[蔡旭】海上全直流风电场及场群(中英文)
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上海交通大学风电研究中心
Wind Power Research Center of Shanghai Jiao Tong University
简介
Introduction
中心主任 蔡旭
Director: Xu CAI
系统控制研究所
组织机构
Divisions of the Research Centre
海底电缆线路中间增设补偿电感投资增加
VSC直流的优点： 不存在上述问题，且同样成本的直流电缆可以传输更多的电能 P-Q解耦控制、黑启动 风场的低电压穿越问题由VSC直流输电解决，对风电机组的要求降低
大型风场电力汇聚与传输并网
Wind Power Collection, Transmission and Integration of Large Scale Wind Farm
110kV金牛变电站
2011年立项；2012年实施；2013年12月投运
3端系统，电压±160kV，总容量200MW，单站最大容量100MW
30
国家能源海上风电技术装备研发中心
State Energy Offshore Wind Power Technology and Equipment Research Center
海上大规模风电的汇集与传输网需要有新的思路!
为什么要用直流汇集与传输风电
----------全直流的风电场
交流面临的问题：
Why All-DC wind farm?
输电功率的大幅度波动，满载时额定电压、低载时工频过电压、需要电感 补偿
大规模交流输送0-100%额定功率变化的电能，可调高抗及电压稳定等面临 技术难题
Electric pitch control system
Converter
Master control system
系统控制研究所
二、大规模风电并网技术
Institute of system control
（1）大规模电网友好型风电场关键技术
（2）多风电场集群控制系统
（3）全直流海上风电场及轻型直流输电系统
DC串联升压汇集直接传输风电场
Series-connected DC wind farm, DC transmission
适用于直流接入的风机
DC wind turbine
G
AC VDC DC
VD,WT
DC
DC
G
AC DC
关键设备
The key equipment
AC VDC DC
DC
DC
VD,WT
华东电网
华中电网
South China power grid 南方电网
千万千瓦风电基地
特点：大规模开发、集中并网
Taiwan 台湾
large-scale development, centralized grid connection
国内海上风场建设情况
The domestic offshore wind farm construction
海上风电的特点
风场建设成本占30%左右
Characteristics of offshore wind power
维护成本高涨，要求机组高度的可靠性
为降低成本，希望最少的海上平台数
为减少海上平台载荷，机组要更加紧凑
无需考虑景观、噪声问题 无需考虑空间问题，机组将更加大型化，降低成本 海风更平稳、拥有更高的年利用小时数 海上电力汇集与传输成本更高
国外海上风场建设情况
The oversea offshore wind farm construction 从2000年开始，欧洲海上风能的投入已开始超过陆上风能，并将逐步增加。 海上风电发展最快的英国2013新增装机73.3万千瓦,累计装机368.1万千瓦。
目前还有在建项目380万千瓦，另有780万千瓦的项目在审批阶段。
European Super Grid
2008年提出,连接北海和波罗的海海域的风力发电；接入地中海区域的太阳能发电； 实现国家间电力交易和可再生能源地充分利用，实现20/20/20目标(二氧化碳排放 降低20%；能源利用效率提高20%；20%的电力消耗来自可再生能源)
25
北海超级电网
Super Grid in the North Sea
（4）储能系统提高风电接入能力研究
三、大容量电池储能接入技术
（1）电池储能接入变流器系统 （2）面向微电网的电池储能系统 （3）面向电力系统的大型电池储能电站
大型风电机组变流器技术
Power converter technology of large wind turbine
创新成果： [1] 采用异步触发的方法攻克风电变流器积木化扩容技术，解决了
吉林西部2300万
