大規(guī)模海上風(fēng)電場并網(wǎng)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(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源短缺和環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)峻，各國都開始著手優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，大力開發(fā)可再生能源。近年來，我國也加快了構(gòu)建綠色能源供應(yīng)體系的步伐，其中風(fēng)力發(fā)電以其巨大的潛力和相對成熟的商業(yè)化基礎(chǔ)最為引人注目。文中介紹了適用于海上風(fēng)電場并網(wǎng)傳輸解決方案的特點(diǎn)和適用范圍，并進(jìn)行了對比分析。

1 海上風(fēng)電場發(fā)展?fàn)顩r及優(yōu)勢

中國風(fēng)能資源十分豐富，目前已經(jīng)探明的風(fēng)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(jīng)建成并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)電場主要分布在新疆、廣東、遼寧、內(nèi)蒙、浙江等16個(gè)省區(qū)[1，2]。東部沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，能源緊缺，開發(fā)豐富的海上風(fēng)能資源將有效改善能源供應(yīng)情況，因此海上風(fēng)電的開發(fā)前景廣闊[3-5]。

一般認(rèn)為2 MW是陸上風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的極限值，因?yàn)榇祟愶L(fēng)機(jī)槳葉長度將達(dá)到60～70 m，陸上運(yùn)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(qū)不具備這個(gè)條件。由于風(fēng)電場的噪聲、占用大量土地資源以及風(fēng)電機(jī)組龐大的體積，使得陸上風(fēng)電場的選址和風(fēng)機(jī)的運(yùn)輸遭遇很大困難。而這些問題對于海上風(fēng)電來說，相對較容易解決，海上運(yùn)輸方便并且超過1500 t的浮吊已經(jīng)比較普遍，風(fēng)電的開發(fā)正向海上轉(zhuǎn)移，即建設(shè)海上風(fēng)電場。

與陸地風(fēng)電相比，海上風(fēng)電有以下優(yōu)點(diǎn)：高風(fēng)速、低風(fēng)切變，由于海平面光滑、摩擦力小，因此風(fēng)速較大，風(fēng)速、風(fēng)向的變化較小，風(fēng)切變也較小，不需要很高的塔架，可降低風(fēng)電機(jī)組成本；海上風(fēng)湍流強(qiáng)度小，具有穩(wěn)定的主導(dǎo)風(fēng)向，機(jī)組承受的疲勞負(fù)荷較低，風(fēng)機(jī)壽命更長；海上風(fēng)電場允許單機(jī)容量更大的風(fēng)機(jī)，高者可達(dá)5～10 MW[6]，由于對噪音要求較低，通過更高的轉(zhuǎn)動速度及輸出電壓，可獲取更高的能量產(chǎn)出。海上風(fēng)電年平均利用小時(shí)可達(dá)3000 h以上，離岸10 km的海上風(fēng)速比岸上高25%[7]，海上風(fēng)電場的能量收益比沿海風(fēng)資源豐富地區(qū)的陸地風(fēng)機(jī)高出20%～40%[8]，所以海上風(fēng)機(jī)更具吸引力。

2 海上風(fēng)力發(fā)電傳輸方案

海上風(fēng)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(wǎng)。并且由于自然風(fēng)的隨機(jī)性，預(yù)測準(zhǔn)確度不高，風(fēng)力發(fā)電的波動性較大，隨著海上風(fēng)電場的容量越來越大，對系統(tǒng)的影響也越來越明顯。目前可采用的海上風(fēng)電場并網(wǎng)方案主要是高壓交流（HVAC），基于相控變流器的常規(guī)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(diǎn)進(jìn)行比較分析[9-11]。

2.1 HVAC并網(wǎng)方式

目前海上風(fēng)電場規(guī)模較小、離岸距離教近，普遍采用HVAC并網(wǎng)方式，如圖1所示。高壓交流并網(wǎng)方式最大優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、并網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低。

