智能电网分析与设计4 海上风电、并网技术与控制策略

注意事项

-璞润-•本课程讲义中算例分析数据，基于公开发表信

息，考虑电网实际进行了修改补充，可能接近但

不是电网实际数据；

•算例分析作用是演示课程所介绍的分析方法和分

析过程，使大家更直观地理解相关内容；

•计算过程在实际工程分析基础上做了适当简化；•因此，算例分析数据和结论不可作为实际运行调

度之直接依据。

智能电网分析与设计

4.海上风电、并网技术与控制策略

海上风电开发与并网

-璞润-

陆地-近海-远海

-璞润-

•随着风力发电技术的不断发展和成本的持续降低，海上风力发电成为未来风电发展的一个重要领域[1] 。相对于陆上风

电，优势：

•海上空气湍流较少，因此海上风机具有更长的使用寿命[2] ；

•海上风速较高且稳定，风机最大利用小时数高；

•对景观影响小，不占用土地。

技术进展

-璞润-

海上风电领域6MW风电机组的商

业应用都还处在研发试验阶段。

丹麦Vestas将为德国北海海上风

电场提供15台6MW海上风机；

德国Repower将于2013年在安装

6MW海上风机。

海上风电资源

-璞润-•中国气象局第四次风能资源普查结果，我

国离地50米高度陆地上风能资源潜在开发

量为23.8亿千瓦，近海5-25米水深范围内风

能资源潜在开发量约为2亿千瓦。

海上风电并网的问题

-璞润-

•由于海上风电场通常远离陆地和电网，低损耗的风电传输成为一个必须解决的问题。

•目前主要通过高压交流电缆（HVAC）连接海上风电与电网。

•缺点：电缆的大电容导致的高输电损耗，限制了输电的距离。

•研究证实，传输500-1000MW功率，对于400kv和132kv 电压等级的电缆，输电能力显著下降的临界距离分别为

202km和370km[3] 。理论上，采用补偿技术能够提高

HVAC的输电距离，但是实际中由于电缆敷设于海底而难

以实施[4] 。

海上风电经VSC-HVDC并网

-璞润-•相对于HVAC输电存在的这些限制，HVDC输电具有明显的优势：

•没有电容造成的输电距离限制；

•采用双极配置时，导线（电缆）数由3条减少为两条；

•传统的风力发电交流输电的传输方式,风力发电机在发出有功功率的同时还要从系统吸收无功功率,其无功需求是随着有功输出的变化而变化的。随着风电场容量在系统中所占比例的增加,风电场对电网频率与电压的影响会越来越显著。为了保证电网的电能质量, 风电场的装机容

量不能超过联接点短路容量的某一百分值。

•HVDC技术利用直流换流技术将风电场内部交流系统与外部交流电网有效地隔离开, 大大减轻了风电随机性和波动性对电网的影响,缓解了

对风电场装机容量的限制，因而相对于传统交流输电技术具有明显优

点。

VSC-HVDC发展

-璞润-•第一条VSC-HVDC线路由ABB在1999年使用HVDC Light技术建造。

两条长70km，电压±80kV，输送容量50MW/±30MVA的HVDC电缆

并行敷设，连接Gotland和Visbyde发电厂[5,6,7] 。

•利用地下直流电缆代替架空线,克服了Gotland岛上难以安装架空线的困难;

•采用HVDC Light技术,不仅风力发电场内部交流系统的稳定性大大提高, Gotland岛南部电网的电能质量和电压稳定性也得以提高。

•VSC-HVDC的首次海上应用是在2005年，连接北海Statoilde的天然气平台至电网[8] 。

•瑞典南部输电网的扩建也将采用VSC-HVDC技术进行远距离输电[9] 。•目前世界上仅有ABB能够提商业用途的VSC-HVDC（HVDC-Light）技术[6]。中国电科院上海试验线路

•未来VSC-HVDC的输送功率有望继续提高。

系统结构

-璞润-•典型的海上风电场经直流输电接入电网的

系统

-璞润

-

对比

最高*

较低

最小

输电损耗[17]

最好短时间恢复长时间恢复故障后表现[17]长长短临界故障切除时间[17,20]不增加不增加增加是否增加短路容量[12]最小

较小

大

同样输送容量，电压水平下

远距离输电的投资[14,15,16]最小换流站消耗无功损耗对无功的需求[12]

无限无限受限同等输送容量下的电缆长度

[14,19]最容易实现可能实现无法实现多落点DC 网络[12.4.13]最强不具备具备黑启动能力[3,11]独立依赖依赖是否依赖交流电网[6]最强，四象限调节二象限调节仅无功有功无功解耦控制能力[6,11]最强

有限有限电压控制能力[11]

简单硬件设计复杂最简单系统复杂程度[6]VSC-HVDC

LCC-HVDC SVC-HVAC 技术要求

技术优点

-璞润-

•随着技术的不断成熟，VSC-HVDC换流站主要设备大为简化,并实现了模块化设计,正常维护工作量大大减少,有利于无人值守,并可进行远程控制或根据相

邻交流系统的情况进行自动控制,各换流站间无需任何通信。

•使用VSC-HVDC连接风电场与交流电网能够改善一系列电能质量问题。这是由于VSC-HVDC能够实现无功功率大范围快速调节。如果进一步控制注入电

网的有功功率，则调节范围还可以扩大。利用分布式电源和HVDC调节电压

和无功控制已经有了比较充分的研究[18-20]。此外,采用VSC-HVDC技术的系统产生的谐波也大为减小。

•通过控制交流侧母线的无功功率，可以对换流站交流侧电压进行调节，前提是电源电抗足够大。对于电源电抗比较小的情况，例如配电电缆，电压对无

功的变化不敏感，而主要受有功功率大小的影响[21]。HVDC对交流电压的控

制能力非常适合于风力发电的传输。系统运行时,一般一侧换流站控制电压,构成常电压控制;另一侧换流站控制有功功率。

•由于提供了有功和无功的调节能力，换流站能够实现相应的电压和频率的控制功能，因而VSC-HVDC能够实现黑启动，同时，可以为风电机组启动阶段

提供无功支持。