對(duì)大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)電力輸送方式分析

潘暉

摘要：隨著海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，風(fēng)電電力輸送正在朝著深遠(yuǎn)海化與規(guī)模化方向發(fā)展，場(chǎng)內(nèi)功率輸送需求逐漸變成風(fēng)電技術(shù)研究的重點(diǎn)。基于此，文章就大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)電力輸送方式展開(kāi)分析，就高壓交流、直流輸電、分頻輸電等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)展開(kāi)分析，同時(shí)結(jié)合海上輸電要求，總結(jié)海上風(fēng)電場(chǎng)電力輸送方式。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電;高壓交流;高壓直流

前言：

為了更好的應(yīng)用海上風(fēng)能，該過(guò)程離不開(kāi)電網(wǎng)幫助，海上風(fēng)電場(chǎng)電力傳輸和并網(wǎng)問(wèn)題十分重要，隨著海上輸電研究的進(jìn)行，國(guó)內(nèi)各風(fēng)電企業(yè)陸續(xù)成立海上風(fēng)電工程研究團(tuán)隊(duì)，站在技術(shù)與經(jīng)濟(jì)視角分析，輸電方式選擇更多的受風(fēng)電場(chǎng)類(lèi)型與電網(wǎng)連接點(diǎn)距離等方面影響。

1 高壓交流輸電（HVAC）

借助交流輸電與地區(qū)電網(wǎng)相連的方法只適用在小規(guī)模，距離岸邊較勁的小型風(fēng)電場(chǎng)當(dāng)中。HVAC成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，但若距離較大，海底交流電纜充電電流影響十分明顯，且輸電損耗也會(huì)逐漸增加，進(jìn)而限制傳輸容量，該結(jié)構(gòu)多適用于小規(guī)模和靠近岸邊區(qū)域，結(jié)合實(shí)際需求可以適當(dāng)添加無(wú)功補(bǔ)償裝置。

HVAC對(duì)機(jī)型要求較低，符合工頻交流電，且滿足恒頻恒壓條件即可。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)間下圖1。長(zhǎng)距離與大容量輸電期間，HVAC會(huì)出現(xiàn)下面幾種問(wèn)題：（1）傳輸相同有功功率，功率損耗與工程造價(jià)等方面的增加都比直流輸電高;（2）電纜電容效應(yīng)的產(chǎn)生，將導(dǎo)致無(wú)損功耗與補(bǔ)償難度不斷增加，高電網(wǎng)電壓升高期間，電纜有效負(fù)荷力逐漸下降;（3）身為連接海陸系統(tǒng)的主要媒介，交流電纜場(chǎng)網(wǎng)間會(huì)相互影響，因而難以確保內(nèi)部安全性。

2 高壓直流輸電（HVDC）

2.1 HVDC與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段，海上風(fēng)電當(dāng)中，直流輸電技術(shù)多應(yīng)用在大規(guī)模與遠(yuǎn)距離場(chǎng)型當(dāng)中。HVDC包含傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)（）、柔性直流輸電技術(shù)（）、新型直流輸電技術(shù)等。其中，傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)占地面很大，需很多濾波與無(wú)功補(bǔ)償裝置，但系統(tǒng)認(rèn)同度較高。為了與工程需求相互適應(yīng)，新型直流輸電技術(shù)隨之發(fā)展。將二者優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，將直流輸電技術(shù)混合起來(lái)，如此不僅可以確保柔性直流輸電技術(shù)優(yōu)勢(shì)，還能對(duì)工程造價(jià)進(jìn)行合理優(yōu)化。雙端系統(tǒng)既符合點(diǎn)到點(diǎn)功率傳輸，當(dāng)一端發(fā)生故障，兩端交流將立即停止，如此不僅可以提升輸電系統(tǒng)靈活性，還能促進(jìn)多端直流輸電系統(tǒng)全面發(fā)展。

