大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)多端直流網(wǎng)拓?fù)涞膬?yōu)化設(shè)計(jì)

吳國(guó)祥,　孫繼國(guó),　吳國(guó)慶,　蔡旭

(1.南通大學(xué) 電子信息學(xué)院 江蘇省風(fēng)能應(yīng)用技術(shù)工程中心,江蘇 南通 226019;

2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 風(fēng)力發(fā)電研究中心,上海 200240)

?

大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)多端直流網(wǎng)拓?fù)涞膬?yōu)化設(shè)計(jì)

吳國(guó)祥1,孫繼國(guó)1,吳國(guó)慶1,蔡旭2

(1.南通大學(xué) 電子信息學(xué)院 江蘇省風(fēng)能應(yīng)用技術(shù)工程中心,江蘇 南通 226019;

2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 風(fēng)力發(fā)電研究中心,上海 200240)

摘要:多端直流輸電能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電、多落點(diǎn)受電,是一種靈活、快捷的輸電方式,是海上大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)展方向。本文詳細(xì)分析了海上風(fēng)電場(chǎng)多端直流網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),對(duì)各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的線路容量、直流斷路器數(shù)量、線路利用率、是否需要海上平臺(tái)等問題進(jìn)行了研究。在對(duì)各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析對(duì)比的基礎(chǔ)上,推薦了一種風(fēng)電場(chǎng)環(huán)形拓?fù)?該拓?fù)湫枰獢嗦菲鲾?shù)量少(等于風(fēng)電場(chǎng)的個(gè)數(shù)),增加了風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)之間功率控制的柔性,是一種優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在輸電線路故障時(shí),通過斷路器和隔離開關(guān)的控制,風(fēng)電場(chǎng)仍可以向電網(wǎng)發(fā)電,提高了系統(tǒng)的靈活性和冗余性,并進(jìn)行了算例驗(yàn)證。文中推薦的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)多端直流網(wǎng)的運(yùn)行控制有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞:海上風(fēng)電場(chǎng); 多端直流; 拓?fù)鋬?yōu)化; 高壓直流換流站; 風(fēng)電場(chǎng)環(huán)形拓?fù)?/p>

孫繼國(guó)(1987—) ，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇笠?guī)模海上風(fēng)力發(fā)電；

吳國(guó)慶(1957—) ，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電；

蔡旭(1964—) ，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電。

0引言

和傳統(tǒng)的陸上風(fēng)力發(fā)電相比,海上風(fēng)力發(fā)電具有風(fēng)速高、容量大等優(yōu)點(diǎn)[1],是未來風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展趨勢(shì)。海上風(fēng)電采用交流或直流傳輸,主要取決于安裝成本,當(dāng)陸上架空線的輸電距離大于600～800km或海底電纜的輸電距離大于60～80km時(shí),直流輸電(HVDC)比交流輸電(HVAC)更為經(jīng)濟(jì)[2]。

近年來基于電壓源型高壓直流(voltage source converter based HVDC, VSC-HVDC)輸電得到了快速發(fā)展[3],用于海上風(fēng)電場(chǎng)電能的接入與傳輸,VSC-HVDC突出了全控電力電子器件和PWM調(diào)制的技術(shù)特點(diǎn)[4],實(shí)現(xiàn)了有功和無功的解耦控制,在潮流反轉(zhuǎn)時(shí)保持電壓極性不變。然而,輕型直流輸電系統(tǒng)一旦其中一個(gè)VSC故障退出,VSC-HVDC系統(tǒng)將處于癱瘓狀態(tài)[5],而基于VSC的多端直流輸電系統(tǒng)(VSC-multi-terminal HVDC,VSC-MTDC)在運(yùn)行靈活性、可靠性等方面比兩端系統(tǒng)更具技術(shù)優(yōu)勢(shì)[6-7],可以降低海上風(fēng)電場(chǎng)的電能匯聚和傳輸系統(tǒng)損耗,減小海上平臺(tái)載荷重量,提高風(fēng)電場(chǎng)的接入和傳輸容量,實(shí)現(xiàn)潮流的靈活控制[8]。

