基于直流风电机组的风电全直流输电系统综述

李战龙，王祥君，王海云，冯其塔

(1.北京金风科创风电设备有限公司，北京 100176；2.新疆大学 可再生能源发电与并网控制教育部工程研究中心，乌鲁木齐 830049)

0 引 言

风力发电已成为可再生能源发电技术中最成熟、最具大规模开发潜力的发电方式之一[1-2]。海上风电具有风能资源丰富、风能密度高、风电利用小时数高以及不占用土地、对环境影响小等优势，具有广阔的应用前景[3-4]。海上风电开发是实现我国低碳能源转型的重要战略支撑[5]。

目前，海上风电场的发展正呈现出一种大规模、大容量、远海化的趋势[6]，但现有的“交流汇集-交流传输”的传统风电输电系统和“交流汇集-直流传输”的柔性直流输电系统，在风电场大规模、深海远海化过程中，将不可避免的面临因交流电缆带来的突出无功充电电流和过电压问题，而由直流风电机组组建的“直流汇集-直流传输”的风电全直流输电系统不仅可以解决因交流电缆导致的无功充电电流和过电压问题，而且具有功率损耗小，风电场功率和换流器电压容易拓展，无需无功补偿，无需笨重的工频变压器的优点，已成为目前工业界和学术界的研究热点[7-8]。

目前已提出的风电全直流输电系统方案根据升压方式主要可以分为两大类：升压装置升压方案和串联升压方案[9]。其中，升压装置升压方案根据升压装置的安装位置、升压次数以及升压装置的连接方式的不同又可以分为集中升压方案、两级升压方案、机端升压方案[10]、升压站直流并联方案以及升压站直流串联方案[9]；串联升压方案根据串联直流风电机组阵列间的连接方式又可以分为直接串联方案、串-并联方案、并-串联方案以及矩阵方案[11]。

文中首先介绍了集中升压型、两级升压型、机端升压型、升压站直流并联型和升压站直流串联型五种升压装置升压型风电全直流输电系统方案，以及直接串联型、串-并联型、并-串联型和矩阵型四种串联升压型风电全直流输电系统方案，并结合各类风电全直流输电系统方案的拓扑结构和特点，指出各种方案的优势、不足；然后对各种方案的特点进行了分析和比较，指出其应用前景；最后就目前风电全直流输电系统研究中存在的主要问题和发展趋势进行了总结和展望。

1 升压装置升压型风电全直流输电系统方案

升压装置升压型风电全直流输电系统也可以称为并联型风电全直流输电系统或辐射型风电全直流输电系统[12]，其系统结构与现有的风电交流输电系统结构相似[13]，通过升压装置实现电压等级的提升。该方案可以借鉴现有的风电交流输电系统成熟的建设经验，实现难度较小。根据系统中升压装置的位置、升压次数以及升压装置的连接方式的不同可以分为集中升压型、两级升压型、机端升压型[14]、升压站直流并联型和升压站直流串联型风电全直流输电系统[9]。

1.1 集中升压型风电全直流输电系统

集中升压型风电全直流输电系统如图1所示，该系统主要由海上直流风电场、海上直流升压站、高压直流输电线路、陆上换流站、陆上升压站以及电网构成。海上直流风电场由多台直流风电机组并联组成，每台风力发电机输出交流电能经AC/DC变换器整流为直流电能，经低压直流母线汇集后由海上直流升压站将电压提高到高压直流输电电压等级，进而进行高压电能传输[15]。

图1 集中升压型风电全直流输电系统

集中升压型风电全直流输电系统的优势在于：(1)系统结构简单，只需要通过一次升压可直接升至高压；(2)采用单台直流升压变换器，在升压过程中引起的损耗相对较少[11]，同时可以有效避免因多台直流升压变换器导致的环流发生[16]；(3)电能传输效率高[9]。该系统的不足之处：(1)当风电场规模较大时，风电机组到海上直流升压站的距离较长，风电机组出口电压较低，导致电能汇集过程中直流电缆上的能量损耗较大[17]；(2)需要建设海上升压站，成本较高，施工难度较大；(3)对单台直流升压变换器的容量和变比的要求较高[18-19]。

1.2 两级升压型风电全直流输电系统

两级升压型风电全直流输电系统如图2所示，其系统结构与集中升压型风电全直流输电系统相似，不同之处在于该系统的海上直流风电场的每台直流风电机组都配置了机侧直流升压变换器，风力发电机输出的交流电能经整流后由机侧直流升压变换器进行一级升压，将电压升至中压等级后在中压直流母线汇集，然后由海上直流升压站进行二级升压，将电压提高到高压直流输电电压等级后进行高压电能传输[15]。

