大規(guī)模海上風(fēng)電并網(wǎng)方式的研究

沙志成，張 丹，趙 龍

(1．山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，?jì)南 250013；2．國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，濟(jì)南 250002)

大規(guī)模海上風(fēng)電并網(wǎng)方式的研究

沙志成1，張 丹1，趙 龍2

(1．山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆瑵?jì)南 250013；2．國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，濟(jì)南 250002)

在風(fēng)力發(fā)電等可再生能源技術(shù)高速發(fā)展的潮流下，對(duì)比分析了適用于海上風(fēng)電場的高壓交流、常規(guī)高壓直流和柔性直流輸電3種并網(wǎng)方式。簡要介紹了柔性直流輸電的工作原理，詳細(xì)說明了柔性直流輸電技術(shù)在風(fēng)電并網(wǎng)上的應(yīng)用情況，并著重探討柔性直流輸電并網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性，認(rèn)為柔性直流輸電技術(shù)在海上風(fēng)電傳輸領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景。這對(duì)于滿足我國清潔高效的能源利用有著顯著的意義。

海上風(fēng)電；交流輸電；常規(guī)直流輸電；柔性直流輸電

相比于陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電具有建設(shè)規(guī)模和機(jī)組單機(jī)容量大，靠近電力負(fù)荷中心，并網(wǎng)和消納相對(duì)容易等特點(diǎn).由于風(fēng)機(jī)距離海岸較遠(yuǎn)，視覺干擾、噪聲很小,海上風(fēng)電還具有資源豐富、年利用小時(shí)數(shù)高、風(fēng)速穩(wěn)定、不占用土地資源、對(duì)生態(tài)環(huán)境影響較小等優(yōu)勢，在歐洲和美國等發(fā)達(dá)地區(qū)發(fā)展迅速。

我國海上風(fēng)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(fēng)速≥6 m/s 的時(shí)數(shù)為4 000 h，開發(fā)潛力巨大。另外，土地資源相對(duì)緊缺的東部沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)有待優(yōu)化，開發(fā)豐富的海上風(fēng)能資源已經(jīng)成為我國能源戰(zhàn)略的一個(gè)重要內(nèi)容。我國于2006年開始海上測風(fēng)，第一個(gè)大型海上風(fēng)電項(xiàng)目——上海東海大橋海上風(fēng)電場于2008年建成投產(chǎn)。但受建設(shè)成本、電價(jià)水平、海洋規(guī)劃、技術(shù)積累等因素制約，我國海上風(fēng)電發(fā)展較慢。隨著海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的逐漸成熟和設(shè)備國產(chǎn)化比例的提高，建設(shè)和運(yùn)行成本將大幅降低，海上風(fēng)電將成為未來新能源發(fā)展的重點(diǎn)。

風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)性、間歇性和隨機(jī)性導(dǎo)致了目前風(fēng)電功率預(yù)測準(zhǔn)確程度普遍偏低，同時(shí)大規(guī)模的風(fēng)電并網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)潮流、有功頻率特性、無功電壓特性等的變化，特別是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)比較薄弱的電網(wǎng)集中并入大規(guī)模風(fēng)電時(shí)，系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行將受到影響。另外，對(duì)于陸上風(fēng)電、光伏等新能源在電網(wǎng)中所占比例較高的區(qū)域，海上風(fēng)電接入電網(wǎng)會(huì)遇到更多問題。因而，海上風(fēng)電接入電網(wǎng)時(shí)，需確保滿足一定的性能指標(biāo)，包括系統(tǒng)穩(wěn)定性、暫態(tài)恢復(fù)能力、無功支撐能力、電壓調(diào)整率、頻率調(diào)整、電能質(zhì)量等。為減少海上風(fēng)電帶來的不利影響，可以通過加強(qiáng)地區(qū)間電網(wǎng)和陸上電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，提高電網(wǎng)輸送能力和系統(tǒng)的安全可靠。

1 海上風(fēng)電場的并網(wǎng)方式

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

HVAC方式具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低等特點(diǎn)，發(fā)展最為成熟。目前，使用HVAC是絕大多數(shù)陸上風(fēng)電場并網(wǎng)的選擇。但對(duì)于規(guī)模較大的海上風(fēng)電場，隨著并網(wǎng)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(jí)，將導(dǎo)致投資成本的急劇增加。另外，對(duì)于距離岸邊較遠(yuǎn)的海上風(fēng)電，為了抑制過電壓水平，需要加裝較大的感性無功設(shè)備補(bǔ)償并網(wǎng)電纜的充電功率。同時(shí), 海上風(fēng)電場交流系統(tǒng)必須與其接入的電網(wǎng)保持同步，受到擾動(dòng)后仍要維持系統(tǒng)的同步運(yùn)行。因此實(shí)際工程中該方法一般只用于傳輸容量小、傳輸距離短的風(fēng)電接入系統(tǒng)。距離海岸小于50 km且建設(shè)規(guī)模小于200 MW海上風(fēng)電場普遍采用HVAC方式。