目前,世界上只有3項(xiàng)多端直流輸電工程投入運(yùn)行,即意大利-科西嘉-撒丁島3端(200 kV、200 MW,1987年)、加拿大魁北克-新英格蘭5端(±500 kV、2 250 MW,1992年)和日本的新信濃背靠背3端直流系統(tǒng)(10.6 kV、153 MW, 2000年)。此外,加拿大的納爾遜河(±500 kV、3 800 MW,1985年)和美國(guó)太平洋聯(lián)絡(luò)線直流輸電工程(±500 kV、3 100 MW,1989年)也具有4端直流輸電系統(tǒng)的特性。

在大規(guī)模海上風(fēng)力發(fā)電多端直流系統(tǒng)中,多個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)和陸上電網(wǎng)通過直流網(wǎng)相連。相對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的輕型直流輸電,多端直流系統(tǒng)面臨著很多技術(shù)挑戰(zhàn)[9-11],如系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、換流站之間的協(xié)同控制、直流斷路技術(shù)、黑啟動(dòng)能力等,而多端直流網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行控制、發(fā)電效率、靈活性和冗余性起決定性的作用,國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)此問題的研究甚少,因此有必要進(jìn)行研究。

1系統(tǒng)的拓?fù)浞治雠c設(shè)計(jì)

輕型直流輸電系統(tǒng)中,風(fēng)電場(chǎng)和整流站相連,電網(wǎng)和逆變站相連。在換流站或直流線路出現(xiàn)故障時(shí),通常是斷開電網(wǎng)側(cè)的交流斷路器,隨之出現(xiàn)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速失調(diào)、母線電壓失控,這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的輸電系統(tǒng)缺乏柔性[12]。多端直流輸電能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電、多落點(diǎn)受電,是一種靈活、快捷的輸電方式[13],可以提高海上風(fēng)能接入和傳輸?shù)撵`活性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和故障運(yùn)行的冗余性。海上風(fēng)電多端直流系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜多變[14],其運(yùn)行控制與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān),包括常規(guī)環(huán)形拓?fù)?general ring topology,GRT)、星形拓?fù)?star topology,ST)、星形中央開關(guān)環(huán)形拓?fù)?star with a central switching ring topology,SGRT)、電網(wǎng)環(huán)形拓?fù)?substations ring topology,SSRT)等。

VSC-MTDC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮經(jīng)濟(jì)和技術(shù)因素[15]。經(jīng)濟(jì)因素取決于電纜長(zhǎng)度、換流站和線路容量、直流斷路器和隔離開關(guān)數(shù)量、海上平臺(tái)和快速通訊設(shè)施等;技術(shù)因素包括系統(tǒng)連接的柔性、故障運(yùn)行的冗余性和線路利用率等。

直流電流沒有周期性的自然過零點(diǎn),而電弧需要過零熄滅,因此直流斷路比交流斷路困難得多[16]。固態(tài)斷路器具有快速阻斷直流電流的能力,但價(jià)格昂貴、通態(tài)損耗大,因此必須減少VSC-MTDC系統(tǒng)中固態(tài)斷路器的數(shù)量。

1.1　常規(guī)環(huán)形拓?fù)?GRT)

多端直流的常規(guī)環(huán)形拓?fù)淙鐖D1所示,母線與直流斷路器、隔離開關(guān)連接成環(huán)形。當(dāng)環(huán)鏈斷開時(shí),部分線路必須傳輸系統(tǒng)的全部功率,環(huán)形線路正常運(yùn)行在閉環(huán)狀態(tài),此時(shí)所有斷路器和隔離開關(guān)全部閉合;若有一斷路器或隔離開關(guān)開路,則系統(tǒng)運(yùn)行在開環(huán)狀態(tài)。

圖1　常規(guī)環(huán)形拓?fù)?/p>

在換流站故障或直流線路故障時(shí),與故障點(diǎn)相連的兩個(gè)斷路器迅速斷路,將故障子系統(tǒng)隔離,剩下的正常子系統(tǒng)工作在開環(huán)狀態(tài)。當(dāng)故障電流衰減到零時(shí),隔離開關(guān)斷開,將故障區(qū)域隔離,斷路器重新閉合。常規(guī)環(huán)形拓?fù)湟圆糠志€路全功率容量為代價(jià),提高了系統(tǒng)運(yùn)行控制的柔性。長(zhǎng)期故障或維修時(shí),系統(tǒng)運(yùn)行在開環(huán)狀態(tài),需要通訊來協(xié)調(diào)控制斷路器和隔離故障點(diǎn)。

