寬調制控制下的開關頻率普遍偏高，因此，只要裝設相應的低通濾波器就可以將諧波濾除。

(7)各個VSC之間可單獨控制，無需通信。由于根據相鄰的交流系統可實現自動控制和網絡遠端控制技術的進步，所以人工維護工作量得到大幅度削減。

(8)柔性直流輸電一般不采用架空線路，而采用地下電纜，減少線路走廊施工環節，減少對環境產生的影響。

柔性直流輸電技術優異的可控性能不僅可以提高風電場、太陽能并網時抗干擾能力，而且可以有效地改善風電系統電能質量和低電壓穿越能力，并網系統對暫態性能的要求也得到滿足[2]。因此，柔性直流輸電技術是解決大規模可再生能源的集中并網問題的重要手段。

3 柔性直流技術的應用

作為世界上首個柔性直流輸電工程，瑞典Hellsjon試驗工程已于1997年成功運行。目前，VSC-HVDC技術已經在我國開始了工程和商業應用，±320 kV廈門柔性直流輸電科技示范工程于2015年正式投運，是目前世界上電壓等級最高、輸送容量最大的柔性直流工程。將世界各國已投運或在建的VSC-HVDC工程輸電電壓和容量進行統計，送電功率一般在1 000 MW以內，交流側電壓在10～320 kV之間，整理分析后繪制成統計曲線(如圖2所示)。

圖2 各國柔性直流輸電工程額定容量與輸電電壓

離岸距離較大的海上風電場通過SVC-HVDC方式并網已經成為德國、英國等歐洲國家的發展方向。柔性直流輸電可以控制系統短路電流和進行諧波污染治理，對于改善電網電能質量也大有幫助。另外，有數據表明其在遠距離、小容量送電時也十分具有競爭力。目前，世界上已有多個風電場采用VSC-HVDC技術來輸送電力，以瑞典的Gotland送電工程為例，采用柔性直流輸電技術后，利用地下直流電纜大大減少對周圍環境產生的影響，不僅大大提高了風電場內部交流系統的功角、電壓穩定性和風能利用率，而且改善了Gotland島南部電網的電能質量[3]。

4 柔性直流輸電的經濟性

在可靠性指標相當和輸送功率相同的條件下，雖然直流輸電中換流站部分的投資造價比交流輸電中變電站要昂貴很多，但HVAC需要3根電纜，而LCC-HVDC和SVC-HVDC雙極型則只需要2根電纜，單極型甚至只需1根電纜，而且直流電纜建設成本更低。因此當輸電距離逐漸增加，交流輸電較直流輸電電纜費用增長要快，當達到一定值時，兩種方式的建設總成本可以相等，這個距離就稱為交直流輸電等價距離[4]，如圖3所示。

圖3 交直流輸電等價距離示意圖

從圖3可以看出，雖然交流變電站的建設費用要低于直流換流站，但是由于敷設交流電纜的單位成本要比直流電纜的成本高，因此當輸電距離大于等價距離時，相比于HVAC方式，采用HVDC輸電更經濟，且距離越長HVDC的經濟性越明顯。在目前的施工工藝和變流裝置價格水平下，兩種方式的海底電纜線路輸電等價距離為90 km左右，并且隨著技術的進步，換流站設備的制造成本將不斷下降，等價距離也將會相應地減小。

一般來說，距離海岸在100 km內、建設規模小于150 MW的海上風電場，相對其他2種直流并網方式，采用HVAC具有更大的優勢。建設規模在150～400 MW之間的海上風電場時，考慮到海上換流站的施工費用和安裝難度的因素，采用VSC-HVDC方式比常規HVDC在經濟和技術上更為優越。當海上風電場設規模超過400 MW時，常規HVDC方式占有優勢。

5 結語

綜上所述，VSC-HVDC將電力電子技術與現代控制技術結合，簡化大型風電場結構，能夠通過其換流器的控制方案實現獨立解耦控制有功功率與無功功率的能力。具有易于擴展，緊湊化、模塊化設計和實現多端直流輸電等優點，很適合對無源網絡進行供電。隨著VSC-HVDC技術的不斷進步，輸送容量、直流側電壓、傳輸距離、控制技術等技術參數也逐步提高，采用其輸電的工程數量越來越多。在風力發電等新能源技術高速發展的潮流下，基于電壓源型換流器技術的VSC-HVDC憑借其較強的技術優勢，將成為必不可少甚至是唯一的輸電手段，對于滿足我國清潔高效的能源利用的需要，有著顯著的意義。

[1] 廖勇，王國棟．雙饋風電場的柔性高壓直流輸電系統控制[J]．中國電機工程學報，2012，32(28)：7-15，24.

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LIU Ya-lei, LI Xingyuan, ZENG Qi, et al. VSC-MTDC system based on MMC for offshore wind farms[J]. Relay,2013,41(21):9-14.

[3]徐科，吳超，楊曉靜，等．VSC-HVDC系統風力發電結構分析與控制 [J]．電網技術，2009，33(4)：103-108.

XU Ke, WU Chao, YANG Xiaojing, et al. Structure analysis and control of wind power generation in VSC-HVDC[J].Power System Technology,2009,33(4):103-108.

[4]曾丹，姚建國，楊勝春．柔性直流輸電不同電壓等級的經濟性比較[J]．電力系統自動化，2011,35(20)：98-102.

ZENG Dan, YAO Jianguo, YANG Shengchun, et al. Economy comparison of VSC-HVDC with different voltage levels[J].Automation of Electric Power Systems,2011,35(20):98-102.

(本文編輯：嚴 加)

Grid Integration Modes of Large-Scale off-Shore Wind Farm

SHA Zhicheng1，ZHANG Dan1，ZHAO Long2

(1. Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co., Ltd., Jinan 250013, China;2. Shandong Power Economic Research Institute, Shandong Electric Power Company, Jinan 250002, China)

In the context of the rapid development of wind power and other renewable energy technology, this paper comparatively analyzes the three different modes of power transmission of off-shore wind farm: HAVC, LCC-HVDC and VSC-HVDC. The working principle of VSC-HVDC transmission system is introduced briefly; the application of VSC-HVDC technology in wind power grid integration is described in detail, emphatically its economy. It indicates that the application of VSC-HVDC in the field of off-shore wind power transmission has broad prospect and great significance of meeting the needs of clean and efficient energy use in China.

off-shore wind farm; HVAC; LCC-HVDC; VSC-HVDC

10.11973/dlyny201702014

沙志成(1980—)，男，碩士，高級工程師，主要從事電力系統規劃工作。

TM73

A

2095-1256(2017)02-0158-04

2017-03-23