大规模海上风电并网方式的研究

沙志成，张 丹，赵 龙

(1．山东电力工程咨询院有限公司，济南 250013；2．国网山东省电力公司经济技术研究院，济南 250002)

大规模海上风电并网方式的研究

沙志成1，张 丹1，赵 龙2

(1．山东电力工程咨询院有限公司，济南 250013；2．国网山东省电力公司经济技术研究院，济南 250002)

在风力发电等可再生能源技术高速发展的潮流下，对比分析了适用于海上风电场的高压交流、常规高压直流和柔性直流输电3种并网方式。简要介绍了柔性直流输电的工作原理，详细说明了柔性直流输电技术在风电并网上的应用情况，并着重探讨柔性直流输电并网的经济性，认为柔性直流输电技术在海上风电传输领域有广阔应用前景。这对于满足我国清洁高效的能源利用有着显著的意义。

海上风电；交流输电；常规直流输电；柔性直流输电

相比于陆上风电，海上风电具有建设规模和机组单机容量大，靠近电力负荷中心，并网和消纳相对容易等特点.由于风机距离海岸较远，视觉干扰、噪声很小,海上风电还具有资源丰富、年利用小时数高、风速稳定、不占用土地资源、对生态环境影响较小等优势，在欧洲和美国等发达地区发展迅速。

我国海上风能资源丰富，大陆海岸线长约18 000 km，水深2～15 m的海域面积辽阔，全年风速≥6 m/s 的时数为4 000 h，开发潜力巨大。另外，土地资源相对紧缺的东部沿海经济发达地区，能源供应结构有待优化，开发丰富的海上风能资源已经成为我国能源战略的一个重要内容。我国于2006年开始海上测风，第一个大型海上风电项目——上海东海大桥海上风电场于2008年建成投产。但受建设成本、电价水平、海洋规划、技术积累等因素制约，我国海上风电发展较慢。随着海上风力发电技术的逐渐成熟和设备国产化比例的提高，建设和运行成本将大幅降低，海上风电将成为未来新能源发展的重点。

风力发电的波动性、间歇性和随机性导致了目前风电功率预测准确程度普遍偏低，同时大规模的风电并网会导致系统潮流、有功频率特性、无功电压特性等的变化，特别是网架结构比较薄弱的电网集中并入大规模风电时，系统的安全稳定运行将受到影响。另外，对于陆上风电、光伏等新能源在电网中所占比例较高的区域，海上风电接入电网会遇到更多问题。因而，海上风电接入电网时，需确保满足一定的性能指标，包括系统稳定性、暂态恢复能力、无功支撑能力、电压调整率、频率调整、电能质量等。为减少海上风电带来的不利影响，可以通过加强地区间电网和陆上电网的网架结构，提高电网输送能力和系统的安全可靠。

1 海上风电场的并网方式

海上风电场的并网方式分别是高压交流并网(High Voltage Alternating Current, 简称HVAC)、高压直流输电方式并网(High Voltage Direct Current, 简称HVDC)。

HVAC方式具有结构简单、成本较低等特点，发展最为成熟。目前，使用HVAC是绝大多数陆上风电场并网的选择。但对于规模较大的海上风电场，随着并网距离的增加，输电损耗上升较快,如果增大海底电缆截面和提高传输电压等级，将导致投资成本的急剧增加。另外，对于距离岸边较远的海上风电，为了抑制过电压水平，需要加装较大的感性无功设备补偿并网电缆的充电功率。同时, 海上风电场交流系统必须与其接入的电网保持同步，受到扰动后仍要维持系统的同步运行。因此实际工程中该方法一般只用于传输容量小、传输距离短的风电接入系统。距离海岸小于50 km且建设规模小于200 MW海上风电场普遍采用HVAC方式。

将HVDC技术应用于风电并网，特别是对于远距离海上风电场，具有明显优势：

(1)海上风电采用HVDC方式后，不需要与陆上电网保持同步，因此，海上风电场系统频率的允许变化范围较大，电网的每个联络终端都具有很强的独立性，可以依照自己的控制策略运行。

(2)长距离的交流电力电缆受充电电流的影响，电力传输能力受限，而HVDC电缆的充电电流则非常微小，因此，输电距离可以不受限制。

(3)能够隔离海上风电系统和陆上电网的故障，某些情况下，HVDC系统还可以参与故障后的状态恢复。

(4)可以设定和控制直流传输系统的潮流。

(5)传输同样容量的功率HVDC方式损耗低，整个直流系统的运行损耗将低于等效的HVAC系统。

(6)在相同的运行条件下，单根HVDC电缆的传输容量高，三相交流线路的传输容量仅为同样规格的一对直流电缆的60%。

高压直流方式主要有两类，常规直流输电方式(LCC-HVDC)和柔性直流输电技术(VSC-HVDC)。常规直流输电采用基于线换相换流器，柔性直流输电采用基于自换向的电压源换流器。

