海上风电场并网方法探析

海上风电场并网方法探析
摘要:风力资源丰富、风力稳定、干扰小等优点，海洋风电已成为风力资源开发和应用的一个重要方向。

比较分析风电并网的高压AC、传统的HVDC、HVDC 和HVDC- Flexible三种不同的并网模式，重点讨论FDC等具体并网方案以及适合于海上风电的DC换流站拓扑结构。

关键词：海上风电高压交流输电常规高压直流输电柔性直流输电
1海上风力发电传输方案
1.1HVAC并网方式
由于风力发电规模较小，离岸距离较短，因此HVAC的应用较为广泛。

高压直流并网技术成熟、结构简单、成本低是其最大的优势。

HVAC的电力系统采用的是AC缆线，在进行AC电力输送时，会造成电容式的无功损失，由于电力系统中电力系数很低，从而导致实际交流电缆的传输能力下降。

随着传输距离增大，这一情况也越来越明显。

为此，必须在线路两侧变电所加装大容量电感无功功率，这不仅会提高传输费用，还会增大电力系统的容量，加剧变电所的施工难度。

根据国外风电厂的发展计划，风电机组装机规模将不断扩大，其中大中小型风电机组的装机规模都在200兆瓦乃至1000兆瓦。

由于风电机组距离负载距离较大，因此风电机组最大供电网络为低电压配电网络，因此R/X比值较高，短路容量较小，而采用HVAC并网模式所需短路容量较大，从而限制风电机组的容量。

另外，HVAC并网模式也要求风力发电和地面电力设备之间的联系，如果风电设备出现问题或者是设备出现问题，都会对电力设备造成影响。

由于风电机组装机容量和离岸距离的加大，HVAC的运行成本和运行稳定性都会下降，使得HVAC在远程、高负荷的风电机组中的使用受到限制。

1.2 LCC-HVDC并网方式
LCC-HVDC诞生于50年代，经历了50多年的发展历程，目前已在陆地传输中
得到广泛运用。

由于其适用距离远、传输容量大、易于控制和调整等特点，在风
电机组的并网中具有良好应用前景。

采用LCC-HVDC技术实现的近海风力发电由
电力变压器、无功补偿装置和交流滤波器组成，可控硅换流器、直流电抗器、直
流滤波器、直流电缆、辅助电源设备、控制与防护设备。

LCC-HVDC换流站是以可控硅为基础的，而后者是半控式的，它仅能对开关进
行控制，不能对开关进行完全的控制，仅在可控硅上流动的电流为0，在管端的
电压为0或为负的情况下，可控硅是安全关闭。

所以LCC-HVDC的内在缺点是：(1)为确保可控硅的稳定起动，通常在整流端上的启动延迟角度要达到10~15度，而在逆变器一侧，开关的过前角通常在15度以上。

所以LCC-HVDC系统在使用时，会产生较多的无功功率，其容量约占总有功40%~60%，因而要求在整个系统中设
置较多的无功补偿装置，使其容量增大，对近海换流装置的建设与安装尤其不利。

(2)可控硅切换频率通常很小，在换流器的操作中会出现很多的共振现象，因此
必须在从端处的换流台增加容量巨大的AC滤波器。

(3)LCC-HVDC输电对所联接的AC系统异常灵敏，当出现短路时，其直流侧交流电压将会降低，从而很可能引起
切换不成功，导致系统运行事故。

1.3 HVDC-Flexible并网方式
HVDC-Flexible是一种以自力电子技术为基础的新型输配电技术，其核心是IGBTIGCT和PWM技术，性能优良，可独立控制有功、无功，可与弱交流或被动相
联接，不会增加交流系统短路容量，变流站采用模块化设计，安装调试简单。

从
瑞典Gotland、丹麦Tjaereborg等风电项目的实际运营情况来看，HVDC-
Flexible不但可以减少风电对电网的稳定性、安全性和电能品质的冲击，还可以
增加风电机组的传输容量和风电接入容量，灵活地控制风电的功率。

而HVDC-Flexible型变换器也有很大的切换损失，其与HVAC.LCC-HVDC没有明显的优势。

这是一个必须要考虑的问题。

在传输能力相等、可靠度指数相近的情况下，尽管HVAC中的换流台造价高，LCC-HVDC仅需1条（单极）或2条（双极）HVDC-Flexible （HVAC）仅需2条，而HVAC则仅需3条，而且其造价更低廉。