對(duì)于圖1所示的常規(guī)環(huán)形拓?fù)?需要斷路器的數(shù)量nCB等于風(fēng)電場(chǎng)側(cè)整流站數(shù)nW和網(wǎng)側(cè)逆變站的數(shù)量nG之和,即nCB=nW+nG;環(huán)形線路需要電纜的數(shù)量nL=nW+nG,線路容量為系統(tǒng)容量。正常運(yùn)行時(shí),若t0時(shí)刻線路L1突然發(fā)生短路故障,當(dāng)t1時(shí)刻系統(tǒng)檢測(cè)到故障后,斷路器CB1、CB2斷路,風(fēng)電場(chǎng)W2脫離直流網(wǎng);t2時(shí)刻線路L1的故障電流衰減到零時(shí),斷開隔離開關(guān)IS2;t3時(shí)刻CB2閉合,風(fēng)電場(chǎng)W2恢復(fù)正常的發(fā)電運(yùn)行。若用固態(tài)斷路器來代替隔離開關(guān),則風(fēng)電場(chǎng)W2不需要脫網(wǎng),但會(huì)提高成本。當(dāng)線路L2或L4發(fā)生短路故障時(shí),其他線路必須傳輸全功率容量。

1.2　星形拓?fù)?ST)

多端直流的星形拓?fù)淙鐖D2所示,每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)或電網(wǎng)通過變壓器、換流站、電纜、斷路器與中心節(jié)點(diǎn)相連,每條電纜的容量為對(duì)應(yīng)風(fēng)電場(chǎng)或?qū)?yīng)電網(wǎng)的容量。若直流電纜或換流站發(fā)生故障,則相應(yīng)的斷路器動(dòng)作,切除故障線路。

圖2　星形拓?fù)?/p>

這種拓?fù)湫枰⒑Ｉ掀脚_(tái)或海底平臺(tái)安裝斷路器,實(shí)現(xiàn)星形連接,需要nCB(=nW+nG)個(gè)斷路器和nL(=nW+nG)條電纜。若從中心節(jié)點(diǎn)到風(fēng)電場(chǎng)的線路發(fā)生永久故障,風(fēng)電場(chǎng)將會(huì)脫離系統(tǒng)。星形拓?fù)溥\(yùn)行控制的靈活性比常規(guī)環(huán)形拓?fù)洳?這種拓?fù)涞淖畲笕秉c(diǎn)是中心節(jié)點(diǎn)故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓,因此對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)多端直流網(wǎng)的連接不可行。

1.3　星形中央開關(guān)環(huán)形拓?fù)?SGRT)

多端直流的星形中央開關(guān)環(huán)形拓?fù)淙鐖D3所示,將常規(guī)環(huán)形拓?fù)浜托切瓮負(fù)浣Y(jié)合,成為一種新的混合形拓?fù)洹ｏL(fēng)電場(chǎng)、電網(wǎng)分別和中央開關(guān)環(huán)形連接,這種拓?fù)渫瑫r(shí)具有常規(guī)環(huán)形拓?fù)浜托切瓮負(fù)涞膬?yōu)點(diǎn),將風(fēng)電場(chǎng)、電網(wǎng)和中央開關(guān)環(huán)形連接的電纜長(zhǎng)度降到最小值。

這種拓?fù)涞娜秉c(diǎn)是需要建立海上平臺(tái),將斷路器在平臺(tái)上環(huán)形連接,需要nCB(=nW+nG)個(gè)斷路器。中央開關(guān)環(huán)形和風(fēng)電場(chǎng)、電網(wǎng)相連需要傳輸電纜nL(=nW+nG)條,其電纜容量分別為對(duì)應(yīng)的風(fēng)電場(chǎng)或電網(wǎng)容量,而中央開關(guān)環(huán)形線路容量為系統(tǒng)容量。故障時(shí)系統(tǒng)控制比較靈活,若中央開關(guān)環(huán)形到風(fēng)電場(chǎng)的電纜線路出現(xiàn)故障,則風(fēng)電場(chǎng)必須切除。

圖3　星形中央開關(guān)環(huán)形拓?fù)?/p>

1.4 　電網(wǎng)環(huán)形拓?fù)?SSRT)

電網(wǎng)環(huán)形拓?fù)淙鐖D4所示,線路出現(xiàn)故障時(shí),通過斷路器和隔離開關(guān)的控制,風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流站被隔離,電網(wǎng)側(cè)換流站仍然和環(huán)形線路相連。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然降低了風(fēng)電場(chǎng)側(cè)控制的靈活性,但增加了電網(wǎng)側(cè)控制的靈活性。

