基于直流風(fēng)電機組的風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)綜述

李戰(zhàn)龍，王祥君，王海云，馮其塔

(1.北京金風(fēng)科創(chuàng)風(fēng)電設(shè)備有限公司，北京 100176；2.新疆大學(xué) 可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制教育部工程研究中心，烏魯木齊 830049)

0 引 言

風(fēng)力發(fā)電已成為可再生能源發(fā)電技術(shù)中最成熟、最具大規(guī)模開發(fā)潛力的發(fā)電方式之一[1-2]。海上風(fēng)電具有風(fēng)能資源豐富、風(fēng)能密度高、風(fēng)電利用小時數(shù)高以及不占用土地、對環(huán)境影響小等優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景[3-4]。海上風(fēng)電開發(fā)是實現(xiàn)我國低碳能源轉(zhuǎn)型的重要戰(zhàn)略支撐[5]。

目前，海上風(fēng)電場的發(fā)展正呈現(xiàn)出一種大規(guī)模、大容量、遠(yuǎn)?；内厔輀6]，但現(xiàn)有的“交流匯集-交流傳輸”的傳統(tǒng)風(fēng)電輸電系統(tǒng)和“交流匯集-直流傳輸”的柔性直流輸電系統(tǒng)，在風(fēng)電場大規(guī)模、深海遠(yuǎn)?；^程中，將不可避免的面臨因交流電纜帶來的突出無功充電電流和過電壓問題，而由直流風(fēng)電機組組建的“直流匯集-直流傳輸”的風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)不僅可以解決因交流電纜導(dǎo)致的無功充電電流和過電壓問題，而且具有功率損耗小，風(fēng)電場功率和換流器電壓容易拓展，無需無功補償，無需笨重的工頻變壓器的優(yōu)點，已成為目前工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究熱點[7-8]。

目前已提出的風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)方案根據(jù)升壓方式主要可以分為兩大類：升壓裝置升壓方案和串聯(lián)升壓方案[9]。其中，升壓裝置升壓方案根據(jù)升壓裝置的安裝位置、升壓次數(shù)以及升壓裝置的連接方式的不同又可以分為集中升壓方案、兩級升壓方案、機端升壓方案[10]、升壓站直流并聯(lián)方案以及升壓站直流串聯(lián)方案[9]；串聯(lián)升壓方案根據(jù)串聯(lián)直流風(fēng)電機組陣列間的連接方式又可以分為直接串聯(lián)方案、串-并聯(lián)方案、并-串聯(lián)方案以及矩陣方案[11]。

文中首先介紹了集中升壓型、兩級升壓型、機端升壓型、升壓站直流并聯(lián)型和升壓站直流串聯(lián)型五種升壓裝置升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)方案，以及直接串聯(lián)型、串-并聯(lián)型、并-串聯(lián)型和矩陣型四種串聯(lián)升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)方案，并結(jié)合各類風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)方案的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和特點，指出各種方案的優(yōu)勢、不足；然后對各種方案的特點進行了分析和比較，指出其應(yīng)用前景；最后就目前風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)研究中存在的主要問題和發(fā)展趨勢進行了總結(jié)和展望。

1 升壓裝置升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)方案

升壓裝置升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)也可以稱為并聯(lián)型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)或輻射型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)[12]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的風(fēng)電交流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似[13]，通過升壓裝置實現(xiàn)電壓等級的提升。該方案可以借鑒現(xiàn)有的風(fēng)電交流輸電系統(tǒng)成熟的建設(shè)經(jīng)驗，實現(xiàn)難度較小。根據(jù)系統(tǒng)中升壓裝置的位置、升壓次數(shù)以及升壓裝置的連接方式的不同可以分為集中升壓型、兩級升壓型、機端升壓型[14]、升壓站直流并聯(lián)型和升壓站直流串聯(lián)型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)[9]。

1.1 集中升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)

集中升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)主要由海上直流風(fēng)電場、海上直流升壓站、高壓直流輸電線路、陸上換流站、陸上升壓站以及電網(wǎng)構(gòu)成。海上直流風(fēng)電場由多臺直流風(fēng)電機組并聯(lián)組成，每臺風(fēng)力發(fā)電機輸出交流電能經(jīng)AC/DC變換器整流為直流電能，經(jīng)低壓直流母線匯集后由海上直流升壓站將電壓提高到高壓直流輸電電壓等級，進而進行高壓電能傳輸[15]。