LCC-HVDC并网方式下为确保换流器正常换相，需要交流侧电网提供连续的换相电压，风电出力的不稳定性会导致发生换相失败故障的概率较高，海上风电场安全稳定运行的能力大大降低。输送功率相同情况下，常规直流工程占地较大，超过交流和柔性直流输电方案占地面积的两倍以上；另外，当风力不够或者风力过大从系统中切除风机后，为保证系统稳定运行同时给风电场处的负荷供电，系统将向风电场有限度地传输有功功率，这时需要对风电侧系统进行无功补偿，但常规直流本身不能够发出无功，而且还需要增加大量的无功补偿装置，换流站的占地面积也会相应的加大，考虑到海上平台的建设难度，因此常规直流输电不适合海上风电场使用[1]。

2 柔性直流输电技术

柔性直流输电是以脉宽调制技术(PWM)和IGBT等全控型器件为基础，通过高可控性电压源型换流器(VSC)中电力电子器件的开通和关断来改变输出电压的相角和幅值，达到分别独立控制交流侧有功和无功功率的目的，实现风电功率输送和稳定电网运行。作为新一代直流输电技术，在完善常规输电技术存在的一些固有缺陷[1]等方面卓有成效，解决了常规HVDC面临的诸多难题，为变革输电方式和构建未来网络格局提供了全新的解决方案。

VSC-HVDC输电系统(双端)的结构如图1所示。系统中两个电压源换流器VSC2和VSC1分别用作逆变器和整流器，全控换流桥和直流侧电容器是其主要部件。全控换流桥的每个桥臂均可以满足一定技术条件下的容量需求，由多个门极可关断晶体管GTO或绝缘栅双极晶体管IGBT等可关断器件组成。为保证整个换流器连续可靠工作，直流侧电容可以起到稳定直流电压并为换流器提供电压支撑的作用；交流侧换流变压器是VSC与交流系统间能量交换纽带；交流侧换流电抗器和滤波器的作用是滤除交流侧谐波。

图1 VSC-HVDC输电系统(双端)示意图

相比于常规直流输电，柔性直流输电技术具有以下优点：

(1)可以向无源网络供电。由于柔性直流输电采用了IGBT等全控型器件，VSC电流可以自关断，即在没有另外增加换相电压的情况下，就能够在无源逆变方式下稳定工作，从而实现了向孤立无源网络供电。

(2)有功和无功之间能够独立解耦控制并实现潮流快速翻转。在正常工作状态时，由于换流器具有可随时开关的特点，柔性直流输电不仅可以精准地分别控制有功和无功，而且在不改变电压的条件下，只需改变电流的方向就可以相应翻转潮流，实现对系统的灵活控制。

(3)在IGBT开关过程中可以有效地降低谐波分量的产生，也大大减少无功功率的需求。柔性直流输电不需要安装传统直流输电的诸多滤波设备，一般情况下只要将一组低通滤波器安装在交流母线上就可以使谐波电压指数符合规定标准。

(4)可以起到STATCOM作用，即不仅不需要从交流系统吸收无功功率，而且能够动态地向交流网络提供无功，抑制电压波动和闪变，保持母线电压稳定。当某区域电网发生故障时，只要VSC具备足够大容量，在设备允许范围内，该换流器可立即向该区域电网同时提供无功和有功功率，从而提高AC系统的功角和电压的稳定性。

(5)在系统短路时由于换流器AC侧电流可控，输送功率不会上升，增加同类系统后，也无需重新整定交流系统负责保护的相关设备或者装置。

(6)不需要配置传统直流输电工程中为得到理想电压而专门设置的变流变压器。这是因为开关造成的谐波大都集中在高频区， 而VSC在脉宽调制控制下的开关频率普遍偏高，因此，只要装设相应的低通滤波器就可以将谐波滤除。

(7)各个VSC之间可单独控制，无需通信。由于根据相邻的交流系统可实现自动控制和网络远端控制技术的进步，所以人工维护工作量得到大幅度削减。

(8)柔性直流输电一般不采用架空线路，而采用地下电缆，减少线路走廊施工环节，减少对环境产生的影响。

柔性直流输电技术优异的可控性能不仅可以提高风电场、太阳能并网时抗干扰能力，而且可以有效地改善风电系统电能质量和低电压穿越能力，并网系统对暂态性能的要求也得到满足[2]。因此，柔性直流输电技术是解决大规模可再生能源的集中并网问题的重要手段。

3 柔性直流技术的应用

作为世界上首个柔性直流输电工程，瑞典Hellsjon试验工程已于1997年成功运行。目前，VSC-HVDC技术已经在我国开始了工程和商业应用，±320 kV厦门柔性直流输电科技示范工程于2015年正式投运，是目前世界上电压等级最高、输送容量最大的柔性直流工程。将世界各国已投运或在建的VSC-HVDC工程输电电压和容量进行统计，送电功率一般在1 000 MW以内，交流侧电压在10～320 kV之间，整理分析后绘制成统计曲线(如图2所示)。