可以聯(lián)合脈寬調(diào)制技術(shù)、多電平控制技術(shù)、絕緣柵雙極晶體管，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如下圖3所示。和傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)相比，該技術(shù)有點(diǎn)為：諧波成分少，可為無(wú)源系統(tǒng)供電;單獨(dú)控制無(wú)功、有功，便于為系統(tǒng)提供無(wú)功支持，且能全面發(fā)揮電壓支撐作用，全面改善電網(wǎng)性能;系統(tǒng)出現(xiàn)短路后，可合理設(shè)置隔離;具有黑啟動(dòng)功能，且占地面積相對(duì)較小。因建設(shè)與換流站損耗很大，難以抑制系統(tǒng)直流端電流，因此應(yīng)研究直流斷路器，但系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性方面仍有待進(jìn)一步驗(yàn)證。系統(tǒng)結(jié)合不同容量風(fēng)電場(chǎng)可使用不同電壓等級(jí)，通常做法為：對(duì)于容量大小在，電壓等級(jí)為;針對(duì)容量是，電壓等級(jí)為;容量在，電壓等級(jí)在。

2.2 多端柔性直流輸電技術(shù)

內(nèi)部包含超過(guò)3個(gè)整流器與逆變器直流輸電技術(shù)，MTDC可支持多電源供電與受電，靈活度相對(duì)較高，潮流反轉(zhuǎn)期間可確保電壓極性。在風(fēng)電場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)區(qū)域互聯(lián)。下圖為系統(tǒng)換流站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。并聯(lián)式電壓等級(jí)一樣，通過(guò)改變電流即可完成功率分配。串聯(lián)電流等級(jí)一樣，應(yīng)更改電壓分配功率;混聯(lián)式接線方式更加靈活。并聯(lián)換流站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)調(diào)節(jié)力，結(jié)構(gòu)損耗相對(duì)較小，需要成本相對(duì)較低，所以應(yīng)用十分廣泛。

換流站作為MTDC的核心，傳統(tǒng)兩電平技術(shù)諧波占比較高，開(kāi)關(guān)頻率較高。模塊化多電平換流器憑借開(kāi)關(guān)模塊疊加獲得高壓，便于滿足高壓容量需求，且輸出波形較好，諧波含量較低，不用進(jìn)行濾波處理即可提升故障穿越水平。MMC技術(shù)并網(wǎng)引發(fā)的次同步振蕩與協(xié)調(diào)控制等問(wèn)題解決，可以促進(jìn)新型電力輸送技術(shù)發(fā)展。MTDC系統(tǒng)需不同換流站協(xié)調(diào)控制，便于確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)前，MTDC系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制特點(diǎn)見(jiàn)下表1所示。

主從控制結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，將某一主換流站當(dāng)做基準(zhǔn)對(duì)直流電壓進(jìn)行合理控制，若主站運(yùn)行被迫退出，為確保系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，可將從站變?yōu)槎ㄖ绷麟妷耗Ｊ剑摲椒ㄔ谡鹃g通信有較高依賴性。電壓裕度控制可以直流電壓偏差為主要控制量，將限定量與偏差進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)做主要切換依據(jù)，控制器切換期間，應(yīng)關(guān)注系統(tǒng)振蕩問(wèn)題。下垂控制結(jié)合電壓下降情況，可以將調(diào)整完的功率當(dāng)做實(shí)時(shí)信號(hào)，確保多個(gè)換流站達(dá)到功率平衡。分段下垂控制與電壓裕度、下垂控制相結(jié)合，借助電壓裕度可將直流電壓穩(wěn)定在限制數(shù)值內(nèi);為防止多次模式切換，以功率-頻率為基礎(chǔ)，切換期間添加入滯環(huán)控制，可確保系統(tǒng)動(dòng)態(tài)輸出，便于風(fēng)電場(chǎng)輸出可靠。

2.3 柔性直流輸電系統(tǒng)

因DFIG風(fēng)電變流器不適宜海上風(fēng)電直流輸電需求，新型DFIG風(fēng)電變流器系統(tǒng)隨之產(chǎn)生，其消除同步點(diǎn)跨越問(wèn)題，省略升壓變壓器，占地面積進(jìn)一步減少，可有效節(jié)省成本，減少實(shí)際損耗，提升系統(tǒng)工作效率，便于解決傳統(tǒng)DFIG變流器系統(tǒng)在柔性直流輸電系統(tǒng)中應(yīng)用問(wèn)題。