圖1 集中升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)

集中升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，只需要通過一次升壓可直接升至高壓；(2)采用單臺直流升壓變換器，在升壓過程中引起的損耗相對較少[11]，同時可以有效避免因多臺直流升壓變換器導(dǎo)致的環(huán)流發(fā)生[16]；(3)電能傳輸效率高[9]。該系統(tǒng)的不足之處：(1)當(dāng)風(fēng)電場規(guī)模較大時，風(fēng)電機組到海上直流升壓站的距離較長，風(fēng)電機組出口電壓較低，導(dǎo)致電能匯集過程中直流電纜上的能量損耗較大[17]；(2)需要建設(shè)海上升壓站，成本較高，施工難度較大；(3)對單臺直流升壓變換器的容量和變比的要求較高[18-19]。

1.2 兩級升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)

兩級升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)如圖2所示，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與集中升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)相似，不同之處在于該系統(tǒng)的海上直流風(fēng)電場的每臺直流風(fēng)電機組都配置了機側(cè)直流升壓變換器，風(fēng)力發(fā)電機輸出的交流電能經(jīng)整流后由機側(cè)直流升壓變換器進行一級升壓，將電壓升至中壓等級后在中壓直流母線匯集，然后由海上直流升壓站進行二級升壓，將電壓提高到高壓直流輸電電壓等級后進行高壓電能傳輸[15]。

圖2 兩級升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)

兩級升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：(1)通過配置機側(cè)直流升壓變換器使直流風(fēng)電機組輸出中壓直流電能，降低了電能匯集過程中的能量損耗[16]；(2)通過兩級升壓的方式降低了直流升壓變換器的升壓比[9]，降低了直流升壓變換器的設(shè)計難度；(3)更易于實現(xiàn)電壓的獨立控制，有助于提高風(fēng)電場的故障穿越能力[9]，工程實現(xiàn)難度較小。該系統(tǒng)的不足之處：(1)系統(tǒng)所需直流升壓變換器的數(shù)量較多，直流風(fēng)電機組輸出中壓直流電能后仍需大容量的直流升壓變換器將電壓抬升至高壓直流輸電電壓等級[20]；(2)需要建設(shè)海上升壓站，投資成本較大，升壓過程中的能量損耗相對較大，(3)多級升壓設(shè)備的組合很大程度上影響傳輸效率，多臺直流升壓變換器的并聯(lián)需要控制壓差以避免環(huán)流的產(chǎn)生，提高了控制難度[16]。

1.3 機端升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)

機端升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)如圖3所示，該系統(tǒng)主要由海上直流風(fēng)電場、陸上換流站、陸上升壓站和電網(wǎng)構(gòu)成。海上直流風(fēng)電場中每臺直流風(fēng)電機組的輸出端口都配置了高變比的機側(cè)直流升壓變換器，風(fēng)力發(fā)電機輸出的交流電能經(jīng)整流后通過機側(cè)直流升壓變換器直接升至高壓，通過高壓直流母線匯集后直接進行高壓直流傳輸[10]。

圖3 機端升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)

機端升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：(1)在直流風(fēng)電機組的出口處直接進行高變比升壓，在很大程度上降低了升壓損耗和電能匯集過程中的能量損耗；(2)通過機側(cè)直流升壓變換器，可實現(xiàn)機側(cè)電壓和功率的獨立控制[16]；(3)該方案無需建設(shè)海上升壓站，降低了投資成本和建設(shè)難度。該系統(tǒng)的不足之處：(1)大量的高變比直流升壓變換器直接連接在機側(cè)整流器上，使得控制參數(shù)及耦合量變多，增加了機側(cè)整體變流環(huán)節(jié)的控制復(fù)雜程度[16]；(2)大量高變比直流升壓變換器的安裝，會增加風(fēng)電場機側(cè)的建設(shè)難度。

1.4 升壓站直流并聯(lián)型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)