图2 两级升压型风电全直流输电系统

两级升压型风电全直流输电系统的优势在于：(1)通过配置机侧直流升压变换器使直流风电机组输出中压直流电能，降低了电能汇集过程中的能量损耗[16]；(2)通过两级升压的方式降低了直流升压变换器的升压比[9]，降低了直流升压变换器的设计难度；(3)更易于实现电压的独立控制，有助于提高风电场的故障穿越能力[9]，工程实现难度较小。该系统的不足之处：(1)系统所需直流升压变换器的数量较多，直流风电机组输出中压直流电能后仍需大容量的直流升压变换器将电压抬升至高压直流输电电压等级[20]；(2)需要建设海上升压站，投资成本较大，升压过程中的能量损耗相对较大，(3)多级升压设备的组合很大程度上影响传输效率，多台直流升压变换器的并联需要控制压差以避免环流的产生，提高了控制难度[16]。

1.3 机端升压型风电全直流输电系统

机端升压型风电全直流输电系统如图3所示，该系统主要由海上直流风电场、陆上换流站、陆上升压站和电网构成。海上直流风电场中每台直流风电机组的输出端口都配置了高变比的机侧直流升压变换器，风力发电机输出的交流电能经整流后通过机侧直流升压变换器直接升至高压，通过高压直流母线汇集后直接进行高压直流传输[10]。

图3 机端升压型风电全直流输电系统

机端升压型风电全直流输电系统的优势在于：(1)在直流风电机组的出口处直接进行高变比升压，在很大程度上降低了升压损耗和电能汇集过程中的能量损耗；(2)通过机侧直流升压变换器，可实现机侧电压和功率的独立控制[16]；(3)该方案无需建设海上升压站，降低了投资成本和建设难度。该系统的不足之处：(1)大量的高变比直流升压变换器直接连接在机侧整流器上，使得控制参数及耦合量变多，增加了机侧整体变流环节的控制复杂程度[16]；(2)大量高变比直流升压变换器的安装，会增加风电场机侧的建设难度。

1.4 升压站直流并联型风电全直流输电系统

升压站直流并联型风电全直流输电系统如图4所示，该系统主要由海上直流风电场、海上直流升压站、高压直流输电线路、陆上换流站、陆上升压站以及电网构成，其中，海上直流风电场由多个并联直流风电机组阵列构成。多台直流风电机组输出低压直流电能后通过并联实现电能的汇集，然后接入海上直流升压站内的一个直流升压变换器，将电压等级直接提高到高压等级，若干个这样的直流变换器通过并联实现容量的提高，然后进行高压直流传输[21]。

图4 升压站直流并联型风电全直流输电系统

升压站直流并联型风电全直流输电系统的优势在于：(1)电能汇集方式可靠性高，运行灵活；(2)直流变换器变比高，升压损耗小；(3)由多台直流变换器代替单一的直流变换器，降低直流变换器的容量要求。该系统的不足之处：(1)并联直流风电机组阵列输出电压低，电能汇集过程中损耗较大；(2)直流变换器变压要求高，设计与实现难度大；(3)升压站内直流变换器的输出电压需保持一致，否则会产生环流，使控制难度增大[9]。

1.5 升压站直流串联型风电全直流输电系统

升压站直流串联型风电全直流输电系统如图5所示，该方案的系统结构与升压站直流并联型风电全直流输电系统相似，不同之处在于该方案的海上直流升压站内的直流升压变换器的输出端采用并联连接的方式，并联直流风电机组阵列输出的低压直流电能接入海上直流升压站内的一个直流变换器，将电压等级由低压提高到中压，若干个这样的直流变换器的输出端通过串联进一步将电压提高到高压等级，实现高压直流电能的输出[22]。

图5 升压站直流串联型风电全直流输电系统

升压站直流串联型风电全直流输电系统的优势在于：(1)升压站内由多个直流变换器代替单一直流变换器，降低了直流变换器的容量要求；(2)升压站内直流变换器的输出端通过串联连接实现进一步升压，降低了直流变换器的变比要求，降低了直流变换器的设计与实现难度。该系统的不足之处：(1)升压站内直流变换器间存在耦合影响，其工作电压范围要求较宽，控制难度大；(2)风电场内并联直流风电机组阵列输出电压较低，电能汇集过程中由电缆造成的损耗较大[9]。