圖4　電網(wǎng)環(huán)形拓?fù)?/p>

更多復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以提高系統(tǒng)的控制性能,但需要增加線路長(zhǎng)度、斷路器數(shù)量和復(fù)雜的控制策略等,從而增加了成本。例如混合環(huán)形拓?fù)?HVDC環(huán)和HVAC環(huán))、雙系統(tǒng)環(huán)拓?fù)?雙GRT環(huán))、雙星拓?fù)?中心結(jié)點(diǎn)不同)、星形環(huán)形拓?fù)?ST和GRT)。

1.5　風(fēng)電場(chǎng)環(huán)形拓?fù)?WFRT)

在分析和比較以上拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,本文給出了一種風(fēng)電場(chǎng)環(huán)形拓?fù)?如圖5所示。風(fēng)電場(chǎng)通過斷路器、隔離開關(guān)、電纜連接成環(huán)形。這種拓?fù)淇梢詫嗦菲鞯臄?shù)量降到最少(等于風(fēng)電場(chǎng)的個(gè)數(shù)),其結(jié)構(gòu)類似于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的VSC-HVDC,但增加了風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)之間功率控制的柔性。

與電網(wǎng)環(huán)形拓?fù)湎啾?在線路故障或維修時(shí),風(fēng)電場(chǎng)環(huán)形拓?fù)湓黾恿孙L(fēng)電場(chǎng)側(cè)控制的靈活性,降低了電網(wǎng)側(cè)控制的靈活性。相比之下風(fēng)電場(chǎng)環(huán)形拓?fù)涓哂袃?yōu)越性,因?yàn)檩旊娋€路故障時(shí),通過斷路器和隔離開關(guān)的控制,風(fēng)電場(chǎng)仍然可以向電網(wǎng)發(fā)電。根據(jù)海上風(fēng)電場(chǎng)的距離和費(fèi)用,風(fēng)電場(chǎng)環(huán)形拓?fù)淇梢耘渲贸纱蟮沫h(huán)形或中央開關(guān)環(huán)形。

圖5　風(fēng)電場(chǎng)環(huán)形拓?fù)?/p>

發(fā)生故障時(shí),故障點(diǎn)兩端的高壓直流斷路器斷開,相應(yīng)的風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)脫離系統(tǒng),當(dāng)斷開的線路電流降低到零時(shí),隔離開關(guān)斷開以隔離故障線路,高壓直流斷路器閉合將斷開的風(fēng)電場(chǎng)連接到其他電網(wǎng)。

對(duì)于圖5所示的拓?fù)?若在t0時(shí)刻線路L7發(fā)生故障,當(dāng)t1時(shí)刻系統(tǒng)檢測(cè)到故障后, CB2、CB3斷路,W4風(fēng)電場(chǎng)、G3電網(wǎng)脫離系統(tǒng);當(dāng)故障線路L7的電流衰減到零時(shí),隔離開關(guān)IS8斷開,CB2、CB3閉合,重新構(gòu)成風(fēng)電場(chǎng)環(huán)形拓?fù)?W4風(fēng)電場(chǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用斷路器的數(shù)量nCB等于風(fēng)電場(chǎng)數(shù)nW,兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)之間環(huán)形線路的容量可以設(shè)計(jì)為兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)額定功率之和。風(fēng)電場(chǎng)環(huán)形拓?fù)淇刂品浅ｌ`活,但系統(tǒng)控制需要通訊實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。

2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的輕型直流輸電系統(tǒng),不需要直流斷路器來實(shí)現(xiàn)故障運(yùn)行的控制保護(hù)。常規(guī)環(huán)形拓?fù)?GRT)、星形拓?fù)?ST)、星形中央開關(guān)環(huán)形拓?fù)?(SGRT)需要nCB(=nW+nG)個(gè)高壓直流斷路器,即每個(gè)VSC換流站需要一個(gè)斷路器。部分環(huán)形拓?fù)鋾?huì)減少斷路器的數(shù)量,如電網(wǎng)環(huán)形拓?fù)渲恍枰猲G個(gè)斷路器,風(fēng)電場(chǎng)環(huán)形拓?fù)渲恍枰猲W個(gè)斷路器。