图2 各国柔性直流输电工程额定容量与输电电压

离岸距离较大的海上风电场通过SVC-HVDC方式并网已经成为德国、英国等欧洲国家的发展方向。柔性直流输电可以控制系统短路电流和进行谐波污染治理，对于改善电网电能质量也大有帮助。另外，有数据表明其在远距离、小容量送电时也十分具有竞争力。目前，世界上已有多个风电场采用VSC-HVDC技术来输送电力，以瑞典的Gotland送电工程为例，采用柔性直流输电技术后，利用地下直流电缆大大减少对周围环境产生的影响，不仅大大提高了风电场内部交流系统的功角、电压稳定性和风能利用率，而且改善了Gotland岛南部电网的电能质量[3]。

4 柔性直流输电的经济性

在可靠性指标相当和输送功率相同的条件下，虽然直流输电中换流站部分的投资造价比交流输电中变电站要昂贵很多，但HVAC需要3根电缆，而LCC-HVDC和SVC-HVDC双极型则只需要2根电缆，单极型甚至只需1根电缆，而且直流电缆建设成本更低。因此当输电距离逐渐增加，交流输电较直流输电电缆费用增长要快，当达到一定值时，两种方式的建设总成本可以相等，这个距离就称为交直流输电等价距离[4]，如图3所示。

图3 交直流输电等价距离示意图

从图3可以看出，虽然交流变电站的建设费用要低于直流换流站，但是由于敷设交流电缆的单位成本要比直流电缆的成本高，因此当输电距离大于等价距离时，相比于HVAC方式，采用HVDC输电更经济，且距离越长HVDC的经济性越明显。在目前的施工工艺和变流装置价格水平下，两种方式的海底电缆线路输电等价距离为90 km左右，并且随着技术的进步，换流站设备的制造成本将不断下降，等价距离也将会相应地减小。

一般来说，距离海岸在100 km内、建设规模小于150 MW的海上风电场，相对其他2种直流并网方式，采用HVAC具有更大的优势。建设规模在150～400 MW之间的海上风电场时，考虑到海上换流站的施工费用和安装难度的因素，采用VSC-HVDC方式比常规HVDC在经济和技术上更为优越。当海上风电场设规模超过400 MW时，常规HVDC方式占有优势。

5 结语

综上所述，VSC-HVDC将电力电子技术与现代控制技术结合，简化大型风电场结构，能够通过其换流器的控制方案实现独立解耦控制有功功率与无功功率的能力。具有易于扩展，紧凑化、模块化设计和实现多端直流输电等优点，很适合对无源网络进行供电。随着VSC-HVDC技术的不断进步，输送容量、直流侧电压、传输距离、控制技术等技术参数也逐步提高，采用其输电的工程数量越来越多。在风力发电等新能源技术高速发展的潮流下，基于电压源型换流器技术的VSC-HVDC凭借其较强的技术优势，将成为必不可少甚至是唯一的输电手段，对于满足我国清洁高效的能源利用的需要，有着显著的意义。

[1] 廖勇，王国栋．双馈风电场的柔性高压直流输电系统控制[J]．中国电机工程学报，2012，32(28)：7-15，24.

LIAO Yong, WANG Guodong. VSC-HVDC system control for grid-connection of DIFG wind farms[J]. Proceedings of the CSEE,2012,32(28):7-15,24.

[2]刘亚磊，李兴源，曾琦，等．多端多电平柔性直流系统在海上风电场中的应用[J]．电力系统保护与控制，2013，41(21)：9-14.

LIU Ya-lei, LI Xingyuan, ZENG Qi, et al. VSC-MTDC system based on MMC for offshore wind farms[J]. Relay,2013,41(21):9-14.

[3]徐科，吴超，杨晓静，等．VSC-HVDC系统风力发电结构分析与控制 [J]．电网技术，2009，33(4)：103-108.

XU Ke, WU Chao, YANG Xiaojing, et al. Structure analysis and control of wind power generation in VSC-HVDC[J].Power System Technology,2009,33(4):103-108.

[4]曾丹，姚建国，杨胜春．柔性直流输电不同电压等级的经济性比较[J]．电力系统自动化，2011,35(20)：98-102.

ZENG Dan, YAO Jianguo, YANG Shengchun, et al. Economy comparison of VSC-HVDC with different voltage levels[J].Automation of Electric Power Systems,2011,35(20):98-102.

(本文编辑：严 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，硕士，高级工程师，主要从事电力系统规划工作。

TM73

A

2095-1256(2017)02-0158-04

2017-03-23