升壓站直流并聯(lián)型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)如圖4所示，該系統(tǒng)主要由海上直流風(fēng)電場、海上直流升壓站、高壓直流輸電線路、陸上換流站、陸上升壓站以及電網(wǎng)構(gòu)成，其中，海上直流風(fēng)電場由多個并聯(lián)直流風(fēng)電機組陣列構(gòu)成。多臺直流風(fēng)電機組輸出低壓直流電能后通過并聯(lián)實現(xiàn)電能的匯集，然后接入海上直流升壓站內(nèi)的一個直流升壓變換器，將電壓等級直接提高到高壓等級，若干個這樣的直流變換器通過并聯(lián)實現(xiàn)容量的提高，然后進行高壓直流傳輸[21]。

圖4 升壓站直流并聯(lián)型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)

升壓站直流并聯(lián)型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：(1)電能匯集方式可靠性高，運行靈活；(2)直流變換器變比高，升壓損耗??；(3)由多臺直流變換器代替單一的直流變換器，降低直流變換器的容量要求。該系統(tǒng)的不足之處：(1)并聯(lián)直流風(fēng)電機組陣列輸出電壓低，電能匯集過程中損耗較大；(2)直流變換器變壓要求高，設(shè)計與實現(xiàn)難度大；(3)升壓站內(nèi)直流變換器的輸出電壓需保持一致，否則會產(chǎn)生環(huán)流，使控制難度增大[9]。

1.5 升壓站直流串聯(lián)型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)

升壓站直流串聯(lián)型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)如圖5所示，該方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與升壓站直流并聯(lián)型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)相似，不同之處在于該方案的海上直流升壓站內(nèi)的直流升壓變換器的輸出端采用并聯(lián)連接的方式，并聯(lián)直流風(fēng)電機組陣列輸出的低壓直流電能接入海上直流升壓站內(nèi)的一個直流變換器，將電壓等級由低壓提高到中壓，若干個這樣的直流變換器的輸出端通過串聯(lián)進一步將電壓提高到高壓等級，實現(xiàn)高壓直流電能的輸出[22]。

圖5 升壓站直流串聯(lián)型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)

升壓站直流串聯(lián)型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：(1)升壓站內(nèi)由多個直流變換器代替單一直流變換器，降低了直流變換器的容量要求；(2)升壓站內(nèi)直流變換器的輸出端通過串聯(lián)連接實現(xiàn)進一步升壓，降低了直流變換器的變比要求，降低了直流變換器的設(shè)計與實現(xiàn)難度。該系統(tǒng)的不足之處：(1)升壓站內(nèi)直流變換器間存在耦合影響，其工作電壓范圍要求較寬，控制難度大；(2)風(fēng)電場內(nèi)并聯(lián)直流風(fēng)電機組陣列輸出電壓較低，電能匯集過程中由電纜造成的損耗較大[9]。

2 串聯(lián)升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)方案

串聯(lián)升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)是通過直流風(fēng)電機組的串聯(lián)連接將風(fēng)電場的內(nèi)網(wǎng)電壓提高到高壓直流輸電電壓等級的一種系統(tǒng)方案，無需建設(shè)海上升壓站，降低了系統(tǒng)成本和施工難度[23]，根據(jù)直流風(fēng)電機組陣列間連接方式的不同可以將其進一步分為直接串聯(lián)型、串-并聯(lián)型、并-串聯(lián)型以及矩陣型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)[24]。

2.1 直接串聯(lián)型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)

直接串聯(lián)型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)是串聯(lián)型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)中最典型的系統(tǒng)方案，其存在的問題以及解決方法對其他類型的系統(tǒng)方案具有很強的借鑒與指導(dǎo)意義。其系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D6所示，該系統(tǒng)主要由海上直流風(fēng)電場、高壓直流輸電線路、陸上換流站、陸上升壓站以及電網(wǎng)構(gòu)成。風(fēng)力發(fā)電機輸出的交流電能通過整流和直流變換后輸出低壓直流電能，直流風(fēng)電機組通過串聯(lián)的方式將風(fēng)電場的內(nèi)網(wǎng)電壓提高到可以傳輸?shù)碾妷旱燃壓笾苯舆M行高壓直流傳輸[23]。

圖6 直接串聯(lián)型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)

