海上风电柔性直流输电及变流器技术研究

收稿日期：２００７—１１—０８
修回日期：２００７—１１．２０
作者简介：王志新（１９６４一），男，贵州遵义人，博士、教授、博士生导师，主要研究方向为海上风电、光伏发电技术；
李响（１９８２一），男，江西南昌人，博士研究生，主要研究方向为海上风电柔性直流输电变流器技术； 艾芋（１９６９一），男，湖北武汉人，博士、副教授，主要研究方向为海上风电柔性直流输电技术；
解大（１９６９一），男，黑龙江哈尔滨人，博士、副教授，主要研究方向为海上风电大功率变流器技术。
万方数据
４１４
电力 学报
２００７年
源和技术进行研究；１９９０—１９９８，欧洲级近海风电 场研究，并开始实施第一批示范计划；１９９１—１９９８， 中型近海风电场；１９９９—２００５，大型近海风电场并 开发大型风力机；２００５年以后，大型风力机和近海 风电场。
少了输电线路电压降落和电压闪变，有助于进一步 提高电能质量等。海上风电柔性直流输电系统大 容量变流器核心技术重要为ＡＢＢ、西门子公司拥 有，并在国外的大型海上风电场得以成功应用。我 国在柔性直流输电技术方面还处于跟踪与技术储 备阶段，国家电网公司已制定相应的实施计划，并 在福建（岛屿输电）、甘肃（大型风电场）、上海（城市 供电）建立应用示范。
万方数据
第４期
王志新等：海上风电柔性直流输电及变流器技术研究４１５
用ＨＶＤＣ联网，降低网损耗，改善电能质量等。
结构，其中：ｅ。，ｅｂ，ｅｃ为三相电源电压瞬时值，ｉ。，ｉｂ， ｉ。为三相输入电流瞬时值，Ｌ。为网侧滤波电感，Ｒ。
为滤波电感寄生电阻，Ｃｄ。为直流测滤波电容，Ｔ１～ Ｔ６为整流器功率开关。
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｗｉｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ
Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＷＡＮＧ Ｚｈｉ—ｘｉｎ，ＬＩ Ｘｉａｎｇ，ＡＩ Ｑｉａｎ，ＸＩＥ Ｄａ
（Ｄｅｐｔ．Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０，Ｃｈｉｎａ）
２）作为ＦＡＣＴＳ装置中的变流器。灵活交流输 电系统（ＦＡＣＴＳ）控制技术特有大功率、高速、精确 和连续特点，通过改变高压输电网的参数（相角、电 压、线路阻抗）及网络结构直接控制输电线路的电 压、潮流，代替传统的机械、电子和电磁控制方式， 使得交流输电系统的功率可控性高，降低系统网损 和发电成本，并大幅度提高系统的稳定性和可靠
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｒｅｖｉｅｗｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｄｅ— ｖｅｌｏｐｉｎｇ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｗｉｎｄ ｆａｒｍ ｂｒｉｅｆｌｙ，ａｎｄ ａｎａ— ｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｒｅｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｗｉｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｅｔｃ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ： ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｗｉｎｄ ｆａｒｍ；ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｗｉｎｄ ｅｎｅｒｇｙ
１近海风电场研究开发与建设状况１１４ｊ 国际上开展近海风电的研究与开发始于２０世
纪７０年代，主要集中在欧洲和美国，大致分为５个 时期：１９７７—１９８８，欧洲对国家级近海风电场的资
