海上直流风电场研究现状及发展前景

第39卷第9期电网技术V ol. 39 No. 9 2015年9月Power System Technology Sep. 2015

文章编号：1000-3673（2015）09-2424-08 中图分类号：TM 614 文献标志码：A 学科代码：470·40海上直流风电场研究现状及发展前景

江道灼，谷泓杰，尹瑞，陈可，梁一桥，王玉芬

（浙江大学电气工程学院，浙江省杭州市 310027）

Research Status and Developing Prospect of Offshore Wind Farm With Pure DC Systems JIANG Daozhuo, GU Hongjie, YIN Rui, CHEN Ke, LIANG Yiqiao, WANG Yufen (College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China)

ABSTRACT: Compared with offshore wind farm with AC collection system, offshore wind farm with pure DC system, including DC transmission and collection systems, eliminates heavy and bulky AC power frequency transformers and the needs for multiple power rectifiers, inverters and voltage boost. It shows some brilliant merits, such as smaller size and lighter weight of equipment, higher efficiency and lower cost. This paper firstly summarizes the topologies, control strategies, advantages and existing problems of offshore DC wind farm. Then a detailed discussion is made about high voltage, large capacity and high gain DC/DC converters, which are regarded as the key equipment of offshore DC wind farms. The advantages and disadvantages of different DC/DC converter topologies and their application prospects in offshore DC wind farm are pointed out. Then, the research situation of offshore DC wind farm fault protection is presented. Finally, this paper affirms the prospect of offshore DC wind farm application. The conclusion has value for utilization of ocean energy such as offshore wind.

KEY WORDS: offshore DC wind farm; DC/DC converter; fault protection; PMSG

摘要：与现有的海上风电场相比，采用直流技术汇集电能和并网的海上直流风电场无需使用笨重且体积庞大的工频交流变压器，也无需对电能进行多次整流、逆变和升压，因而在设备的体积和质量、系统损耗及建设成本等方面均具有明显优势。首先对串联升压型和辐射型2种主要类型的海上直流风电场进行了详细综述，包括其拓扑结构、控制策略、优势和存在的问题；然后详细分析了海上直流风电场的关键设备——高电压、大容量、高增益DC/DC变换器的研究现状，指出了各类DC/DC变换器的优缺点及其在海上直流风电场中的应用前景；最后对海上直流风电场的故障保护问题和经济性问题的研究情况进行了总结。所述内容对中国开展海上风电等海洋能的开发利用具有一定参考价值。

关键词：海上直流风电场；DC/DC变换器；故障保护；永磁直驱风力发电机

DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2015.09.008 0 引言

作为一种技术最为成熟、应用前景最为广阔的可再生能源，风力发电近年来的增长十分迅速。截至2014年年底，我国的风电装机总容量已达到114 608.89 MW。然而，随着风电的迅速发展，陆上风电场的选址越来越困难，其对生态环境的影响也越发显现。与此同时，海上风电场因其风速稳定、不占用土地资源、基本不存在环境影响等优势，逐渐成为风电发展的新趋势[1-2]。

对于离岸距离近、容量较小的海上风电场，目前一般通过中压交流电网汇集电能，再经变压器升压后通过高压交流输电线路并入岸上交流主电网。然而，随着风电场容量越来越大、离岸距离越来越远，采用高压直流输电技术实现海上风电场并网成为必然的趋势[3]。现有的经高压直流输电线路并网的海上风电场，其内部均为交流系统，与陆上风电场完全相同，并未针对海上风电场自身的特性进行设计。以由永磁直驱风力发电机(permanent magnet synchronous generator，PMSG)组成的海上风电场为例，由PMSG发出的电能要依次通过发电机侧变流器、电网侧变流器、低压到中压变压器、中压到高压变压器、整流器后才能送入高压直流输电线路，最后经逆变器送入岸上交流系统。多次的整流、逆变、升压不仅造成了大量的能量损耗，增加了投资，也降低了整个海上风电系统的可靠性。此外，体积和重量都十分庞大的工频交流变压器的使用，意味着风电场内部用于支撑风力发电机和换流站的海上平台的投资将会大大增加。

鉴于现有海上风电场中存在的诸多缺陷，以及柔性直流技术的不断发展，不仅使用直流技术进行风电场的并网，在风电场内部也使用直流技术汇集电能的海上直流风电场成为近年来的研究热点。研究资料表明，使用直流技术汇集电能可以有效简化