星形拓?fù)?、星形中央開關(guān)環(huán)形拓?fù)漭旊娋€路容量配置為相連換流站的容量;而常規(guī)環(huán)形拓?fù)滹L(fēng)電場(chǎng)側(cè)輸電線路容量配置為所連換流站容量,電網(wǎng)側(cè)輸電線路和環(huán)形線路容量配置為系統(tǒng)容量,環(huán)形線路增加了故障時(shí)控制的靈活性,但成本較高。電網(wǎng)環(huán)形拓?fù)?SSRT)和風(fēng)電場(chǎng)環(huán)形拓?fù)?WFRT)的輸電線路容量為單個(gè)網(wǎng)側(cè)換流站的容量,環(huán)形線路容量為單個(gè)網(wǎng)側(cè)換流站容量的兩倍。

多端直流系統(tǒng)故障時(shí)刻可以改變功率流向,控制非常靈活。但星形拓?fù)渲行墓?jié)點(diǎn)故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。線路長(zhǎng)期故障或部分線路斷路運(yùn)行時(shí),多端直流系統(tǒng)運(yùn)行控制的柔性非常重要。對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的輕型直流輸電系統(tǒng),若輸電線路出現(xiàn)故障,整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)將會(huì)切除;在常規(guī)環(huán)形拓?fù)?GRT)中,若環(huán)形線路或換流站發(fā)生故障,則故障線路或換流站被切除,剩下線路和換流站繼續(xù)運(yùn)行在開環(huán)狀態(tài)。對(duì)于星形拓?fù)?ST)、星形中央開關(guān)環(huán)形拓?fù)?SGRT),線路故障就會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流站脫離系統(tǒng)。對(duì)于電網(wǎng)環(huán)形拓?fù)?SSRT),若輸電線路發(fā)生故障,則對(duì)應(yīng)風(fēng)電場(chǎng)脫離系統(tǒng);若環(huán)形線路發(fā)生故障,則系統(tǒng)開環(huán)運(yùn)行。類似地,在風(fēng)電場(chǎng)環(huán)形拓?fù)?WFRT)中,若輸電線路發(fā)生故障,則對(duì)應(yīng)電網(wǎng)脫離系統(tǒng);若環(huán)形線路發(fā)生故障,則系統(tǒng)開環(huán)運(yùn)行。

星形拓?fù)?ST)、星形中央開關(guān)環(huán)形拓?fù)?(SGRT)需要建立海上平臺(tái),而其他拓?fù)洳恍枰?常規(guī)環(huán)形拓?fù)?GRT)、電網(wǎng)環(huán)形拓?fù)?SSRT) 、風(fēng)電場(chǎng)環(huán)形拓?fù)?WFRT)需要快速通訊實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制與保護(hù)。相關(guān)拓?fù)涮匦苑治鋈绫?所示。

表1　大型海上風(fēng)電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析比較

3算例分析

利用簡(jiǎn)單的算例來分析比較不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能指標(biāo),其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。系統(tǒng)包括4個(gè)容量為500MW的海上風(fēng)電場(chǎng)和4個(gè)容量為500MW的陸上電網(wǎng)。風(fēng)電場(chǎng)、電網(wǎng)位置如表2所示。不同拓?fù)涞呐渲脤?duì)比分析如表3所示,包括電纜數(shù)量、長(zhǎng)度、配置容量、斷路器數(shù)量、線路利用率(穩(wěn)態(tài)運(yùn)行功率和配置功率的比值)等。

表2　風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)的位置 (km)

圖6　不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析比較

拓?fù)潆娎|數(shù)量電纜長(zhǎng)度/km電纜容量/GW斷路器數(shù)量線路利用率/%GRT8681.931~2825~50SGRT風(fēng)電場(chǎng)側(cè)4438.760.5475電網(wǎng)側(cè)4476.170.6674100合計(jì)8914.938SSRT輸電線路4773.151450電網(wǎng)環(huán)線4334.670.50100合計(jì)81107.824WFRT風(fēng)電場(chǎng)環(huán)線4341.781450輸電線路4773.150.667075合計(jì)81114.934