圖1 高壓交流并網(wǎng)方式

HVAC并網(wǎng)方案使用的是交流電纜，在傳輸交流電能時(shí)會產(chǎn)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(shí)際輸電容量，并且隨著輸電距離的增加這種現(xiàn)象越嚴(yán)重。因此，必需在電纜兩端的變電站增設(shè)大容量感性無功補(bǔ)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(shè)帶來困難。而從國內(nèi)外海上風(fēng)電場的規(guī)劃方案來看，海上風(fēng)電場的容量會越來越大，一般大中型海上風(fēng)電場的裝機(jī)容量都會達(dá)到200 MW甚至1000 MW以上。同時(shí)，海上風(fēng)電場的地理位置一般距負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，其就近的接入電網(wǎng)主要是低壓配電網(wǎng)，這樣的輸電系統(tǒng)R/X比值較大、短路容量較低，而使用HVAC并網(wǎng)方式需要接入電網(wǎng)的短路容量比較大，進(jìn)一步制約了海上風(fēng)電場的并網(wǎng)容量。此外，HVAC并網(wǎng)方式也意味著風(fēng)電場和所接入的陸上交流系統(tǒng)必須保持同步，無論是風(fēng)電場側(cè)，還是系統(tǒng)側(cè)發(fā)生故障都會直接影響到另一側(cè)。隨著海上風(fēng)電場裝機(jī)容量的增大和離岸距離的增加，HVAC并網(wǎng)方式的經(jīng)濟(jì)性和可靠性會降低，使其在遠(yuǎn)距離大容量海上風(fēng)電場并網(wǎng)中的應(yīng)用非常有限。

2.2 LCC-HVDC并網(wǎng)方式

LCC-HVDC產(chǎn)生于上世紀(jì)50年代，經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，在陸上輸電系統(tǒng)中已經(jīng)有了一定應(yīng)用。因其適宜遠(yuǎn)距離輸送、輸電容量大、易于控制和調(diào)節(jié)，在海上風(fēng)電場并網(wǎng)工程中應(yīng)用前景樂觀。

基于LCC-HVDC技術(shù)的海上風(fēng)電場并網(wǎng)傳輸系統(tǒng)如圖2所示，包括：換流變壓器、無功補(bǔ)償設(shè)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(shè)備以及控制和保護(hù)設(shè)備。

圖2 常規(guī)高壓直流輸電并網(wǎng)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(guān)斷過程，只有當(dāng)流過晶閘管的電流為零，且管兩端電壓在一段時(shí)間內(nèi)為零或負(fù)值時(shí)，晶閘管才能可靠關(guān)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(fā)，其整流側(cè)的觸發(fā)滯后角一般要保證10～15°，而逆變側(cè)的關(guān)斷越前角一般為15°或更大些。因此LCC-HVDC在運(yùn)行過程中，需要吸收大量的無功功率，其數(shù)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(shè)大量的無功補(bǔ)償設(shè)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(guān)頻率一般都比較低，換流站運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量諧波，需要在兩端的換流站增設(shè)體積龐大的交流濾波裝置。（3）LCC-HVDC輸電系統(tǒng)對所聯(lián)交流系統(tǒng)的故障非常敏感，故障發(fā)生時(shí)交流母線電壓會下降，容易導(dǎo)致?lián)Q相失敗，造成系統(tǒng)運(yùn)行事故。

2.3 HVDC-Flexible并網(wǎng)方式

HVDC-Flexible是一種基于電力電子技術(shù)的新型輸配電技術(shù)，以IGBT、IGCT等全控電力電子器件和PWM技術(shù)為核心，具有很好的性能：獨(dú)立控制有功、無功功率；可連接弱交流系統(tǒng)或無源系統(tǒng)；不會增加交流系統(tǒng)的短路容量；變流站采用模塊化設(shè)計(jì)，安裝、調(diào)試簡單等等。從瑞典Gotland、丹麥Tjaereborg等并網(wǎng)風(fēng)電場工程的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，HVDC-Flexible不僅能夠減小風(fēng)電場對電網(wǎng)穩(wěn)定性、安全性和電能質(zhì)量等方面的影響，而且可以提高并網(wǎng)風(fēng)電場的輸送容量和風(fēng)電場的接入容量，靈活控制風(fēng)電潮流。