將HVDC技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電并網(wǎng)，特別是對(duì)于遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電場，具有明顯優(yōu)勢：

(1)海上風(fēng)電采用HVDC方式后，不需要與陸上電網(wǎng)保持同步，因此，海上風(fēng)電場系統(tǒng)頻率的允許變化范圍較大，電網(wǎng)的每個(gè)聯(lián)絡(luò)終端都具有很強(qiáng)的獨(dú)立性，可以依照自己的控制策略運(yùn)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(fēng)電系統(tǒng)和陸上電網(wǎng)的故障，某些情況下，HVDC系統(tǒng)還可以參與故障后的狀態(tài)恢復(fù)。

(4)可以設(shè)定和控制直流傳輸系統(tǒng)的潮流。

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

(6)在相同的運(yùn)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(guī)格的一對(duì)直流電纜的60%。

高壓直流方式主要有兩類，常規(guī)直流輸電方式(LCC-HVDC)和柔性直流輸電技術(shù)(VSC-HVDC)。常規(guī)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(wǎng)方式下為確保換流器正常換相，需要交流側(cè)電網(wǎng)提供連續(xù)的換相電壓，風(fēng)電出力的不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致發(fā)生換相失敗故障的概率較高，海上風(fēng)電場安全穩(wěn)定運(yùn)行的能力大大降低。輸送功率相同情況下，常規(guī)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(dāng)風(fēng)力不夠或者風(fēng)力過大從系統(tǒng)中切除風(fēng)機(jī)后，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行同時(shí)給風(fēng)電場處的負(fù)荷供電，系統(tǒng)將向風(fēng)電場有限度地傳輸有功功率，這時(shí)需要對(duì)風(fēng)電側(cè)系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，但常規(guī)直流本身不能夠發(fā)出無功，而且還需要增加大量的無功補(bǔ)償裝置，換流站的占地面積也會(huì)相應(yīng)的加大，考慮到海上平臺(tái)的建設(shè)難度，因此常規(guī)直流輸電不適合海上風(fēng)電場使用[1]。

2 柔性直流輸電技術(shù)

柔性直流輸電是以脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)和IGBT等全控型器件為基礎(chǔ)，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(guān)斷來改變輸出電壓的相角和幅值，達(dá)到分別獨(dú)立控制交流側(cè)有功和無功功率的目的，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電功率輸送和穩(wěn)定電網(wǎng)運(yùn)行。作為新一代直流輸電技術(shù)，在完善常規(guī)輸電技術(shù)存在的一些固有缺陷[1]等方面卓有成效，解決了常規(guī)HVDC面臨的諸多難題，為變革輸電方式和構(gòu)建未來網(wǎng)絡(luò)格局提供了全新的解決方案。

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

圖1 VSC-HVDC輸電系統(tǒng)(雙端)示意圖

相比于常規(guī)直流輸電，柔性直流輸電技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)可以向無源網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(wěn)定工作，從而實(shí)現(xiàn)了向孤立無源網(wǎng)絡(luò)供電。

(2)有功和無功之間能夠獨(dú)立解耦控制并實(shí)現(xiàn)潮流快速翻轉(zhuǎn)。在正常工作狀態(tài)時(shí)，由于換流器具有可隨時(shí)開關(guān)的特點(diǎn)，柔性直流輸電不僅可以精準(zhǔn)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(yīng)翻轉(zhuǎn)潮流，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的靈活控制。

(3)在IGBT開關(guān)過程中可以有效地降低諧波分量的產(chǎn)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(tǒng)直流輸電的諸多濾波設(shè)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(shù)符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

(4)可以起到STATCOM作用，即不僅不需要從交流系統(tǒng)吸收無功功率，而且能夠動(dòng)態(tài)地向交流網(wǎng)絡(luò)提供無功，抑制電壓波動(dòng)和閃變，保持母線電壓穩(wěn)定。當(dāng)某區(qū)域電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，只要VSC具備足夠大容量，在設(shè)備允許范圍內(nèi)，該換流器可立即向該區(qū)域電網(wǎng)同時(shí)提供無功和有功功率，從而提高AC系統(tǒng)的功角和電壓的穩(wěn)定性。

(5)在系統(tǒng)短路時(shí)由于換流器AC側(cè)電流可控，輸送功率不會(huì)上升，增加同類系統(tǒng)后，也無需重新整定交流系統(tǒng)負(fù)責(zé)保護(hù)的相關(guān)設(shè)備或者裝置。