2 串联升压型风电全直流输电系统方案

串联升压型风电全直流输电系统是通过直流风电机组的串联连接将风电场的内网电压提高到高压直流输电电压等级的一种系统方案，无需建设海上升压站，降低了系统成本和施工难度[23]，根据直流风电机组阵列间连接方式的不同可以将其进一步分为直接串联型、串-并联型、并-串联型以及矩阵型风电全直流输电系统[24]。

2.1 直接串联型风电全直流输电系统

直接串联型风电全直流输电系统是串联型风电全直流输电系统中最典型的系统方案，其存在的问题以及解决方法对其他类型的系统方案具有很强的借鉴与指导意义。其系统拓扑如图6所示，该系统主要由海上直流风电场、高压直流输电线路、陆上换流站、陆上升压站以及电网构成。风力发电机输出的交流电能通过整流和直流变换后输出低压直流电能，直流风电机组通过串联的方式将风电场的内网电压提高到可以传输的电压等级后直接进行高压直流传输[23]。

图6 直接串联型风电全直流输电系统

直接串联型风电全直流输电系统的优势在于：(1)结构简单，无需任何升压设备[25]，不需要建设海上换流平台和升压站，极大地降低了投资成本[26]，工程实现难度小；(2)海底电缆用量少，电能汇集与传输效率高[27]。该系统的不足之处：(1)当系统中某处电缆发生故障时，整个系统将无法正常运行[15]；(2)串联连接的直流风电机组间存在耦合影响，控制系统设计复杂[28-29]；(3)当高压直流输电电压等级维持不变时，若某台或多台直流风电机组发生故障，需要将其旁路，则会使其他正常运行的直流风电机组产生过电压现象[13]；(4)直流风电机组需要承受与高压直流输电电压等级相同的对地电压，增加了直流风电机组的绝缘设计难度[7]；(5)直流风电机组串联阵列中流过的电流是一致的，当每台直流风电机组捕获的风能差异过大时，其直流侧出口电压也将有过大的差异[30]。因此该方案的直流输电电压等级不能达到很高，该方案适用于中小容量的风电全直流输电系统[31]。

针对直接串联型风电全直流输电系统中直流风电机组间耦合影响较大的问题，文献[9]提出可采用串-并联、并-串联的组网方式降低直流风电机组间的耦合影响；针对直流风电机组因故障检修被旁路时，剩余机组将承受更高的机端电压的问题，文献[32]提出一种协调陆上DC/AC换流站的控制策略，采用降高压直流电压的运行方式减小机组的机端电压；针对直流风电机组对地电压高，绝缘设计难度大的问题，文献[33]提出可采用隔离型直流变换器的方案降低风力发电机的绝缘要求，尤其采用高频变压器时，其体积小，可以安装到塔筒或机舱内，可有效降低安装难度并节省空间；针对直流风电机组捕获功率不同时机组机端电压差异较大的问题，文献[34]对串联系统拓扑进行改进，通过分流电路实现了机端电压的平衡并保持各台风电机组工作在最大功率跟踪状态。

2.2 串-并联型风电全直流输电系统

串-并联型风电全直流输电系统如图7所示，该系统由多个串联直流风电机组阵列组成的海上直流风电场、高压直流输电线路、陆上换流站、路上升压站以及电网构成。多台直流风电机组以串联的形式组成串联直流风电机组阵列，使其电压等级达到适合高压直流传输的水平，然后将若干个串联阵列相并联进行能量汇集，以达到系统的额定输出功率，进而进行高压直流传输[35-39]。

图7 串-并联型风电全直流输电系统

串-并联型风电全直流输电系统的优势在于：(1)无需海上直流升压站，降低了建设成本；(2)提高了系统的容量，适用于远海大容量的风电全直流输电系统；(3)一定程度上提高了系统可靠性，当某个串联直流风电机组阵列的电缆发生故障时，可将该阵列切除，保证剩余串联阵列的正常运行。该系统的不足之处：(1)该系统需要保持串联直流风电机组阵列中电流的一致性以及不同串联阵列间电压的一致性，提高了控制系统的设计难度；(2)直流风电机组的串联使得彼此间存在一定的耦合影响，因而欠缺对独立风电机组的出口电压调节能力[16]；(3)串联阵列中电流控制存在不确定性，直流风电机组故障退出时会造成直流环流[40-41]。

2.3 并-串联型风电全直流输电系统

并-串联型风电全直流输电系统如图8所示，与串-并联型风电全直流输电系统相比，该系统的海上直流风电场由多个并联直流风电机组阵列以串联的方式构成。同一阵列的直流风电机组通过并联的方式提高容量等级，不同阵列之间通过串联的方式提高电压等级，从而实现电能的汇集与传输[24]。

