大规模海上风电场输电方式的探讨

朱宜飞，陶铁铃

(长江勘测规划设计研究院新能源公司，武汉 430010)

1 前言

根据国内实际情况，探讨了未来海上风电场并网所面临大容量长距离的电能输送问题，以寻找适合中国国情的海上风电场发展模式。

2 海上风电场输电方式和机组简介

2．1 海上风电场的机组形式

风力发电机组主要划分为恒速机和变速机两大类，根据目前的发展趋势，双馈变速异步机组和直驱同步组已逐渐成为主流。双馈机组的特性是定子直接与电网相连而转子通过换流器与电网相连，该系统允许电机转速在额定转速的60%～110%之间变化，而且换流器额定容量达到风机额定功率的30%即可。直驱同步机组采用永磁电机，定子通过换流器与电网相连，该系统允许电机转速在更大范围内变化，由此可以省掉变速箱。风电机组的单机容量也在日益增大，5 MW的机组即将投入使用，未来8～10 MW的机组亦在规划之中。同时机端电压也相应升高，目前已有少数机组的机端电压超过1 000 V，但升高机端电压的同时必须提高绝缘等级从而占用更多的机组空间，因此未来机端电压的升高将是十分有限的。基于以上原因，在后述的模型中，海上风电机组按5 MW永磁直驱机组考虑，机端电压设为2 000 V。

2．2 高压交流输电系统

迄今为止所有已建成海上风电场均采用高压交流输电系统(HVAC)，其由以下几部分组成:a．交流集电线路;b．海上升压站和无功补偿设备;c．三芯XLPE交联海底电缆;d．陆上变电站和无功补偿设备。典型的HVAC交流输电系统见图1。

图1 典型的高压交流输电系统Fig．1 A typical HVAC transm ission system

2．2．1 XLPE海底电缆和无功补偿设备

XLPE交联聚乙烯电缆是目前应用最广泛的海底电缆，其具有良好的导热性，所以载流量和过短路电流能力都十分优秀。XLPE电缆能在导体温度90℃的条件下持续工作，而且其介质损耗低于其他电缆，并且对环境影响较小。如今额定电压245 kV额定功率500 MW的XLPE电缆已投入使用，额定电压500 kV的XLPE电缆也即将面世。通常电缆线路的分布电容要远大于架空线路，因此在交流输电系统中会产生很大的电容电流，从而显著降低了电缆输送有功的能力，因此需根据实际情况在电缆的一侧或两侧加装无功补偿装置，目前相控电抗器(TCR)设备的使用较为普遍。

2．2．2 海上升压站

为了降低线路损耗并提高输送能力，海上风电场通常会配置海上升压站，大规模的海上风电场会配置一个以上。图2为海上升压站示意图。

图2 海上升压站Fig．2 O ffshore substation

2．3 电网换相换流器的高压直流输电(HVDC)系统

基于电网换相换流器(LCC)的直流输电系统被广泛应用于陆上长距离输电和海底电缆等领域，技术较为成熟，但目前尚未被运用到海上风电领域。一个完整的基于LCC的直流输电系统(见图3)应包含以下部分:a．交流滤波器;b．直流滤波器;c．换流变压器;d．晶闸管换流阀;e．平波电抗器;f．电容器组件;g．直流电缆;h．柴油机辅助动力系统。

图3 典型的基于电网换相换流器直流输电系统Fig．3 Typical HVDC transm ission system based on LCC

1)滤波器。交流滤波器用来吸收换流变压器所产生的谐波，减少谐波对交流系统的影响，同时向换流站提供无功;直流滤波器用于吸收直流侧的谐波。

2)换流变压器。在LCC直流输电系统中，换流变压器成对配置，在海上和陆上的换流站中各装一台。

3)晶闸管换流阀。晶闸管换流阀是换流站的核心部件之一，其控制交流与直流的相互转换，如今的可控硅器件额定可达8 kV，容量高达1 000 MW。

4)平波电抗器。平波电抗器和直流滤波器一起构成直流侧的直流谐波滤波回路，一般串接在每个极换流器的直流输出端与直流线路之间，在抑制直流波动的同时还能保护换流阀。

5)电容器组件。电容器组件是和电压器并联的一系列电容器组，用于提供换流阀工作时所需要的无功。

6)直流电缆。直流电缆目前有充油电缆，不滴流电缆以及XLPE交联聚乙烯电缆等几种，其中充油电缆目前能做到 600 kV，额定容量高达1 000 MW，但由于被充油所限，其长度很难超过100 km，且存在绝缘油外泄污染环境的危险;不滴流电缆则能做到500 kV，容量800 MW，其容量主要受导体温度限制。

7)柴油机辅助动力系统。该系统用于在换流站启动时向换流阀供电，并提供保护，冷却等设备所需的电源。

2．4 基于电压源的直流输电系统

基于电压源换流器(VSC)的直流输电系统是近年来在IGBT的基础上所发展出来的一种新兴直流输电系统(见图4)，其主要组成部分为:a．VSC换流站;b．直流电缆。

图4 典型的基于电压源换流器的直流输电系统Fig．4 Typical HVDC transm ission system based on VSC

1)VSC换流站。VSC换流站的核心是高频IGBT开关器件，其工作在500 Hz到2 000 Hz之间，通过控制PWM脉冲，其输出电压可根据系统需要自动调节。IGBT开关器件在换流器上的应用消减了系统谐波并改善了电能质量，但高频同时也带来较高的系统损耗。