所以在
海底电缆传输的长度达到某一值时，交直流输电系统的设备费用可以达到相同的
水平，即交直流输电的等效长度。

HVAC变换器与HVDC-Flexible变换器相比，投资大。

因为铺设DC电缆的单
位费用要低于AC电缆。

所以在传输距离等于电缆线时，HVDC和HVDC-Flexible
的传输费用是相同的，而在传输距离超过等值时，LCC-HVDC和HVDC-Flexible具
有较好的经济性。

目前，人们普遍相信，在海底电缆的交直和流输电的等效长度
是90公里左右，而且当输电设备的成本越来越低时，其等效间距也会越来越短。

通常情况下，风电机组的装机能力为100兆瓦，或者在离岸100公里以内，HVAC
的并网模式比其它两种模式都更具优越性。

而在考虑到建设成本及安装困难等方面，在100-400 MW风电机组中，风电机组与LCC-HVDC相比，其装机容量为100-400MW。

HVDC-Flexible具有更高的性价比和技术优势。

而在400MW以上的机组中，LCC-HVDC具有一定的优越性。

2海上风电场HVDC-Flexible并网方案
2.1并网方案一
每个风机的交流电流被转换为10kv或35kv，被VSC转换为DC，经由海底DC
电缆与离岸风电场的DC升压站点相连，在升压站点中的DC/DC组件将公用DC母
线上的DC/DC组件提高至-150kv，经由海底DC缆索将申能电力传输至岸边的VSC
换流站，经由海岸VSC换流站转换为AC电源。

此设计优势在于采用单独的VSC对各风机的有功、无功功率进行自由控制，
并能依据实际风速调整各风机的交流电压，从而达到最佳运行速度；确保该装置
的总功耗捕捉能力一直处于最佳的水平。

另外，海上风力发电VSC控制体系较为
繁琐，若对VSC的直流电压进行不正确调节，因为要根据单个VSC的大小，其输入、出口电压水平较低，必须通过DC/DC升压设备来提高电压水平。

设备费用提高：因为每个单位都安装VSC，所以维修起来比较困难。

2.2并网方案二
将风电机组分为若干个机组，机组将机组的交流电通过变压器提升至10kV 或35kV，通过VSC转换为DC，将VSC的输出端连接至+150kV，通过海底直流电缆将风电机组的电力传输至VSC换流站，通过岸上VSC换流站转换为50Hz C电源。

与第一个方案相比，它节约了直流/直流升压台的建设与安装费用，减少技术上的困难和费用。

这种方法与第一种方法有相似之处，即将风电机组按不同的方式进行并联，从而造成风电机组的内接线较为繁琐，从而给风电机组的安装和建设带来一定的困难。

2.3并网方案三
将风电机组分成若干个单独的分区，每个分区的风电机组将其输出电压用变压器提升至10kV或35kV，再由海底AC电缆与其所在直流母线上连接，每一条母线彼此间隔，由该区汇流装置中的VSC群将该区母线的AC电转换成±150kVDC电力，然后通过该套专用的海底电缆将DC电力输送至对应的VSC，然后由各个海岸VSC分别将该组的DC电流转换成AC电流，通过该变流器连接到电网。

其优势在于，各地区风电场仅由同一套背对背式HVDC-Flexible系统进行并联，无需加装VSC变换装置，减少风力发电机和风力发电机内的主线路的设计与装配困难，减少VSC的设计与安装，减少VSC的设计与维修，适用于单个地区的风力发电能力400MW左右、风场容量600MW以上的大型风电场。

但其不足之处在于，在海洋换流场中，由于采用多条母线，需要安装多个母线防护装置，从而提高装置的运行费用和维修费用。

各地区的风机均由同一VSC进行，各地区机组无法自行进行有功、无功的调节。

由于采用多组背对背式的FDC，不仅提高设备的运行效率，而且还提高了设备的整体功耗。

3结语
海洋风力发电由于其自身的优越性，已经成为世界风力发电行业的领导者。

目前，全球已有很多国家开始大力发展海上风力发电，。

在我国，深入展开风力发电系统的并网模式探讨，推动我国风电产业的可持续发展。

参考文献
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