直接串聯(lián)型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：(1)結(jié)構(gòu)簡單，無需任何升壓設(shè)備[25]，不需要建設(shè)海上換流平臺和升壓站，極大地降低了投資成本[26]，工程實現(xiàn)難度小；(2)海底電纜用量少，電能匯集與傳輸效率高[27]。該系統(tǒng)的不足之處：(1)當(dāng)系統(tǒng)中某處電纜發(fā)生故障時，整個系統(tǒng)將無法正常運行[15]；(2)串聯(lián)連接的直流風(fēng)電機組間存在耦合影響，控制系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜[28-29]；(3)當(dāng)高壓直流輸電電壓等級維持不變時，若某臺或多臺直流風(fēng)電機組發(fā)生故障，需要將其旁路，則會使其他正常運行的直流風(fēng)電機組產(chǎn)生過電壓現(xiàn)象[13]；(4)直流風(fēng)電機組需要承受與高壓直流輸電電壓等級相同的對地電壓，增加了直流風(fēng)電機組的絕緣設(shè)計難度[7]；(5)直流風(fēng)電機組串聯(lián)陣列中流過的電流是一致的，當(dāng)每臺直流風(fēng)電機組捕獲的風(fēng)能差異過大時，其直流側(cè)出口電壓也將有過大的差異[30]。因此該方案的直流輸電電壓等級不能達(dá)到很高，該方案適用于中小容量的風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)[31]。

針對直接串聯(lián)型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)中直流風(fēng)電機組間耦合影響較大的問題，文獻[9]提出可采用串-并聯(lián)、并-串聯(lián)的組網(wǎng)方式降低直流風(fēng)電機組間的耦合影響；針對直流風(fēng)電機組因故障檢修被旁路時，剩余機組將承受更高的機端電壓的問題，文獻[32]提出一種協(xié)調(diào)陸上DC/AC換流站的控制策略，采用降高壓直流電壓的運行方式減小機組的機端電壓；針對直流風(fēng)電機組對地電壓高，絕緣設(shè)計難度大的問題，文獻[33]提出可采用隔離型直流變換器的方案降低風(fēng)力發(fā)電機的絕緣要求，尤其采用高頻變壓器時，其體積小，可以安裝到塔筒或機艙內(nèi)，可有效降低安裝難度并節(jié)省空間；針對直流風(fēng)電機組捕獲功率不同時機組機端電壓差異較大的問題，文獻[34]對串聯(lián)系統(tǒng)拓?fù)溥M行改進，通過分流電路實現(xiàn)了機端電壓的平衡并保持各臺風(fēng)電機組工作在最大功率跟蹤狀態(tài)。

2.2 串-并聯(lián)型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)

串-并聯(lián)型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)如圖7所示，該系統(tǒng)由多個串聯(lián)直流風(fēng)電機組陣列組成的海上直流風(fēng)電場、高壓直流輸電線路、陸上換流站、路上升壓站以及電網(wǎng)構(gòu)成。多臺直流風(fēng)電機組以串聯(lián)的形式組成串聯(lián)直流風(fēng)電機組陣列，使其電壓等級達(dá)到適合高壓直流傳輸?shù)乃?，然后將若干個串聯(lián)陣列相并聯(lián)進行能量匯集，以達(dá)到系統(tǒng)的額定輸出功率，進而進行高壓直流傳輸[35-39]。

圖7 串-并聯(lián)型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)

串-并聯(lián)型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：(1)無需海上直流升壓站，降低了建設(shè)成本；(2)提高了系統(tǒng)的容量，適用于遠(yuǎn)海大容量的風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)；(3)一定程度上提高了系統(tǒng)可靠性，當(dāng)某個串聯(lián)直流風(fēng)電機組陣列的電纜發(fā)生故障時，可將該陣列切除，保證剩余串聯(lián)陣列的正常運行。該系統(tǒng)的不足之處：(1)該系統(tǒng)需要保持串聯(lián)直流風(fēng)電機組陣列中電流的一致性以及不同串聯(lián)陣列間電壓的一致性，提高了控制系統(tǒng)的設(shè)計難度；(2)直流風(fēng)電機組的串聯(lián)使得彼此間存在一定的耦合影響，因而欠缺對獨立風(fēng)電機組的出口電壓調(diào)節(jié)能力[16]；(3)串聯(lián)陣列中電流控制存在不確定性，直流風(fēng)電機組故障退出時會造成直流環(huán)流[40-41]。

