对大规模海上风电场电力输送方式分析

潘晖

摘要：随着海上风电场建设的快速发展，风电电力输送正在朝着深远海化与规模化方向发展，场内功率输送需求逐渐变成风电技术研究的重点。基于此，文章就大规模海上风电场电力输送方式展开分析，就高压交流、直流输电、分频输电等拓扑结构展开分析，同时结合海上输电要求，总结海上风电场电力输送方式。

关键词：海上风电;高压交流;高压直流

前言：

为了更好的应用海上风能，该过程离不开电网帮助，海上风电场电力传输和并网问题十分重要，随着海上输电研究的进行，国内各风电企业陆续成立海上风电工程研究团队，站在技术与经济视角分析，输电方式选择更多的受风电场类型与电网连接点距离等方面影响。

1 高压交流输电（HVAC）

借助交流输电与地区电网相连的方法只适用在小规模，距离岸边较劲的小型风电场当中。HVAC成本低，结构简单，技术成熟，但若距离较大，海底交流电缆充电电流影响十分明显，且输电损耗也会逐渐增加，进而限制传输容量，该结构多适用于小规模和靠近岸边区域，结合实际需求可以适当添加无功补偿装置。

HVAC对机型要求较低，符合工频交流电，且满足恒频恒压条件即可。拓扑结构间下图1。长距离与大容量输电期间，HVAC会出现下面几种问题：（1）传输相同有功功率，功率损耗与工程造价等方面的增加都比直流输电高;（2）电缆电容效应的产生，将导致无损功耗与补偿难度不断增加，高电网电压升高期间，电缆有效负荷力逐渐下降;（3）身为连接海陆系统的主要媒介，交流电缆场网间会相互影响，因而难以确保内部安全性。

2 高压直流输电（HVDC）

2.1 HVDC与拓扑结构

现阶段，海上风电当中，直流输电技术多应用在大规模与远距离场型当中。HVDC包含传统直流输电技术（）、柔性直流输电技术（）、新型直流输电技术等。其中，传统直流输电技术占地面很大，需很多滤波与无功补偿装置，但系统认同度较高。为了与工程需求相互适应，新型直流输电技术随之发展。将二者优势结合起来，将直流输电技术混合起来，如此不仅可以确保柔性直流输电技术优势，还能对工程造价进行合理优化。双端系统既符合点到点功率传输，当一端发生故障，两端交流将立即停止，如此不仅可以提升输电系统灵活性，还能促进多端直流输电系统全面发展。

可以联合脉宽调制技术、多电平控制技术、绝缘栅双极晶体管，详细结构如下图3所示。和传统直流输电技术相比，该技术有点为：谐波成分少，可为无源系统供电;单独控制无功、有功，便于为系统提供无功支持，且能全面发挥电压支撑作用，全面改善电网性能;系统出现短路后，可合理设置隔离;具有黑启动功能，且占地面积相对较小。因建设与换流站损耗很大，难以抑制系统直流端电流，因此应研究直流断路器，但系统稳定性与可靠性方面仍有待进一步验证。系统结合不同容量风电场可使用不同电压等级，通常做法为：对于容量大小在，电压等级为;针对容量是，电压等级为;容量在，电压等级在。

2.2 多端柔性直流输电技术

内部包含超过3个整流器与逆变器直流输电技术，MTDC可支持多电源供电与受电，灵活度相对较高，潮流反转期间可确保电压极性。在风电场中实现区域互联。下图为系统换流站拓扑结构。并联式电压等级一样，通过改变电流即可完成功率分配。串联电流等级一样，应更改电压分配功率;混联式接线方式更加灵活。并联换流站拓扑结构具有较强调节力，结构损耗相对较小，需要成本相对较低，所以应用十分广泛。

换流站作为MTDC的核心，传统两电平技术谐波占比较高，开关频率较高。模块化多电平换流器凭借开关模块叠加获得高压，便于满足高压容量需求，且输出波形较好，谐波含量较低，不用进行滤波处理即可提升故障穿越水平。MMC技术并网引发的次同步振荡与协调控制等问题解决，可以促进新型电力输送技术发展。MTDC系统需不同换流站协调控制，便于确保系统稳定运行。当前，MTDC系统协调控制特点见下表1所示。

主从控制结构相对简单，将某一主换流站当做基准对直流电压进行合理控制，若主站运行被迫退出，为确保系统电压稳定，可将从站变为定直流电压模式，该方法在站间通信有较高依赖性。电压裕度控制可以直流电压偏差为主要控制量，将限定量与偏差进行对比，当做主要切换依据，控制器切换期间，应关注系统振荡问题。下垂控制结合电压下降情况，可以将调整完的功率当做实时信号，确保多个换流站达到功率平衡。分段下垂控制与电压裕度、下垂控制相结合，借助电压裕度可将直流电压稳定在限制数值内;为防止多次模式切换，以功率-频率为基础，切换期间添加入滞环控制，可确保系统动态输出，便于风电场输出可靠。

2.3 柔性直流输电系统

因DFIG风电变流器不适宜海上风电直流输电需求，新型DFIG风电变流器系统随之产生，其消除同步点跨越问题，省略升压变压器，占地面积进一步减少，可有效节省成本，减少实际损耗，提升系统工作效率，便于解决传统DFIG变流器系统在柔性直流输电系统中应用问题。

该系统包含四部分变流器：送端站、受端站、定子侧变流器、转子侧变流器。这里，定子侧变流器SSC为整流模式，可将DFIG三相交流电变为直流电，然后运输至送端站变流器，便于为交流输出电压频率与幅值进行合理控制;转子侧变流器RSC作用为，伴随风机启动，其可为DFIG提供励磁电流，便于对风机变流器有功进行合理控制，确保DFIG以单位功率因数运行，再者，RSC能进行双向流动，随着风机的启动，RSC运行变成逆变模式，其可为DFIG提供励磁电流，伴随风机转速的提升，RSC可在整流模式中运行。

送端站变流器具有稳定低压端电压与能量双向流动作用，可分别运行降压与升压两个不同工况，随着DFIG的运行，DC-DC双向变换器在降压模式下运行，能量可由高压端朝着低压端运行，DFIG运行正常后，DC-DC双向变换器在升压模式下运行，能量由低压向高压端运输，传递到受端站变流器GSC中。受端站变流器具有稳定高压端直流母线电压、无功解耦控制作用，其可在逆变与整流两个模式下运行。在风速不断增加期间，DFIG变流器系统处在发电并网运行阶段，GSC可将DC-DC双向变换器输出能量输送到电网中，便于将风能转变为电能。

3 分频输电（FFTS）

电压等级不变的情况下，降低输电频率，缩小线路电气距离，可提升线路传输力，减少输电回路出现走廊，有效延缓电缆寿命，改变交流输电，提高电压等级，提升传输容量。

分频输电系统结构见下图4所示，交交变频器作为系统核心。系统要求不同风电机组输出功率相互一致，在交流汇集进到分频升压站进行升压，然后让分频线路经此转换成工频。分频输电应结合功率变化掌握风速变化，便于得到最大风能;随着齿轮箱增速比的减少，成本逐渐降低，机组运行条件随之改变;输电能力提升，还能提升系统抗干扰能力，减少电压波动。

结语：

綜上所述，输电并网身为海上风电场发挥的主要环节，通过了解不同输电技术特点与现状，可结合实际选择所需输电技术。此外，随着数字化时代的到来，很多新的技术逐渐被应用到海上风电发展中，希望可以促进海上风电产业不断向前发展。

参考文献：

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