Northeast power grid 东北电网
Northwest power grid 西北电网
North China power grid 华北电网
河北1200万 江苏沿海1000万
Tibet 西藏
甘肃酒泉1270万
East China power grid
Central China power grid
Low losses
Low filter requirements
- Ud
资料来源：ABB
MMC换流站的损耗与容量
Power loss and capacity of MMC converter station
资料来源：ABB
风场群的电力汇聚与传输
Wind Power Collection and Transmission of Wind Farm Cluster
风力机研究所
交大风力发电研究中心
风电场建设研究所
风电政策研究室
研究方向：
一、风电机组电气控制技术
（1）风电机组变流器 （2）风机变桨控制系统 （3）风机整机控制系统
系统控制研究所
Institute of system control
Hardware in the loop test system
Distributed controller
Two-level Converter the base Cascade connection
+ Ud
1 Cell Series connected IGBT’s Switched Cell Capacitor
CTLC – Cascaded Two-Level Converter
(one phase shown)
5～25米水深以内的近海区域、海平面以上50米高度 的风电可装机容量约为2亿千瓦
最早的海上风场位于上海东海大桥，建于2008年，装 机容量为10.2万千瓦，全部并网发电，另外在辽宁渤 海湾、江苏如东也有少量分布
上海预计在2015年完成70万千瓦海上风电场建设，在 2020年完成155万千瓦；江苏预计在2015年完成460万 千瓦，在2020年完成945万千瓦。中国海上风电装机 预计2015年500万千瓦，到2020年3000万千瓦
1896
1920
1987
2006
海上全直流风电场及场群
All-DC Offshore Wind Farm and Its Cluster
上海交通大学风电研究中心
Wind Power Research Center of Shanghai Jiao Tong University
蔡旭 Xu CAI
xucai @sjtu.edu.cn
中国的特殊情况
Special case in China
中国东部海域Fra Baidu bibliotek陆架慢长,海水不深 电力负荷高度集中在东南部地区
海上风电技术的挑战
Challenge of offshore wind power technology
机组的超大容量化与智能维护 风电机组需要更高的可靠性与容错性 风电场建设的低成本化问题 更适合波动功率汇集与传输的技术
（a）双馈机组
（b）全功率变换机组
VDC
G
VD,WT
DC/DC变压器
DC/DC transformer
隔离、非隔离
Lf
Vd
Cin
Cout
Rload
关键设备
The key equipment
SAB、DAB
直流断路器
DC circuit breaker
i Lσ1 i1
Lσ2 i2
u
UB
i1 Lσ1
SM
i i2 Lσ2
i3 Lσ3
u
UB
（a）固态断路器 ABB,300KV,9KA
（b）混合断路器
关键设备
The key equipment
i1 Cs iB i2 SM
i3 UB u
（c）缓冲型机械断路器
模块化多电平换流器(MMC): 半桥
MMC: half bridge
+V
+V
- V 模块输出电压
直流汇聚与直流传输并网(DC collection and DC transmission)
无案例，需要大功率DC/DC关键技术突破
DC串联升压汇集直接传输并网(DC series collection and DC transmission)
无案例
海上风电汇聚与传输系统（1）
Offshore wind power collection and transmission
U
-V
• 最少的元件数量 • 输出电压只有一种极性 • 无抑制直流侧故障的能力
模块化多电平换流器(MMC): 全桥
MMC: Full bridge
+V
+V
- V 模块输出电压
U
-V
• 开关器件增加 • 输出直流电压可为双极性
• 可与LCC直流线路连接 • 可抑制直流侧故障
ABB的第4代换流站