＊基金项目：教育部留学回国科研基金（Ｎｏ．２００７１１０８）；上海市教育发展基金（Ｎｏ ２００６００３）；中国博士后基金（Ｎｏ．２００５０３８４３５）资助。
摘要： 简要回顾国内外海上风电场研究开发与 建设状况，分析了海上风电场柔性直流输电应用技 术、变流器技术特点、技术关键及应用，结合上海风 力资源情况，提出了海上风电柔性直流输电大功率 变流器设计开发技术关键，以及海上风电场电气输 送与并网技术等。 关键词： 近海风电场；柔性直流输电；变流器；风 力发电 中图分类号：ＴＰｌｌ文献标识码：Ａ
２０世纪７０年代初，部分欧洲国家提出利用海 上风能发电设想。海上风电的优点主要是不占用 宝贵的土地资源，机位选择空间大有利于选择场 地，受环境制约少，基本不受地形地貌影响，风速
高、湍流强度小、风电机组发电量多、风能利用更加 充分，其能量收益比沿海风能资源丰富地区陆地风 机高２０％－－４０％，且运输和吊装条件优越，风电机 组单机容量更大，年利用小时数更高。经过３０多 Ｙ的发展，海上风电技术正日趋成熟，并开始进入 大规模开发阶段，２００６年海上风电累计装机已超过 ９０万ｋＷ，占全球风电总装机容量１．２１％。其中， 丹麦、英国、爱尔兰、瑞典和荷兰等国家发展较快。 但是，海上风电的建设成本是陆上风电的２～３倍， 需要解决的技术关键包括海上风电场风能资源测 试与评估、风电场选址、基础设计及施工、风电机组 安装、输电系统及电网接入等。其中，海上风电场 场址选择包括宏观海上选址和微观选址２个方面， 海上风电场规划基于评估、研究地区风能资源，综 合考虑电力需求、入网方法和系统状况，以及地质、 地貌、航道、鱼类生产等因素，综合进行技术经济分 析，达到最优规划目的。
到１ ０００万ｋＷ和７ ０００万ｌ州。
我国上海东海大桥１０万ｋＷ近海风电场，安装 ３ ＭＷ风电机组，计划在２００９年完成；上海还规划 建设海上风电场：奉贤海上风电场１０万ｋＷ，南汇 大型海上风电场４０万ｋＷ，奉贤大型海上风电场３０ 万ｋＷ，横沙大型海上风电场２０万ｋＷ，累计１１０万 ｋＷ；已规划在浙江慈溪、临海、岱山，江苏盐城、山 东青岛建设近海风电场，累计装机超过２００万ｋＷ， 其中，浙江岱山近海风电场（２０万ｋＷ），浙江杭州 湾近海风电场（１００万ｋＷ），江苏如东（２０万ｋＷ）， 江苏东台（２０万ｋＷ），河北黄骅（２０万ｋＷ），广东南 澳（２万ｋｗ）。２００７年，渤海油田海上风力发电示 范电站，安装１台１ ５００ ｋｗ机组，位于渤海辽东湾 南部海域绥中３６一ｌ油田，距海岸约４６ ｋｍ，通过约５ ｋｍ长的海底电缆输送至油田独立电网，与现有４ 台双燃料透平机组组成互补系统。
３．２柔性直流输电变流器主电路拓扑结构 图３所示柔性直流输电变流器基于ＩＧＢＴ和
ＶＳ，采用ＰＷＭ技术，其核心部件为两端的环流器 ——＿ＶＳＣ（图中虚线所包含部分）。送端和受端换 流器可采用相同的ＶＳＣ结构。ＶＳＣ使用具有高频 开断功能的ＩＧＢＴ器件，以ＰＷＭ控制方式对逆变 电路开关器件的通断进行控制，在两固定的直流电 压间快速切换来产生交流电压，并通过交流低通滤 波器从高频脉冲调制电压中得到期望的基波电压。 使用ＰＷＭ技术，可瞬时地改变交流输出电压的相 位与幅值，从而实现有功与无功的独立调节。经 ＰＷＭ逆变的交流电压可随控制系统的变化而变 化。图４所示柔性直流输电变流器的主电路拓扑
图４三相柔性置流输电变流器主电路拓扑
４海上风电场电气输送技术 ４．１ 海上风电场并网技术
丹麦第一批商用近海风电场位于距离海岸１５ ～４０ ｋｍ的海域，水深５～１０ ｍ或１５ ｍ，风电场装 机在１２～１５万ｋｗ之间；近海风电场通过敷设海底 电缆与主电网并联，为了减少由于捕鱼工具、锚等 对海底电缆造成破坏的风险，海底电缆必须埋起 来。如果底部条件允许的话，用水冲海床（使用高 压喷水），然后使电缆置人海床而不是将电缆掘进 或投人海床，这种方式最为经济；近海风电场可能 与３０～３３ ｋＶ电压等级相联，每个风电场有１个３０ ～１５０ ｋＶ变电站平台和多台维修设备，与大陆的联 结采用１５０ ｋＶ电压等级。针对近海风电场距离主 电网很远特点，采用基于轻型ＨⅥ）Ｃ的发电机集中 控制并网和轻型ＨＶＤＣ的发电机分散控制并网方 式，并通过稳态及暂态分析，针对不同近海风电场， 辅助确定风电机组运行控制方式、并网点电压等 级，研究包含风电场的动态优化潮流，确定最优潮 流模型；针对风电场电压波动、闪变和谐波等电能 质量，采取无功、电压控制等方式，以改善风电场并 网运行电能质量。