該系統(tǒng)包含四部分變流器：送端站、受端站、定子側(cè)變流器、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器。這里，定子側(cè)變流器SSC為整流模式，可將DFIG三相交流電變?yōu)橹绷麟姡缓筮\(yùn)輸至送端站變流器，便于為交流輸出電壓頻率與幅值進(jìn)行合理控制;轉(zhuǎn)子側(cè)變流器RSC作用為，伴隨風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，其可為DFIG提供勵(lì)磁電流，便于對(duì)風(fēng)機(jī)變流器有功進(jìn)行合理控制，確保DFIG以單位功率因數(shù)運(yùn)行，再者，RSC能進(jìn)行雙向流動(dòng)，隨著風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)，RSC運(yùn)行變成逆變模式，其可為DFIG提供勵(lì)磁電流，伴隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提升，RSC可在整流模式中運(yùn)行。

送端站變流器具有穩(wěn)定低壓端電壓與能量雙向流動(dòng)作用，可分別運(yùn)行降壓與升壓兩個(gè)不同工況，隨著DFIG的運(yùn)行，DC-DC雙向變換器在降壓模式下運(yùn)行，能量可由高壓端朝著低壓端運(yùn)行，DFIG運(yùn)行正常后，DC-DC雙向變換器在升壓模式下運(yùn)行，能量由低壓向高壓端運(yùn)輸，傳遞到受端站變流器GSC中。受端站變流器具有穩(wěn)定高壓端直流母線電壓、無(wú)功解耦控制作用，其可在逆變與整流兩個(gè)模式下運(yùn)行。在風(fēng)速不斷增加期間，DFIG變流器系統(tǒng)處在發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行階段，GSC可將DC-DC雙向變換器輸出能量輸送到電網(wǎng)中，便于將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

3 分頻輸電（FFTS）

電壓等級(jí)不變的情況下，降低輸電頻率，縮小線路電氣距離，可提升線路傳輸力，減少輸電回路出現(xiàn)走廊，有效延緩電纜壽命，改變交流輸電，提高電壓等級(jí)，提升傳輸容量。

分頻輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖4所示，交交變頻器作為系統(tǒng)核心。系統(tǒng)要求不同風(fēng)電機(jī)組輸出功率相互一致，在交流匯集進(jìn)到分頻升壓站進(jìn)行升壓，然后讓分頻線路經(jīng)此轉(zhuǎn)換成工頻。分頻輸電應(yīng)結(jié)合功率變化掌握風(fēng)速變化，便于得到最大風(fēng)能;隨著齒輪箱增速比的減少，成本逐漸降低，機(jī)組運(yùn)行條件隨之改變;輸電能力提升，還能提升系統(tǒng)抗干擾能力，減少電壓波動(dòng)。

結(jié)語(yǔ)：

綜上所述，輸電并網(wǎng)身為海上風(fēng)電場(chǎng)發(fā)揮的主要環(huán)節(jié)，通過(guò)了解不同輸電技術(shù)特點(diǎn)與現(xiàn)狀，可結(jié)合實(shí)際選擇所需輸電技術(shù)。此外，隨著數(shù)字化時(shí)代的到來(lái)，很多新的技術(shù)逐漸被應(yīng)用到海上風(fēng)電發(fā)展中，希望可以促進(jìn)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)不斷向前發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]湯廣福，羅湘，魏曉光多端直流輸電與直流電網(wǎng)技術(shù) [J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（10）：8-17，24.

[2]王錫凡，衛(wèi)曉輝，寧聯(lián)輝，王秀麗. 海上風(fēng)電并網(wǎng)與輸送方案比較[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（31）：5459-5466.

[3]遲永寧，梁偉，張占奎，等. 大規(guī)模海上風(fēng)電輸電與并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究綜述 [J]·中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016，36（14）：3758-3771.