The fourth generation of ABB’s converter station
阶段一（到2020年）
OK,ABB
阶段二（到2030）
ALSTOM
技术关键—超级节点
北海超级电网
Super Grid in the North Sea
几种拓扑结构
Several topologies
舟山多端柔性直 流输电工程:
2012年立项 2013年实施 2014年投运 5端系统，电 压±200kV，总 容量1000MW， 单站最大容量 400MW
几种方案及面临的问题
Several options and their issues
交流汇集与交流传输并网(AC collection and AC transmission)
有典型案例，技术成熟
交流汇集与直流传输并网(AC collection and DC transmission)
有典型案例，技术成熟
中国能源资源与消费呈逆向分布
Inverse Distribution of Energy Resources and Consumption in China
2/3 煤 炭 资 源 、 风 能 、 太 阳能分布在北部和西北部 4/5 水 能 资 源 分 布 在西南部
2/3以上能源需求集 中在东中部
Offshore wind power collection and transmission
DC汇集/DC传输风电场
DC wind farm, DC transmission
海上风电汇聚与传输系统（4）
Offshore wind power collection and transmission
国内现状
Domestic situation
29
国内现状
Domestic situation
220kV塑城变电站 ±160kV塑城换流站
远期塔屿换流站
±160kV金牛换流站
110kV青澳变电站
±160kV青澳换流站
直流陆缆 直流海缆 直流架空线路 交流陆缆
南澳多端柔性远期直拟建流直流输架空电线路工程:
在可再生能源发电规模 化利用方面，我国面临 诸多挑战，需要解决资 源逆向分布、不确定性 和稳定性等长期制约可 再生能源规模化利用的
关键技术问题
新疆哈密1080万
大型风电基地建设规划
Large scale wind power base construction planning
蒙西、蒙东合计5780万
变流器并联运行扩容难题； [2] 自主开发出基于全FPGA的微秒级、分布式多模块控制平台，
多端柔性直流输电
VSC-MTDC
含3个及以上换流 站，经串联、并 联或混联方式连 接起来的直流输 电系统
星形
星形带开关环
环形
风电场环形 以最少的直流断路器实现N-1控制
岸上换流站环形
柔性直流技术的发展现状
State-of-art of VSC-HVDC technology
资料来源：ABB
欧洲超级电网
AC汇集/AC传输风电场
AC wind farm, AC transmission
海上风电汇聚与传输系统（2）
Offshore wind power collection and transmission
AC汇集/DC传输风电场
AC wind farm, DC transmission
海上风电汇聚与传输系统（3）
Wind Power Research Center of Shanghai Jiao Tong University
简介
Introduction
中心主任 蔡旭
Director: Xu CAI
系统控制研究所
组织机构
Divisions of the Research Centre
海底电缆线路中间增设补偿电感投资增加
VSC直流的优点： 不存在上述问题，且同样成本的直流电缆可以传输更多的电能 P-Q解耦控制、黑启动 风场的低电压穿越问题由VSC直流输电解决，对风电机组的要求降低
大型风场电力汇聚与传输并网
Wind Power Collection, Transmission and Integration of Large Scale Wind Farm
110kV金牛变电站
2011年立项；2012年实施；2013年12月投运
3端系统，电压±160kV，总容量200MW，单站最大容量100MW
30
国家能源海上风电技术装备研发中心
State Energy Offshore Wind Power Technology and Equipment Research Center
海上大规模风电的汇集与传输网需要有新的思路!
为什么要用直流汇集与传输风电
----------全直流的风电场
交流面临的问题：
Why All-DC wind farm?