图8 并-串联型风电全直流输电系统

并-串联型风电全直流输电系统的优势在于：(1)无需海上直流升压站；(2)系统容量大；(3)直流风电机组间的耦合性小，当直流风电机组故障退出时电压波动相对较小，电流会按功率比值分配给同一阵列的并联风电机组，减小单台风电机组承载过多电流的压力[40]。该系统的不足之处：(1)当不同阵列间风功率差比较大或串联电流设定不当会造成机群达到电压上限而无法继续跟踪最大功率，会造成系统风功率损失；(2)当并联阵列间的串联线路发生故障时，会导致整个系统无法运行。

2.4 矩阵型风电全直流输电系统

矩阵型风电全直流输电系统如图9所示，该系统的海上直流风电场是在串-并联型系统结构的基础上通过加装额外的直流电缆线路和断路器，从而形成纵横交错的矩阵式网架结构[41-43]。

矩阵型风电全直流输电系统的优势在于：(1)克服了串-并联型系统在直流风电机组发生故障时，同一串联阵列中其他直流风电机组出现严重过电压的问题[40]；(2)降低了直流风电机组内功率器件和其他耐压元件的最高电压等级要求；(3)系统可靠性明显提高，并且能够有效提高对风能的利用率[44]。该系统的不足之处：(1)该系统增加了直流电缆的长度并且需要使用大量的直流断路器，导致系统的投资成本明显增加；(2)大大增加了系统接线和控制的复杂程度。

图9 矩阵型风电全直流输电系统

3 方案对比分析与展望

为了更直观地说明各种风电全直流输电系统方案的优缺点，对升压装置升压型和串联升压型两大类风电全直流输电系统方案，以及其包含的各种系统方案进行对比分析，并结合各方案特点指出其适用场景。

3.1 风电全直流输电系统方案对比

对风电全直流输电系统所包含的升压装置升压型和串联升压型两大类系统方案进行对比，其具体对比如表1所示。

表1 风电全直流输电系统方案对比表

升压装置升压型风电全直流输电系统方案通过直流升压变换器实现电压等级的提高，因此对海上平台需求高；该方案所需大容量高变比的直流升压变换器设计与制造难度大、成本高，且海上平台建设难度大、成本高，使得该系统方案投资成本高；该方案的直流风电机组一般采用并联连接，因此其可扩展性高、控制难度小；该方案可根据系统要求投切风电机组或切除故障风机，因此该系统方案的可靠性高；该方案对直流风电机组无特殊要求，因此风电机组设计难度小，该方案的实现难度较低。

串联升压型风电全直流输电系统通过直流风电机组的串联连接实现电压等级的提高，无需大容量高变比的直流升压变换器和海上平台，可大幅降低投资成本；风电机组的串联使得风电机组间的耦合影响加大，加大了系统的控制难度；系统中风电机组需要承受较高的对地电压，对风电机组的绝缘能力提出来较高要求，限制了其拓展性，增加了直流风电机组的设计难度，因此该方案的实现难度较大。

3.2 升压装置升压型方案对比

对升压装置升压型风电全直流输电系统所包含的集中升压型、两级升压型、机端升压型以及升压站直流并联型、升压站直流串联型五种系统方案进行对比，其具体对比如表2所示。

升压装置升压型风电全直流输电系统结构简单，可借用现有交流风力发电系统的建设经验，实现难度较小；但其电压等级的提升需要建设海上升压站或在机侧配置高变比的直流升压装置，投资成本与建设难度较大。

表2 升压装置升压型风电全直流输电系统方案对比表

升压装置升压型风电全直流输电系统所包含五种系统方案的直流风电机组均采用并联连接的方式，风电场的容量和换流器电压容易拓展，因此既适用于小容量的近距离输电场景，也适用于大容量的远距离输电场景。其中，集中升压型方案采用单台大容量直流升压变换器，升压损耗小，电能传输与转换效率高，更适用于大容量输电系统；两级升压型方案通过两级升压降低直流变换器的变比要求，实现难度小，更适用于大容量输电场景；机端升压型方案无需升压站，建设成本大幅降低，但需要在机侧安装高升压比的直流变换器，实现难度较大，更适用于中小容量的输电系统；升压站直流并联型和升压站串联型方案采用多台直流变换器代替单台直流变换器，降低了直流变换器的容量要求，更适用于大容量输电系统。

3.3 串联升压型方案对比

对串联升压型风电全直流输电系统所包含的直接串联型、串-并联型、并-串联型以及矩阵型四种系统方案进行对比，其具体对比如表3所示。

表3 串联升压型风电全直流输电系统方案对比表

串联升压型风电全直流输电系统无需建设海上升压站，降低了系统的投资成本和建设难度；但由串联结构所带来的直流风电机组的绝缘问题、风电机组间的耦合影响以及故障直流风电机组切除后系统的稳定性问题需要进一步研究。

