海上风电场直流电力汇聚与接入

国外海上风场建设情况
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2009年新增装机容量30.6万千瓦，累计装机容 量89.4万千瓦，2010海上风电装机突破100万千瓦。
海上风电的特点
风场建设成本占30%左右 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 无需考虑景观、噪声问题 为减少海上平台载荷，机组要更加紧凑 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
（b）全功率变换机组
VDC
VD ,WT
G
风机控制
效率示意
根据输出电压将控制模式分为两种：正常和非正常
风场群的电力汇聚与接入
北海超级电网
阶段一（ 阶段一（到2020年）
阶段二（ 阶段二（到2030）
OK,ABB ALSTON
技术关键—超级节点
北海超级电网
几种拓扑结构
简单举例
拓扑结构归类
星形带开关环 星形 风电场环形 岸上换流站环形 环形
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）储能系统提高风电接入能力研究
谢谢!
风机成本
关键元件
DC/DC变换器
隔离、非隔离
Lf
SAB、DAB
Vd
Cin
Cout
Rload
关键元件
直流断路器
σ
i
Lσ1 i1
σ
Lσ2 i2
UB
u
σ
（a）固态断路器 ABB,300KV,9KA
（b）混合断路器
（c）缓冲型机械断路器
关键元件
直流风机
VDC
VD ,WT
VDC
VD ,WT
（a）双馈机组
“握手”协调方法[1]
新兴方法（ 新兴方法（多端系统） 多端系统）
分区分段技术[2] 直流断路器分步跳闸方法[3]
描述
继保开关
交流断路器配合 快速直流隔离开关
快速直流断路器
优点
投资成本低
灵活、可靠
缺点
交流侧开关不够快速、 故障后系统恢复时间长
直流断路器价格昂贵、 损耗大
[1]Tang L, Boon-Tech O. Locating and isolating DC faults in multi-tenninal DC systems. IEEE Transactions on Power Delivery, 2007, 22(3):1877-1884. [2]Gomis-Bellmunt O, Liang J, Ekanayake J, et al. Topologies of multiterminal HVDC-VSC transmission for large offshore wind farms. Electric Power Systems Research, 2011, 81(2): 271-281. [3]Yang J, Fletcher J E, O’Reilly J, et al. Protection scheme design for meshed VSC-HVDC transmission systems of large-scale wind farms. International Conference on AC and DC Power Transmission, London, UK, 2010.
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
几种方案及面临的问题 交流汇集与交流传输并网
有典型案例， 有典型案例，技术成熟
交流汇集与直流传输并网
有典型案例， 有典型案例，技术成熟
控制策略
网侧换流站控制模式介绍
主从控制 协调下垂控制
描述：类似交流电网平衡节点控制，站间需要通信 优点：易于实现，尤其针对大型MTDC系统 缺点：主站无功率控制能力；需要快速通信来实现 故障保护
描述：类似交流电网P-f下垂控制，站间一般不需要通信 优点：站间能自动分配功率，即使是在某个换流站出现故 障的情况下 缺点：当换流站数目较多时难以设置功率分配率
海上风电汇聚与传输系统（ 海上风电汇聚与传输系统（3）
DC汇集/DC传输风电场
海上风电汇聚与传输系统（ 海上风电汇聚与传输系统（4）
DC串联升压汇集直接传输风电场
最少的海上平台 最短的海底电缆
DC串联升压汇集传输最具经济性
VDC
VD ,WT
VDC
（a）全功率变换机组
VDC
VD ,WT
（b）双馈机组
海上平台成本 风机成本 其他损耗 和成本 传输成本
风机成本 海上平台成本 变流站损耗 变流站成本 传输损耗 传输成本
传输损耗 内网成本 和损耗 风机损耗
内网成本 和损耗
变流站成本
变流站损耗 传输成本 传输损耗 内网成本 和损耗 风机损耗
风机损耗
交流风场，HVAC传输
交流风场， VSC-HVDC传输
直流串联型风场
国家能源海上风电技术装备研发中心 (与华锐风电共建) 上海交通大学风电研究中心简介 中心主任 蔡旭
组织机构
系统控制研究所 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
系统控制研究所
研究方向： 研究方向：
一、风电机组电气控制系统
（1）风电机组变流器 （2）风机整机控制系统 （3）风机变桨控制系统
直流汇聚与直流传输并网 DC串联升压汇集直接传输并网
无案例 无案例， 无案例，需要大功率DC/DC 需要大功率DC/DC关键技术突破 DC/DC关键技术突破
海上风电汇聚与传输系统（ 海上风电汇聚与传输系统（1）
AC汇集/AC传输风电场
海上风电汇聚与传输系统（ 海上风电汇聚与传输系统（2）
AC汇集/DC传输风电场
中国的特殊情况
中国东部海域大陆架慢长,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
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
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
交流面临的问题： 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 海底电缆线路中间增设补偿电感投资增加 VSC直流的优点： 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
VD ,WT
G
但是
机组高度耦合
（c）典型拓扑结构示意
机端电压的可变化范围是弃风与否的关键
直流串联型风场的传输成本最小
发电机损耗
小型直流风场
大型交流风场 小型交流风场 直流汇聚风场 大型直流风场
DC/DC
损耗
整流损耗
直流串联风场
2MW永磁直流风机的损耗
160MW不同风场在10m/s风速下的传输成本
海上风场输电技术： 海上风场输电技术：直流串联风场
风电场群直流系统的保护
直流网故障类型
过流故障 过压故障
产生原因
直流网出现短路故障
岸上逆变换流站退出运行
响应时间
毫秒级 取决于电容放电时间
毫秒级 取决于电容充电时间
解决方案
具有快速故障清除能力的直流断 路器
基于风电场侧换流站的高级直流 电压控制
风电场群直流系统的保护
直流网过流保护
传统方法（ 传统方法（点对点系统） 点对点系统）
Distributed controller Hardware in the loop test system
Electric pitch control system
Converter
Master control system
二、大规模风电并网研究
（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）海上风电轻型直流输电系统
以最少的直流断路器实现N-1控制
风电场群汇聚与传输的控制策略
控制风场侧的交 流电压幅值及频 率，输送风电功 率至MTDC网 控制直流电压， 控制直流电压， 从MTDC网输送 MTDC网输送 功率至岸上交 流电网
存在两种控制方式 存在两种控方式 主从控制 协调下垂控制
主从方式下若是主方站 主从方式下若是主方站发生故障， 故障，必须有其他VSC来继续控制直流侧电压， 来继续控制直流侧电压，以防止直流电压上升 以防止直流电压上升。 协调方式下发 调方式下发生故障时 式下发生故障时， 生故障时，则下垂特性可以继续控制 则下垂特性可以继续控制。 交流网发生故障时， 流网发生故障时，电网吸收功率的能力降低， 电网吸收功率的能力降低，需要通过通信或者检测直流侧电压来控制风场输出， 需要通过通信或者检测直流侧电压来控制风场输出， 以达到功率平衡。 以达到功率平衡。
1896
1920
1987
2006
海上风电场 的直流电力汇聚与接入
上海交通大学风电研究中心 蔡旭 xucai @
国内海上风场建设情况
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