输电功率的大幅度波动，满载时额定电压、低载时工频过电压、需要电感 补偿
大规模交流输送0-100%额定功率变化的电能，可调高抗及电压稳定等面临 技术难题
Electric pitch control system
Converter
Master control system
系统控制研究所
二、大规模风电并网技术
Institute of system control
（1）大规模电网友好型风电场关键技术
（2）多风电场集群控制系统
（3）全直流海上风电场及轻型直流输电系统
DC串联升压汇集直接传输风电场
Series-connected DC wind farm, DC transmission
适用于直流接入的风机
DC wind turbine
G
AC VDC DC
VD,WT
DC
DC
G
AC DC
关键设备
The key equipment
AC VDC DC
DC
DC
VD,WT
华东电网
华中电网
South China power grid 南方电网
千万千瓦风电基地
特点：大规模开发、集中并网
Taiwan 台湾
large-scale development, centralized grid connection
国内海上风场建设情况
The domestic offshore wind farm construction
海上风电的特点
风场建设成本占30%左右
Characteristics of offshore wind power
维护成本高涨，要求机组高度的可靠性
为降低成本，希望最少的海上平台数
为减少海上平台载荷，机组要更加紧凑
无需考虑景观、噪声问题 无需考虑空间问题，机组将更加大型化，降低成本 海风更平稳、拥有更高的年利用小时数 海上电力汇集与传输成本更高
国外海上风场建设情况
The oversea offshore wind farm construction 从2000年开始，欧洲海上风能的投入已开始超过陆上风能，并将逐步增加。 海上风电发展最快的英国2013新增装机73.3万千瓦,累计装机368.1万千瓦。
目前还有在建项目380万千瓦，另有780万千瓦的项目在审批阶段。
European Super Grid
2008年提出,连接北海和波罗的海海域的风力发电；接入地中海区域的太阳能发电； 实现国家间电力交易和可再生能源地充分利用，实现20/20/20目标(二氧化碳排放 降低20%；能源利用效率提高20%；20%的电力消耗来自可再生能源)
25
北海超级电网
Super Grid in the North Sea
（4）储能系统提高风电接入能力研究
三、大容量电池储能接入技术
（1）电池储能接入变流器系统 （2）面向微电网的电池储能系统 （3）面向电力系统的大型电池储能电站
大型风电机组变流器技术
Power converter technology of large wind turbine
创新成果： [1] 采用异步触发的方法攻克风电变流器积木化扩容技术，解决了
吉林西部2300万
Northeast power grid 东北电网
Northwest power grid 西北电网
North China power grid 华北电网
河北1200万 江苏沿海1000万
Tibet 西藏
甘肃酒泉1270万
East China power grid
Central China power grid
Low losses
Low filter requirements
- Ud
资料来源：ABB
MMC换流站的损耗与容量
Power loss and capacity of MMC converter station
资料来源：ABB
风场群的电力汇聚与传输
Wind Power Collection and Transmission of Wind Farm Cluster
风力机研究所
交大风力发电研究中心
风电场建设研究所
风电政策研究室
研究方向：
一、风电机组电气控制技术
（1）风电机组变流器 （2）风机变桨控制系统 （3）风机整机控制系统
系统控制研究所
Institute of system control
Hardware in the loop test system
Distributed controller
Two-level Converter the base Cascade connection
+ Ud
1 Cell Series connected IGBT’s Switched Cell Capacitor
CTLC – Cascaded Two-Level Converter
(one phase shown)
5～25米水深以内的近海区域、海平面以上50米高度 的风电可装机容量约为2亿千瓦
最早的海上风场位于上海东海大桥，建于2008年，装 机容量为10.2万千瓦，全部并网发电，另外在辽宁渤 海湾、江苏如东也有少量分布
上海预计在2015年完成70万千瓦海上风电场建设，在 2020年完成155万千瓦；江苏预计在2015年完成460万 千瓦，在2020年完成945万千瓦。中国海上风电装机 预计2015年500万千瓦，到2020年3000万千瓦
1896
1920
1987
2006
海上全直流风电场及场群
All-DC Offshore Wind Farm and Its Cluster
上海交通大学风电研究中心
Wind Power Research Center of Shanghai Jiao Tong University