從表3分析結(jié)果可知常規(guī)環(huán)形拓?fù)?GRT)需要8個(gè)斷路器,電纜長(zhǎng)度最短為681.93km,但線路容量最大為1～2GW;星形中央開關(guān)環(huán)形拓?fù)?SGRT) 需要8個(gè)斷路器,風(fēng)電場(chǎng)側(cè)線路容量為500MW,網(wǎng)側(cè)線路容量為667MW;電網(wǎng)環(huán)形拓?fù)?SSRT) 需要4個(gè)斷路器,輸電線路容量為1GW,電網(wǎng)環(huán)形線路容量為500MW;風(fēng)電場(chǎng)環(huán)形拓?fù)?WFRT) 需要4個(gè)斷路器,風(fēng)電場(chǎng)環(huán)形線路容量為1GW,輸電線路容量為667 MW。

常規(guī)環(huán)形拓?fù)?GRT)和風(fēng)電場(chǎng)環(huán)形拓?fù)?WFRT)具有很好的靈活性和容錯(cuò)性。在靠近風(fēng)電場(chǎng)側(cè)直流線路發(fā)生故障時(shí),通過斷路器和隔離開關(guān)的控制,可以保證風(fēng)電場(chǎng)繼續(xù)和系統(tǒng)相連,提高了海上風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)電能力和利用率;而星形中央開關(guān)環(huán)形拓?fù)?SGRT)和電網(wǎng)環(huán)形拓?fù)?SSRT)在此情況下將會(huì)失去500 MW的風(fēng)電場(chǎng)功率。在電網(wǎng)側(cè)直流線路或換流站發(fā)生故障時(shí),若采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的VSC-HVDC輸電方式將會(huì)產(chǎn)生500 MW的功率損失,而常規(guī)環(huán)形拓?fù)?GRT) 、星形中央開關(guān)環(huán)形拓?fù)?SGRT)、風(fēng)電場(chǎng)環(huán)形拓?fù)?WFRT)和電網(wǎng)環(huán)形拓?fù)?SSRT)不會(huì)產(chǎn)生功率損失。

總之,環(huán)形線路提高了系統(tǒng)的靈活性和容錯(cuò)性,同時(shí)也增加了線路容量。若對(duì)系統(tǒng)的靈活性和容錯(cuò)性要求較高,又要降低線路長(zhǎng)度的話,可選擇常規(guī)環(huán)形拓?fù)?GRT),但線路容量較大。在所有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,風(fēng)電場(chǎng)環(huán)形拓?fù)?WFRT)在場(chǎng)側(cè)線路或網(wǎng)側(cè)線路發(fā)生故障時(shí),靈活性和容錯(cuò)性最好,也不會(huì)產(chǎn)生功率損失,且使用斷路器的數(shù)量較少。

4結(jié)論

本文對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)多端直流系統(tǒng)的幾種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比,對(duì)各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的線路容量、直流斷路器數(shù)量、線路利用率、是否需要海上平臺(tái)等問題進(jìn)行了研究。分析結(jié)果表明海上風(fēng)電場(chǎng)的最佳拓?fù)?不僅需要考慮系統(tǒng)運(yùn)行控制的魯棒性,還需要考慮風(fēng)電場(chǎng)、電網(wǎng)接入的地理位置、電纜長(zhǎng)度、斷路器、通訊費(fèi)用等問題。

本文推薦的風(fēng)電場(chǎng)環(huán)形拓?fù)?WFRT)所使用的斷路器數(shù)量少,風(fēng)電場(chǎng)側(cè)運(yùn)行控制具有很好的靈活性,且不需要海上平臺(tái),在線路故障時(shí)容錯(cuò)性好,不會(huì)產(chǎn)生功率損失,是一種優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在未來大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)多端直流網(wǎng)的運(yùn)行控制中有著重要的意義。

參 考 文 獻(xiàn):

[1]ARAGUES-PENALBA M, EGEA-ALVAREZA A, GOMIS-BELLMUNT O,et al. Optimum voltage control for loss minimization in HVDC multi-terminal transmission systems for large offshore wind farms[J]. Electric Power Systems Research, 2012,89:54-63.

[2]徐政,屠卿瑞,裘鵬.從2010國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議看直流輸電技術(shù)的發(fā)展方向[J].高電壓技術(shù), 2010,36(12):3070-3076.

XU Zheng,TU Qingrui,QIU Peng. New trends in HVDC technology viewed through CIGRE 2010[J].High Voltage Engineering, 2010,36(12):3070-3076.

[3]湯廣福,賀之淵,滕樂天,等.電壓源換流器高壓直流輸電技術(shù)最新研究進(jìn)展[J].電網(wǎng)技術(shù),2008, 32(22):39-44,89.