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

(7)各個(gè)VSC之間可單獨(dú)控制，無需通信。由于根據(jù)相鄰的交流系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)端控制技術(shù)的進(jìn)步，所以人工維護(hù)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(huán)節(jié)，減少對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響。

柔性直流輸電技術(shù)優(yōu)異的可控性能不僅可以提高風(fēng)電場、太陽能并網(wǎng)時(shí)抗干擾能力，而且可以有效地改善風(fēng)電系統(tǒng)電能質(zhì)量和低電壓穿越能力，并網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)暫態(tài)性能的要求也得到滿足[2]。因此，柔性直流輸電技術(shù)是解決大規(guī)?？稍偕茉吹募胁⒕W(wǎng)問題的重要手段。

3 柔性直流技術(shù)的應(yīng)用

作為世界上首個(gè)柔性直流輸電工程，瑞典Hellsjon試驗(yàn)工程已于1997年成功運(yùn)行。目前，VSC-HVDC技術(shù)已經(jīng)在我國開始了工程和商業(yè)應(yīng)用，±320 kV廈門柔性直流輸電科技示范工程于2015年正式投運(yùn)，是目前世界上電壓等級(jí)最高、輸送容量最大的柔性直流工程。將世界各國已投運(yùn)或在建的VSC-HVDC工程輸電電壓和容量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，送電功率一般在1 000 MW以內(nèi)，交流側(cè)電壓在10～320 kV之間，整理分析后繪制成統(tǒng)計(jì)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(fēng)電場通過SVC-HVDC方式并網(wǎng)已經(jīng)成為德國、英國等歐洲國家的發(fā)展方向。柔性直流輸電可以控制系統(tǒng)短路電流和進(jìn)行諧波污染治理，對(duì)于改善電網(wǎng)電能質(zhì)量也大有幫助。另外，有數(shù)據(jù)表明其在遠(yuǎn)距離、小容量送電時(shí)也十分具有競爭力。目前，世界上已有多個(gè)風(fēng)電場采用VSC-HVDC技術(shù)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(shù)后，利用地下直流電纜大大減少對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生的影響，不僅大大提高了風(fēng)電場內(nèi)部交流系統(tǒng)的功角、電壓穩(wěn)定性和風(fēng)能利用率，而且改善了Gotland島南部電網(wǎng)的電能質(zhì)量[3]。

4 柔性直流輸電的經(jīng)濟(jì)性

在可靠性指標(biāo)相當(dāng)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(jià)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(shè)成本更低。因此當(dāng)輸電距離逐漸增加，交流輸電較直流輸電電纜費(fèi)用增長要快，當(dāng)達(dá)到一定值時(shí)，兩種方式的建設(shè)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[4]，如圖3所示。

圖3 交直流輸電等價(jià)距離示意圖

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

一般來說，距離海岸在100 km內(nèi)、建設(shè)規(guī)模小于150 MW的海上風(fēng)電場，相對(duì)其他2種直流并網(wǎng)方式，采用HVAC具有更大的優(yōu)勢。建設(shè)規(guī)模在150～400 MW之間的海上風(fēng)電場時(shí)，考慮到海上換流站的施工費(fèi)用和安裝難度的因素，采用VSC-HVDC方式比常規(guī)HVDC在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上更為優(yōu)越。當(dāng)海上風(fēng)電場設(shè)規(guī)模超過400 MW時(shí)，常規(guī)HVDC方式占有優(yōu)勢。

5 結(jié)語

綜上所述，VSC-HVDC將電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)結(jié)合，簡化大型風(fēng)電場結(jié)構(gòu)，能夠通過其換流器的控制方案實(shí)現(xiàn)獨(dú)立解耦控制有功功率與無功功率的能力。具有易于擴(kuò)展，緊湊化、模塊化設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)多端直流輸電等優(yōu)點(diǎn)，很適合對(duì)無源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行供電。隨著VSC-HVDC技術(shù)的不斷進(jìn)步，輸送容量、直流側(cè)電壓、傳輸距離、控制技術(shù)等技術(shù)參數(shù)也逐步提高，采用其輸電的工程數(shù)量越來越多。在風(fēng)力發(fā)電等新能源技術(shù)高速發(fā)展的潮流下，基于電壓源型換流器技術(shù)的VSC-HVDC憑借其較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢，將成為必不可少甚至是唯一的輸電手段，對(duì)于滿足我國清潔高效的能源利用的需要，有著顯著的意義。

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(本文編輯：嚴(yán) 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(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃工作。

TM73

A

2095-1256(2017)02-0158-04

2017-03-23