蔡旭 Xu CAI
xucai @sjtu.edu.cn
中国的特殊情况
Special case in China
中国东部海域Fra Baidu bibliotek陆架慢长,海水不深 电力负荷高度集中在东南部地区
海上风电技术的挑战
Challenge of offshore wind power technology
机组的超大容量化与智能维护 风电机组需要更高的可靠性与容错性 风电场建设的低成本化问题 更适合波动功率汇集与传输的技术
（a）双馈机组
（b）全功率变换机组
VDC
G
VD,WT
DC/DC变压器
DC/DC transformer
隔离、非隔离
Lf
Vd
Cin
Cout
Rload
关键设备
The key equipment
SAB、DAB
直流断路器
DC circuit breaker
i Lσ1 i1
Lσ2 i2
u
UB
i1 Lσ1
SM
i i2 Lσ2
i3 Lσ3
u
UB
（a）固态断路器 ABB,300KV,9KA
（b）混合断路器
关键设备
The key equipment
i1 Cs iB i2 SM
i3 UB u
（c）缓冲型机械断路器
模块化多电平换流器(MMC): 半桥
MMC: half bridge
+V
+V
- V 模块输出电压
直流汇聚与直流传输并网(DC collection and DC transmission)
无案例，需要大功率DC/DC关键技术突破
DC串联升压汇集直接传输并网(DC series collection and DC transmission)
无案例
海上风电汇聚与传输系统（1）
Offshore wind power collection and transmission
U
-V
• 最少的元件数量 • 输出电压只有一种极性 • 无抑制直流侧故障的能力
模块化多电平换流器(MMC): 全桥
MMC: Full bridge
+V
+V
- V 模块输出电压
U
-V
• 开关器件增加 • 输出直流电压可为双极性
• 可与LCC直流线路连接 • 可抑制直流侧故障
ABB的第4代换流站
The fourth generation of ABB’s converter station
阶段一（到2020年）
OK,ABB
阶段二（到2030）
ALSTOM
技术关键—超级节点
北海超级电网
Super Grid in the North Sea
几种拓扑结构
Several topologies
舟山多端柔性直 流输电工程:
2012年立项 2013年实施 2014年投运 5端系统，电 压±200kV，总 容量1000MW， 单站最大容量 400MW
几种方案及面临的问题
Several options and their issues
交流汇集与交流传输并网(AC collection and AC transmission)
有典型案例，技术成熟
交流汇集与直流传输并网(AC collection and DC transmission)
有典型案例，技术成熟
中国能源资源与消费呈逆向分布
Inverse Distribution of Energy Resources and Consumption in China
2/3 煤 炭 资 源 、 风 能 、 太 阳能分布在北部和西北部 4/5 水 能 资 源 分 布 在西南部
2/3以上能源需求集 中在东中部
Offshore wind power collection and transmission
DC汇集/DC传输风电场
DC wind farm, DC transmission
海上风电汇聚与传输系统（4）
Offshore wind power collection and transmission
国内现状
Domestic situation
29
国内现状
Domestic situation
220kV塑城变电站 ±160kV塑城换流站
远期塔屿换流站
±160kV金牛换流站
110kV青澳变电站
±160kV青澳换流站
直流陆缆 直流海缆 直流架空线路 交流陆缆
南澳多端柔性远期直拟建流直流输架空电线路工程:
在可再生能源发电规模 化利用方面，我国面临 诸多挑战，需要解决资 源逆向分布、不确定性 和稳定性等长期制约可 再生能源规模化利用的
关键技术问题
新疆哈密1080万
大型风电基地建设规划
Large scale wind power base construction planning
蒙西、蒙东合计5780万
变流器并联运行扩容难题； [2] 自主开发出基于全FPGA的微秒级、分布式多模块控制平台，
多端柔性直流输电
VSC-MTDC
含3个及以上换流 站，经串联、并 联或混联方式连 接起来的直流输 电系统
星形
星形带开关环
环形
风电场环形 以最少的直流断路器实现N-1控制
岸上换流站环形
柔性直流技术的发展现状
State-of-art of VSC-HVDC technology
资料来源：ABB
欧洲超级电网
AC汇集/AC传输风电场
AC wind farm, AC transmission
海上风电汇聚与传输系统（2）
Offshore wind power collection and transmission
AC汇集/DC传输风电场
AC wind farm, DC transmission
海上风电汇聚与传输系统（3）