2.3 并-串聯(lián)型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)

并-串聯(lián)型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)如圖8所示，與串-并聯(lián)型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的海上直流風(fēng)電場由多個并聯(lián)直流風(fēng)電機組陣列以串聯(lián)的方式構(gòu)成。同一陣列的直流風(fēng)電機組通過并聯(lián)的方式提高容量等級，不同陣列之間通過串聯(lián)的方式提高電壓等級，從而實現(xiàn)電能的匯集與傳輸[24]。

圖8 并-串聯(lián)型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)

并-串聯(lián)型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：(1)無需海上直流升壓站；(2)系統(tǒng)容量大；(3)直流風(fēng)電機組間的耦合性小，當(dāng)直流風(fēng)電機組故障退出時電壓波動相對較小，電流會按功率比值分配給同一陣列的并聯(lián)風(fēng)電機組，減小單臺風(fēng)電機組承載過多電流的壓力[40]。該系統(tǒng)的不足之處：(1)當(dāng)不同陣列間風(fēng)功率差比較大或串聯(lián)電流設(shè)定不當(dāng)會造成機群達(dá)到電壓上限而無法繼續(xù)跟蹤最大功率，會造成系統(tǒng)風(fēng)功率損失；(2)當(dāng)并聯(lián)陣列間的串聯(lián)線路發(fā)生故障時，會導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法運行。

2.4 矩陣型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)

矩陣型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)如圖9所示，該系統(tǒng)的海上直流風(fēng)電場是在串-并聯(lián)型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過加裝額外的直流電纜線路和斷路器，從而形成縱橫交錯的矩陣式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[41-43]。

矩陣型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：(1)克服了串-并聯(lián)型系統(tǒng)在直流風(fēng)電機組發(fā)生故障時，同一串聯(lián)陣列中其他直流風(fēng)電機組出現(xiàn)嚴(yán)重過電壓的問題[40]；(2)降低了直流風(fēng)電機組內(nèi)功率器件和其他耐壓元件的最高電壓等級要求；(3)系統(tǒng)可靠性明顯提高，并且能夠有效提高對風(fēng)能的利用率[44]。該系統(tǒng)的不足之處：(1)該系統(tǒng)增加了直流電纜的長度并且需要使用大量的直流斷路器，導(dǎo)致系統(tǒng)的投資成本明顯增加；(2)大大增加了系統(tǒng)接線和控制的復(fù)雜程度。

圖9 矩陣型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)

3 方案對比分析與展望

為了更直觀地說明各種風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)方案的優(yōu)缺點，對升壓裝置升壓型和串聯(lián)升壓型兩大類風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)方案，以及其包含的各種系統(tǒng)方案進行對比分析，并結(jié)合各方案特點指出其適用場景。

3.1 風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)方案對比

對風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)所包含的升壓裝置升壓型和串聯(lián)升壓型兩大類系統(tǒng)方案進行對比，其具體對比如表1所示。

表1 風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)方案對比表

升壓裝置升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)方案通過直流升壓變換器實現(xiàn)電壓等級的提高，因此對海上平臺需求高；該方案所需大容量高變比的直流升壓變換器設(shè)計與制造難度大、成本高，且海上平臺建設(shè)難度大、成本高，使得該系統(tǒng)方案投資成本高；該方案的直流風(fēng)電機組一般采用并聯(lián)連接，因此其可擴展性高、控制難度??；該方案可根據(jù)系統(tǒng)要求投切風(fēng)電機組或切除故障風(fēng)機，因此該系統(tǒng)方案的可靠性高；該方案對直流風(fēng)電機組無特殊要求，因此風(fēng)電機組設(shè)計難度小，該方案的實現(xiàn)難度較低。

串聯(lián)升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)通過直流風(fēng)電機組的串聯(lián)連接實現(xiàn)電壓等級的提高，無需大容量高變比的直流升壓變換器和海上平臺，可大幅降低投資成本；風(fēng)電機組的串聯(lián)使得風(fēng)電機組間的耦合影響加大，加大了系統(tǒng)的控制難度；系統(tǒng)中風(fēng)電機組需要承受較高的對地電壓，對風(fēng)電機組的絕緣能力提出來較高要求，限制了其拓展性，增加了直流風(fēng)電機組的設(shè)計難度，因此該方案的實現(xiàn)難度較大。