２００７年第２２卷第４期 （总第８１期）
电 力 学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ
Ｖ０１．２２ Ｎｏ．４ ２００７ （Ｓｕｍ．８１）
文章编号：１００５—６５４８（２００７）０４—０４１３—０５
海上风电柔性直流输电及变流器技术研究＋
王志新， 李 响， 艾 芊， 解 大
（上海交通大学电气工程系，上海２００２４０）
经过３０多年的发展，近海风电技术正Ｅｌ趋成熟， 并开始进人大规模开发阶段。目前，已商业运行的风 力发电机组单机容量达５ ＭＷ，并网风力发电场规模 逐渐增大，大型风电场正从陆地向近海发展。２００６ 年近海风电累计装机７９．８２万ｋＷ，占全球风电总装 机容量１．５％，其中丹麦、英国、爱尔兰、瑞典和荷兰 等国家发展较快。欧洲规划到２０２０年，近海风电装 机达到２４０ ０００ ＭＷ，年发电量７．２×１０１０万Ｗ·ｈ，可 以满足１／３的欧洲用电量。欧洲风能协会预测，今后 １５ Ｙ近海风电将成为风电发展的重要方向，预计到 ２０１０和２０２０年，欧洲近海风电总装机容量将分别达
３海上风电场柔性直流输电变流器研究开 发眦６］
电气传输技术是海上风电场涉及关键技术之 一，具体实施过程为通过将海上风电机组按一定规 律排布，串联在一起形成若干独立的组，分别与近 海升压变电站相连接，如３５ ｋＶ／１５０ ｋＶ，还开发专 用的硅树脂冷却变压器，密封性好，无需特殊外壳 就能够在恶劣环境（潮湿和盐雾）中运行；同时，采
上海风电场电气方案的选择应根据海上风场 的风力资源情况、特点，选定风力发电机组的类型。 根据风电场的最终装机容量和风电场在电网中所
性。变流器应用于电力系统，将推动ＦＡＣＴＳ装置
的发展，如ＵＰＦＣ，ＳＴＡＴＣＯＭ，ＡＰＦ，ＳＳＳＣ等装置 的进一步完善和缩短研制周期，确保电力系统灵活 运行和提高电能质量。 ２．２海上风电场柔性直流输电系统应用示范
柔性直流输电技术的特点是输送３５０ ＭＷ以 下容量具有优势，直流最高电压等级达到１５０ ｋＶ， 充分体现了柔性直流输电的优越性。ＡＢＢ至今已 在全球范围内成功实施了１２项输电工程（额定容 量１ ４１２．２ ＭＷ），其中，５个用于海上风电柔性直流 输电工程（总额定容量１８２．２ ＭＷ），其他还包括电 网互联等。用于海上风电柔性直流输电的商业化 运行代表性工程包括：图１所示哥特兰岛（Ｇｏｔｌａｎｄ） 工程，于１９９９０６连接瑞典哥特兰岛北部和维斯比 城的柔性直流输电传输线工程投入运行；图２所示 Ｔｊｍｅｂｏｒｇ工程，丹麦ＥＬＴＲＡ公司在Ｔｊａｅｅｂｏｒｇ建设 的最大传输容量为７．２ ＭＷ的柔性直流输电示范 工程，并于２００００９正式投运。
２海上风电场柔性直流输电应用ｂ副 ２．１ 柔性直流输电变流器应用领域
以电压源换流器（ＶＳＣ）和绝缘栅双极晶体管 （ＩＧＢＴ）为基础的轻型ＨＶＤＣ，把ＨＶＤＣ的经济容 量延伸到了几ＭＷ到几百ＩＶｌＷ。
１）用于海上风电场柔性直流输电系统。轻型 ＨＶＤＣ系统具有常规ＨＶＤＣ的优点，还可直接向小 型孤立的远距离负荷供电，更经济地向市中心送 电，便于连接分散电源，运行控制方式灵活多变，减
ＶＳＣｉ
．直流输电线
ｖｓｃ２
帚一帚一０ ｛舱一§一口
圣。髓 爵——｛
wk.baidu.com
上～哇
１洛一各州子 两叫
图３柔性直流原理图
图２ Ｔｊａｅｒｅｂｏｒｇ ｍ程示意图
３．１主要研究内容与技术关键
主电路拓扑结构的研究，柔性直流输电变流器 的建模与分析，柔性直流输电变流器的电流控制， 系统控制策略研究，系统仿真平台的建立，在线监 测、故障自诊断技术等。变流器前端及后端的接口 要求，变流装置的容错冗余可靠性技术，电力电子 器件耐压问题解决方案，变流器的谐波抑制和提高 绝缘技术，高压在线监测、故障自诊断技术，高压变 流器的测试及试验技术，海上应用环境的解决方 案。ＡＢＢ、德国西门子公司大功率变流器产品在风 力发电行业具有代表性，德国ＳＭＡ公司的产品适 用于光伏并网发电；国内具有代表性的厂家包括合 肥阳光电源有限公司以及北京科诺伟业科技有限 公司，变流器主要针对低压６９０ Ｖ场合。