2)直流电缆。在VSC系统中目前主要使用的是聚合物挤包绝缘电缆，其相对充油电缆和不滴流电缆有着较好的导热性，对环境影响也较小。

3 输电系统的损耗分析

3．1 系统的简化和抽象

为了比较不同输电系统的损耗，必须考虑风电场的年度发电量，其由风速的分布函数决定。在此假设风电场的年发电量满足瑞利分布函数曲线，年平均风速为8．5 m/s，并简化为18点采样，由此得到的年利用小时数为3 450 h。

所有的AC，DC电缆均假设为1 200 mm2XLPE三芯电缆，并取其相应参数。各级变压器的损耗假设为定值。换流器均假设为中性点钳位三电平(NPC)换流器，其满负荷效率大于98%。

3．2 高压交流输电系统的损耗

高压交流输电系统的传输距离主要取决于电缆所产生的无功，比较其在不同电压等级下的传输容量和传输距离的关系(见图5)，其中边界条件按压降10%，相位变化小于30°校验。

图5 不同电压等级下的最大传输容量Fig．5 Transm ission capacity for different voltage levels

由图5可知110 kV:Lmax=377 km，220 kV:Lmax=281 km，500 kV:Lmax=201 km。

通过Matlab建立模型进行仿真，计算在不同电压等级下(110 kV、220 kV、500 kV)装机容量为500 MW和1 000 MW的风电场在不同距离上的系统损耗L%。

其中，Pli为传输系统在风速i时的有功损耗;Pgi为机组在风速i时所发出的有功功率;n为风速的等级划分。

对于装机容量为500 MW风电场，传输系统损耗计算结果如表1所示。

表1 500 MW风电场高压交流输电系统损耗计算结果Table 1 Transm ission losses of 500 MW capacity w ith HVAC transm ission system

对于装机容量为1 000 MW风电场，传输系统损耗计算结果如表2所示。

表2 1 000 MW风电场高压交流输电系统损耗计算结果Table 2 Transm ission losses of 1 000 MW capacity w ith HVAC transm ission system

从上述结果可知，在150 km以内，采用较高的电压等级(220 kV、500 kV)可减少传输系统损耗，但其大规模应用尚未开始，还处于测试阶段;而对于较为成熟110 kV电压等级的其传输损耗的组成见表3。

表3 距岸100 km的500 MW的风电场传输系统损耗分布Table 3 Losses com ponent of 500 MW capacity at 100 km distance

3．3 基于LCC的直流输电系统损耗

通过Matlab建立模型进行仿真，计算在不同的换流器配置下，装机容量为500 MW和1 000 MW的风电场在不同距离上的系统损耗L%。

对于装机容量为500 MW风电场，传输系统损耗计算结果如表4所示。

表4 500 MW基于LCC的直流输电系统损耗计算结果Table 4 Transm ission losses of 500 MW capacity w ith HVDC transm ission system based on LCC

对于装机容量为1 000 MW风电场，传输系统损耗计算结果如表5所示。

表5 1 000 MW基于LCC的直流输电系统损耗计算结果Table 5 Transm ission losses of 1 000 MW capacity w ith HVDC transm ission system based on LCC

不同组合条件下的传输损耗组成见表6。

表6 不同组合条件下的传输损耗组成Table 6 Losses com ponent at different condition

3．4 基于VSC的直流输电系统损耗

通过Matlab建立模型进行仿真，计算在不同的换流器配置下，装机容量为500 MW和1 000 MW的风电场在不同距离上的系统损耗L%。

对于装机容量为500 MW风电场，传输系统损耗计算结果如表7所示。

表7 500 MW基于VSC的直流输电系统损耗计算结果Table 7 Transm ission losses of 500 MW capacity w ith HVDC transm ission system based on VSC

对于装机容量为1 000 MW风电场，传输系统损耗计算结果如表8所示。

表8 1 000 MW基于VSC的直流输电系统损耗计算结果Table 8 Transm ission losses of 1 000 MW capacity w ith HVDC transm ission system based on VSC

不同组合条件下的传输损耗组成见表9。

表9 不同组合条件下的传输损耗组成Table 9 Losses component at different condition

4 不同形式输电系统的比较

综合以上数据比较分析可知(见图 6)，在100 km以内，传统的高压交流输电系统损耗较低，输送容量较大，而且技术成熟可靠，造价相对较低，这也很好的解释了为什么目前已建的风电场全部使用高压交流输电系统的原因。

图6 不同容量的海上风电场输电电系统的选择Fig．6 Choice of transm ission system for different w ind farm capacities

当距离超过100 km时，交流输电系统的传输能力随着介质损耗的增加而快速下降，而直流输电系统因为其系统损耗和传输容量对于距离的增加并不敏感，优势逐渐显露出来，其中LCC的损耗要小于VSC，但考虑到风力发电自身谐波含量较高，而LCC的工作原理会进一步加重谐波污染，对电网易造成较大冲击，所以LCC的应用范围应限于VSC容量所不及的超大规模风电场。

直流输电的另一个明显优势是与交流电网柔性连接，风电场与主网间互不影响，从而增强了系统的可靠性;而基于VSC的直流输电系统甚至可以连接在弱网上，是解决风电并网问题的关键之一。因此目前近岸海上风电场的输电系统可以以交流输电为主，随着VSC直流输电技术逐渐成熟，器件价格降低以后，再向其过渡。