串联升压型风电全直流输电系统所包含的四种系统方案中，直流串联型系统方案成本低，实现难度小，但其电压等级不易拓展，容量受限，适用于小容量的输电场景；串-并联型和并-串联型系统方案可通过增加串联阵列或并联阵列的方式提高系统的电压和容量等级，更适用于大容量的输电场景；矩阵型系统方案可靠性高，可拓展性高，但其成本与控制难度较高，适用于对可靠性要求较高的特殊场景。

3.4 分析与展望

从上述对比可以看出，不同的风电全直流输电系统方案有其鲜明的特点和特殊的要求，根据不同的容量、成本、可靠性以及其他要求，风电全直流输电系统有多种选择方案。针对现有系统方案的不足，对未来的研究方向和发展趋势展望如下：

(1)优化现有系统方案。目前的系统方案大都是在将传统交流风电机组改造为直流风电机组以及将传统小容量直流变换器组合为大容量直流变换器的基础上提出的，普遍存在电能变换环节多、转换效率低的问题，因此研究适用于现有系统方案的新型直流风电机组和大容量直流变换器可避免现有系统方案的一些缺陷，实现对现有方案的优化;

(2)提出更加完善的系统方案。针对现有系统方案的不足，借鉴现有系统方案的优势，结合不同场景所需系统的容量、成本、可靠性等要求，提出更加完善的系统方案;

(3)研究不同拓扑结构、不同电压等级的海上直流风电场间的互联。如设计新型的直流集电器或大容量多端口直流变换器，实现将不同拓扑结构、不同电压等级的海上直流风电场的能量的汇集以及电压等级的提升，并通过高压直流输电线路将电能传输至陆上换流站;

(4)研究更加完善的风电全直流输电系统控制策略。如对海上直流风电场，研究如何实现全部直流风电机组的最大功率跟踪；对串联升压型风电全直流输电系统，研究如何以更有效的方式保证串联阵列内部分直流风电机组故障后其余直流风电机组的正常运行；对整个输电系统，研究如何实现海上直流风电场、海上直流升压站与陆上换流站的协调控制，提高系统运行的可靠性;

(5)提高风电全直流输电系统的故障保护能力。针对不同拓扑结构的风电全直流输电系统，研究其故障保护，如研究新型的直流断路器，降低其损耗和成本；研究具备直流故障隔离能力的换流器，通过换流器的结构以及功率器件的快速动作实现直流故障隔离。

4 结束语

风电全直流输电系统解决了由交流传输带来的无功充电电流和过电压问题，具有功率损耗小，风电场功率和换流器电压容易拓展，无需无功补偿，无需笨重的工频变压器的优点，特别适用于大规模、大容量、远海化的风力输电系统场景。文中通过对现有风电全直流输电系统方案的系统拓扑、特点与适用场景进行分析，得到的结论可以概括为以下几个方面：

(1)根据升压方式的不同，可以将现有的风电全直流输电系统分为两大类：升压装置升压型和串联升压型系统方案。进一步，升压装置升压型方案根据升压装置的安装位置、升压次数以及升压装置的连接方式的不同又可以分为集中升压方案、两级升压方案、机端升压方案、升压站直流并联方案以及升压站直流串联方案；串联升压方案根据串联直流风电机组阵列间的连接方式又可以分为直接串联方案、串-并联方案、并-串联方案以及矩阵方案；

(2)升压装置升压型风电全直流输电系统结构简单，可借用现有交流风力发电系统的建设经验，实现难度较小；但其电压等级的提升需要建设海上升压站或在机侧配置高变比的直流升压装置，投资成本与建设难度较大；

(3)串联升压型风电全直流输电系统无需建设海上升压站，降低了系统的投资成本和建设难度；但由串联结构所带来的直流风电机组的绝缘问题、风电机组间的耦合影响以及故障直流风电机组切除后系统的稳定性问题需要进一步研究；

(4)研究新型直流风电机组和直流变换器可以优化现有系统方案；针对现有方案的不足，借鉴现有方案的优势并结合自身场景需求，提出更加完善的系统方案；通过直流集电器或多端口直流变换器实现不同拓扑、不同电压等级的直流风电场间的互联；针对现有系统方案的不足，研究更加完善的风电全直流输电系统控制策略；研究新型直流断路器和具备直流故障隔离能力的变换器，提高风电全直流输电系统的故障保护能力。