但HVDC-Flexible變流站也存在開關(guān)損耗較大等問題，與HVAC、LCC-HVDC之間不存在絕對的優(yōu)劣，需要綜合考慮。在輸送功率相同和可靠性指標(biāo)相當(dāng)?shù)臈l件下，雖然HVAC中換流站的建造費(fèi)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(dāng)海底電纜輸電距離增加到一定值，交、直流輸電方式的設(shè)備總成本可以相等，這個(gè)距離就稱為交直流輸電等價(jià)距離，如圖3所示[13]。

圖3 交直流輸電等價(jià)距離示

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

一般海上風(fēng)電場裝機(jī)容量在100 MW內(nèi)，或離岸距離在100 km內(nèi)，HVAC并網(wǎng)方式相對其他2種直流并網(wǎng)方式具有更大的優(yōu)勢。而在考慮了海上變流站的施工費(fèi)用和安裝難度的因素，海上風(fēng)電場裝機(jī)容量在100～400 MW之間時(shí)，相對于LCC-HVDC來說，HVDC-Flexible在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上更優(yōu)越。而當(dāng)裝機(jī)容量超過400 MW時(shí)，LCC-HVDC占有優(yōu)勢。

3 海上風(fēng)電場HVDC-Flexible并網(wǎng)方案

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

3.1 并網(wǎng)方案一

如圖4所示，每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的交流電經(jīng)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(fēng)電場的直流升壓站，升壓站內(nèi)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(jīng)過海底直流電纜將海上風(fēng)電場的電能輸送到岸上的VSC換流站，經(jīng)岸上VSC換流站變換為交流電后接入電網(wǎng)。

圖4 海上風(fēng)電場HVDC-Flexible并網(wǎng)方案一

該方案的優(yōu)點(diǎn)是可以通過獨(dú)立的VSC靈活控制每臺風(fēng)機(jī)的有功、無功功率；每臺風(fēng)機(jī)可以根據(jù)本臺風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)風(fēng)速，調(diào)節(jié)機(jī)組輸出交流電壓的頻率，使得本機(jī)組工作在理想的轉(zhuǎn)速，以保證本機(jī)組功率捕獲性能始終保持最優(yōu)狀態(tài)。其缺點(diǎn)是風(fēng)電機(jī)組內(nèi)電氣結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮VSC的結(jié)構(gòu)和安裝位置，增加了風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)和安裝的難度；并且海上風(fēng)電場的VSC控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，如果機(jī)組側(cè)VSC直流電壓控制不當(dāng)?shù)脑?，可能會在VSC之間產(chǎn)生換流；由于要考慮單臺機(jī)組VSC的尺寸，所以其輸入輸出電壓等級較低，需經(jīng)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(shù)主要應(yīng)用在小功率低電壓的開關(guān)電源領(lǐng)域，在大功率和高電壓領(lǐng)域的工程實(shí)例基本沒有；同時(shí)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(shù)目比較多，增加了設(shè)備成本；由于每臺機(jī)組都裝有VSC，增加了維護(hù)難度。

3.2 并網(wǎng)方案二

如圖5所示，將海上風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)分成多組，每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的交流電經(jīng)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(nèi)的VSC輸出電壓串聯(lián)起來，使得每一組的輸出直流電壓達(dá)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(jīng)過海底直流電纜將海上風(fēng)電場的電能輸送到岸上的VSC換流站，經(jīng)岸上VSC換流站變換為50 Hz交流電后接入電網(wǎng)[14，15]。

圖5 海上風(fēng)電場HVDC-Flexible并網(wǎng)方案二

該方案具有方案一的優(yōu)點(diǎn)，且相對于方案一來說，節(jié)省了DC/DC升壓站的設(shè)計(jì)和安裝，降低了并網(wǎng)的技術(shù)難度和成本。該方案也存在與方案一類似的缺點(diǎn)，由于對風(fēng)電場內(nèi)的VSC進(jìn)行分組和串并聯(lián)連接，使得海上風(fēng)電場的內(nèi)部接線比較復(fù)雜，增加了海上風(fēng)電場安裝和施工難度。