3.2 升壓裝置升壓型方案對比

對升壓裝置升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)所包含的集中升壓型、兩級升壓型、機端升壓型以及升壓站直流并聯(lián)型、升壓站直流串聯(lián)型五種系統(tǒng)方案進行對比，其具體對比如表2所示。

升壓裝置升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可借用現(xiàn)有交流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗，實現(xiàn)難度較??；但其電壓等級的提升需要建設(shè)海上升壓站或在機側(cè)配置高變比的直流升壓裝置，投資成本與建設(shè)難度較大。

表2 升壓裝置升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)方案對比表

升壓裝置升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)所包含五種系統(tǒng)方案的直流風(fēng)電機組均采用并聯(lián)連接的方式，風(fēng)電場的容量和換流器電壓容易拓展，因此既適用于小容量的近距離輸電場景，也適用于大容量的遠(yuǎn)距離輸電場景。其中，集中升壓型方案采用單臺大容量直流升壓變換器，升壓損耗小，電能傳輸與轉(zhuǎn)換效率高，更適用于大容量輸電系統(tǒng)；兩級升壓型方案通過兩級升壓降低直流變換器的變比要求，實現(xiàn)難度小，更適用于大容量輸電場景；機端升壓型方案無需升壓站，建設(shè)成本大幅降低，但需要在機側(cè)安裝高升壓比的直流變換器，實現(xiàn)難度較大，更適用于中小容量的輸電系統(tǒng)；升壓站直流并聯(lián)型和升壓站串聯(lián)型方案采用多臺直流變換器代替單臺直流變換器，降低了直流變換器的容量要求，更適用于大容量輸電系統(tǒng)。

3.3 串聯(lián)升壓型方案對比

對串聯(lián)升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)所包含的直接串聯(lián)型、串-并聯(lián)型、并-串聯(lián)型以及矩陣型四種系統(tǒng)方案進行對比，其具體對比如表3所示。

表3 串聯(lián)升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)方案對比表

串聯(lián)升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)無需建設(shè)海上升壓站，降低了系統(tǒng)的投資成本和建設(shè)難度；但由串聯(lián)結(jié)構(gòu)所帶來的直流風(fēng)電機組的絕緣問題、風(fēng)電機組間的耦合影響以及故障直流風(fēng)電機組切除后系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題需要進一步研究。

串聯(lián)升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)所包含的四種系統(tǒng)方案中，直流串聯(lián)型系統(tǒng)方案成本低，實現(xiàn)難度小，但其電壓等級不易拓展，容量受限，適用于小容量的輸電場景；串-并聯(lián)型和并-串聯(lián)型系統(tǒng)方案可通過增加串聯(lián)陣列或并聯(lián)陣列的方式提高系統(tǒng)的電壓和容量等級，更適用于大容量的輸電場景；矩陣型系統(tǒng)方案可靠性高，可拓展性高，但其成本與控制難度較高，適用于對可靠性要求較高的特殊場景。

3.4 分析與展望

從上述對比可以看出，不同的風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)方案有其鮮明的特點和特殊的要求，根據(jù)不同的容量、成本、可靠性以及其他要求，風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)有多種選擇方案。針對現(xiàn)有系統(tǒng)方案的不足，對未來的研究方向和發(fā)展趨勢展望如下：

(1)優(yōu)化現(xiàn)有系統(tǒng)方案。目前的系統(tǒng)方案大都是在將傳統(tǒng)交流風(fēng)電機組改造為直流風(fēng)電機組以及將傳統(tǒng)小容量直流變換器組合為大容量直流變換器的基礎(chǔ)上提出的，普遍存在電能變換環(huán)節(jié)多、轉(zhuǎn)換效率低的問題，因此研究適用于現(xiàn)有系統(tǒng)方案的新型直流風(fēng)電機組和大容量直流變換器可避免現(xiàn)有系統(tǒng)方案的一些缺陷，實現(xiàn)對現(xiàn)有方案的優(yōu)化;