TANG Guangfu,HE Zhiyuan,TENG Letian, et al. New progress on HVDC technology based on voltage source converter[J]. Power System Technology, 2008, 32(22):39-44,89.

[4]PREECE R,MILANOVIC J V. Tuning of a damping controller for multiterminal VSC-HVDC grids using the probabilistic collocation method[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 2014, 29(1):318-326.

[5]SILVA B,MOREIRA C L, LEITE H. Control strategies for AC fault ride through in multiterminal HVDC grids [J]. IEEE Transactions on Power Delivery,2014,29(1): 395-405.

[6]ISMUNANDAR C. Control of multi-terminal VSC-HVDC for offshore wind power integration[D]. Delft: Delft University of Technology,2010.

[7]DIERCKXSENS C, SRIVASTAVA K, REZA M, et al. A distributed DC voltage control method for VSC MTDC systems[J]. Electric Power Systems Research,2012,82: 54-58.

[8]EGEA-ALVAREZ A, BIANCHI F, JUNYENT-FERRE A, et al. Voltage control of multiterminal VSC-HVDC transmission systems for offshore wind power plants: design and implementation in a scaled platform[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013,60(6):2381-2391.

[9]ABDEL-KHALIK A S, MASSOUD A M, ELSEROUGI A A, et al.Optimum power transmission-based droop control design for multi-terminal HVDC of offshore wind farms[J].IEEE Transactions on Power Systems, 2013,28(3):3401-3409.

[10]LIANG J, GOMIS-BELLMUNT O, EKANAYAKE J, et al. A multi-terminal HVDC transmission system for offshore wind farms with induction generators[J]. Electrical Power and Energy Systems,2012,43: 54-62.

[11]CHAUDHURI N R, MAJUMDER R,CHAUDHURI B, et al. System frequency support through multi-terminal DC (MTDC) grids[J].IEEE Transactions on Power Systems, 2013,28(1):347-356.

[12]PINTO R T, BAUER P, RODRIGUES S F, et al. A novel distributed direct-voltage control strategy for grid integration of offshore wind energy systems through MTDC network[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013,60(6):2429-2441.

[13]XU L, YAO L. DC voltage control and power dispatch of a multi-terminal HVDC system for integrating large offshore wind farms[J].IET Renewable Power Generation,2011,5(3):223-233.

[14]MEYER C. Key Components for Future offshore DC grids[D]. Aachen:RWTH Aachen University, 2007.

[15]LIANG J, JING T J,GOMIS-BELLMUNT O, et al. Operation and control of multiterminal HVDC transmission for offshore wind farms[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 2011,26(4):2596-2604.

[16]TANG L X, OOI B T. Locating and isolating DC faults in multi-terminal DC systems[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 2007,22(3): 1877-1884.

(編輯：張?jiān)婇w)

Optimal topology design of multiterminal-HVDC for large offshore wind farms

WU Guo-xiang1,SUN Ji-guo1,WU Guo-qing1,CAI Xu2

(1. Jiangsu Engineering Research Center for Wind Energy Technology，School of Electronics and Information,Nantong University,

Nantong 226019,China; 2. Wind Power Research Center, School of Electronic Information and

Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240,China)

Abstract:Multiterminal HVDC is a flexible transmission method which supports multi power supply and multi power consumption. It is the trend of large offshore wind farms. Topologies of multiterminal HVDC-VSC transmission for large offshore wind farms were investigated.Various topologies were analyzed according to a number of criteria, including lines rating, number of HVDC circuit breakers,lines utilization and necessity of an offshore platform. A recommended topological structure was given based on the comparison.Wind farms ring topology(WFRT) is a optimal topology, which minimises the number of HVDC circuit breakers. The wind farm can still work by breakers and isolators in the event of a circuit fault. Flexibility and redundancy is improved,and case study is given in the situation. The recommended topology has some guiding significance in the running control of multiterminal DC networks.

Keywords:offshore wind farms; multiterminal HVDC; topology optimization; HVDC-VSC; wind farms ring topology

通訊作者:吳國(guó)祥

作者簡(jiǎn)介:吳國(guó)祥(1967—) ，男，博士后，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榇笠?guī)模海上風(fēng)力發(fā)電；

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(61273151); 中國(guó)博士后科學(xué)基金(2012M511092)

收稿日期:2014-08-11

中圖分類號(hào):TM 722

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1007-449X(2015)07-0095-06

DOI:10.15938/j.emc.2015.07.014