3.3 并網(wǎng)方案三

如圖6所示，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)機(jī)劃分成獨(dú)立的幾塊區(qū)域，各區(qū)域內(nèi)的所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓經(jīng)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(nèi)各組VSC將本段母線的交流電能轉(zhuǎn)化為±150 kV的直流電能，再經(jīng)本組專用的海底直流電纜將直流電能傳輸?shù)较鄳?yīng)的岸上VSC，各組岸上VSC再獨(dú)立地將本組的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，經(jīng)過變壓器接入電網(wǎng)[16]。

圖6 海上風(fēng)電場HVDC-Flexible并網(wǎng)方案三

該方案的優(yōu)點(diǎn)是：每片區(qū)域內(nèi)的風(fēng)電場只通過本組的背靠背型HVDC-Flexible系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)運(yùn)行，不需要裝設(shè)體積龐大的VSC變流器，從而降低了風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場內(nèi)部主接線的設(shè)計(jì)和安裝難度，同時(shí)也降低了VSC的控制設(shè)計(jì)和維護(hù)難度，適合于單片區(qū)域內(nèi)風(fēng)機(jī)容量約為400 MW，風(fēng)電場總?cè)萘砍^600 MW的大型海上風(fēng)電場。其缺點(diǎn)是：海上換流站內(nèi)分段母線較多，要配備多套母線保護(hù)設(shè)備，增加了設(shè)備成本和維護(hù)難道；區(qū)域內(nèi)所有風(fēng)機(jī)都只受同一個(gè)VSC控制，區(qū)域內(nèi)機(jī)組不能獨(dú)立控制自身的有功、無功功率，所有風(fēng)機(jī)只能工作在同一個(gè)轉(zhuǎn)速下，無法保證區(qū)域內(nèi)每臺機(jī)組功率捕獲性能始終保持最優(yōu)狀態(tài)；使用了多套背靠背型柔性直流輸電系統(tǒng)，增加了成本和維護(hù)難度，總的開關(guān)損耗也比較大。

3.4 并網(wǎng)方案四

如圖7所示，風(fēng)電場內(nèi)所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓經(jīng)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(nèi)VSC將交流電能轉(zhuǎn)化為±150 kV的直流電能，再經(jīng)過海底直流電纜將直流電能傳輸?shù)桨渡蟅SC，岸上VSC再將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，經(jīng)過變壓器接入電網(wǎng)[10]。

圖7 海上風(fēng)電場HVDC-Flexible并網(wǎng)方案四

該方案的優(yōu)點(diǎn)是：風(fēng)電場內(nèi)電氣主接線較簡單，總的成本相對也比較低，安裝和維護(hù)難度相對前面的幾種方案也比較低。其缺點(diǎn)是：所有風(fēng)機(jī)都只受同一個(gè)VSC控制，區(qū)域內(nèi)機(jī)組不能獨(dú)立控制自身的有功、無功功率，所有風(fēng)機(jī)只能工作在同轉(zhuǎn)速下，無法保證區(qū)域內(nèi)每臺機(jī)組功率捕獲性能始終保持最優(yōu)狀態(tài)，這種并網(wǎng)方案適合于裝機(jī)容量100～400 MW海上風(fēng)電場。

4 結(jié)束語

海上風(fēng)電以其獨(dú)特的優(yōu)勢已開始引領(lǐng)風(fēng)電未來的發(fā)展。世界上許多國家都十分重視海上風(fēng)電的開發(fā)和利用，紛紛著手建設(shè)海上風(fēng)電場，更加高效大規(guī)模地發(fā)展風(fēng)電。開展對海上風(fēng)電場并網(wǎng)方式的研究，對于解決海上風(fēng)電場的關(guān)鍵技術(shù)問題，進(jìn)一步推動風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，都有著重要的意義。

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