(2)提出更加完善的系統(tǒng)方案。針對現(xiàn)有系統(tǒng)方案的不足，借鑒現(xiàn)有系統(tǒng)方案的優(yōu)勢，結(jié)合不同場景所需系統(tǒng)的容量、成本、可靠性等要求，提出更加完善的系統(tǒng)方案;

(3)研究不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、不同電壓等級的海上直流風(fēng)電場間的互聯(lián)。如設(shè)計新型的直流集電器或大容量多端口直流變換器，實現(xiàn)將不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、不同電壓等級的海上直流風(fēng)電場的能量的匯集以及電壓等級的提升，并通過高壓直流輸電線路將電能傳輸至陸上換流站;

(4)研究更加完善的風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)控制策略。如對海上直流風(fēng)電場，研究如何實現(xiàn)全部直流風(fēng)電機組的最大功率跟蹤；對串聯(lián)升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)，研究如何以更有效的方式保證串聯(lián)陣列內(nèi)部分直流風(fēng)電機組故障后其余直流風(fēng)電機組的正常運行；對整個輸電系統(tǒng)，研究如何實現(xiàn)海上直流風(fēng)電場、海上直流升壓站與陸上換流站的協(xié)調(diào)控制，提高系統(tǒng)運行的可靠性;

(5)提高風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)的故障保護能力。針對不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)，研究其故障保護，如研究新型的直流斷路器，降低其損耗和成本；研究具備直流故障隔離能力的換流器，通過換流器的結(jié)構(gòu)以及功率器件的快速動作實現(xiàn)直流故障隔離。

4 結(jié)束語

風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)解決了由交流傳輸帶來的無功充電電流和過電壓問題，具有功率損耗小，風(fēng)電場功率和換流器電壓容易拓展，無需無功補償，無需笨重的工頻變壓器的優(yōu)點，特別適用于大規(guī)模、大容量、遠(yuǎn)?；娘L(fēng)力輸電系統(tǒng)場景。文中通過對現(xiàn)有風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)方案的系統(tǒng)拓?fù)?、特點與適用場景進行分析，得到的結(jié)論可以概括為以下幾個方面：

(1)根據(jù)升壓方式的不同，可以將現(xiàn)有的風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)分為兩大類：升壓裝置升壓型和串聯(lián)升壓型系統(tǒng)方案。進一步，升壓裝置升壓型方案根據(jù)升壓裝置的安裝位置、升壓次數(shù)以及升壓裝置的連接方式的不同又可以分為集中升壓方案、兩級升壓方案、機端升壓方案、升壓站直流并聯(lián)方案以及升壓站直流串聯(lián)方案；串聯(lián)升壓方案根據(jù)串聯(lián)直流風(fēng)電機組陣列間的連接方式又可以分為直接串聯(lián)方案、串-并聯(lián)方案、并-串聯(lián)方案以及矩陣方案；

(2)升壓裝置升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可借用現(xiàn)有交流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗，實現(xiàn)難度較小；但其電壓等級的提升需要建設(shè)海上升壓站或在機側(cè)配置高變比的直流升壓裝置，投資成本與建設(shè)難度較大；

(3)串聯(lián)升壓型風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)無需建設(shè)海上升壓站，降低了系統(tǒng)的投資成本和建設(shè)難度；但由串聯(lián)結(jié)構(gòu)所帶來的直流風(fēng)電機組的絕緣問題、風(fēng)電機組間的耦合影響以及故障直流風(fēng)電機組切除后系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題需要進一步研究；

(4)研究新型直流風(fēng)電機組和直流變換器可以優(yōu)化現(xiàn)有系統(tǒng)方案；針對現(xiàn)有方案的不足，借鑒現(xiàn)有方案的優(yōu)勢并結(jié)合自身場景需求，提出更加完善的系統(tǒng)方案；通過直流集電器或多端口直流變換器實現(xiàn)不同拓?fù)?、不同電壓等級的直流風(fēng)電場間的互聯(lián)；針對現(xiàn)有系統(tǒng)方案的不足，研究更加完善的風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)控制策略；研究新型直流斷路器和具備直流故障隔離能力的變換器，提高風(fēng)電全直流輸電系統(tǒng)的故障保護能力。