适用于大规模海上风电的并网技术分析

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风
力发电是可再生能源利用领域中技术最成熟，最具商业化发展潜力的发电方式之一。

相比于陆上风电，海上风电具有资源条件稳定、靠近电力负荷
中心等优势，近年来成为世界各国风电发展的重要方向[1]。

根据相关研究，全球海上风电装机容量到2030年将达到153GW，主要集中在中国和欧洲。

欧洲在海上风电领域一直占据主导地位，总装机容量为15780MW，占全球海上风电总装机容量83.9%。

我国从2010年4月第一座海上风电场——上海东海大桥项目一期工程并网发电开始，到2017年底海上风电总装机容量达2788MW，仅次于英国和德国。

国家“十三五”规划明确，到2020年海上风电开工建设1000万千瓦，确保建成500万千瓦。

大规模海上风电并网会给系统带来电压波动、电流畸变、潮流不确定等问题，特别是接入网架结构较薄弱的电网时，系统的稳定性、安全性将受到严峻的考验[2]。

本文对比分析了三种海上风电并网技术：高压交流(hVAC)、基于电流源型变换器（LCC）的高压直流(hVDC)、基于电压源型变换器（VSC）的高压直流，并对第三种海上风电并网技术的不同集电方式进行了深入分析，讨论了各自的优缺点和适用范围。

1 三种海上风电并网技术
1.1 HVAC
海上风电通过hVAC 并网的电气系统主要包括风力发电机群、中压交流集电网、海上变电站、高压交流输电线路以及岸上变电站。

海上风力发电机
适用于大规模海上风电的并网技术分析
广东省惠州电业发展总公司 肖浩庆
摘要：对比分析了基于电压源型变换器的高压直流海上风电并网技术的三种集电方式，研究结果可为我国海上风电并网技术的选择提供参考。

关键词：海上风电；并网技术；高压交流；高压直流；集电方式
的输出电压为0.69kV，经过其内部变压器后连接到交流集电网。

海上风电场的交流集电网电压等级通常为33~36kV，海上变电站将电压进一步升压到110kV 或220kV，然后通过电缆并入电网。

海上风电通过hVAC 并网的优点是结构简单、工程造价较低，缺点主要有：输电距离受限。

由于交流电缆的对地电容较大，其电容的充电电流随着输电距离的增加而增加。

在50hz 情况下，当输电距离超过140km 交流电缆将无法把功率送到电网[3]。

为提高输送能力，通常需要在海上变电站或岸上变电站加装感性无功补偿装置。

一般来说，当海上风电场的输电距离超过70km 时，采用hVAC 并网技术将不能满足大容量、远距离海上风电输送的需求；输电损耗较高。

传输有功功率一定时，相比于直流输电采用交流输电的损耗较高。

并且随着输电距离增加，采用交流输电的功率损耗较直流输电增加较快；受电网影响较大。

采用hVAC 输电时，海上风电场和岸上电网属于同步电网，当岸上电网因故障发生扰动时，海上风电场将受到较大的影响，严重时甚至会造成风电场
的脱网。

图1 基于hVac 的海上风电并网示意图
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1.2 LCC-HVDC
与采用hVAC 输电方式类似，采用LCC-hVDC 输电的风电机群也需要经过两级升压过程。

之后系统接入一个LCC 整流站，然后通过直流电缆将电能传输到岸上LCC 逆变站，最后并入电网。

采用LCC-hVDC 海上风电并网技术优点：传输容量大，且输电距离没有限制。

与hVAC 相比LCC-hVDC 的传输容量大。

采用直流输电，电缆的电容充电效应几乎可以忽略，因此输电距离可以不受限制；输电损耗比采用hVAC 的输电损耗小；风电场与岸上电网异步运行。

由于采用直流输电，海上风电场与岸上电网是两个异步电网，岸上电网的故障对海上风电场影响较小，LCC-hVDC 起到了故障隔离作用。

采用LCC-hVDC 的海上风电并网技术缺点：需建设较大的海上平台。

LCC 换流站体积较大且需装设滤波器和无功补偿装置，因此需建较大海上平台。

在离岸10km 水深25m 的海上建立的平台，其费用大概占整个风电场建设成本的28.7%[4]。

随着风电场离岸距离的增加，海上平台建设成本也将进一步增加；有换相失败风险。

当LCC-hVDC 的逆变侧发生严重的交流故障时，LCC 逆变站会发生换相失败。

这种情况下需设计相应的风电场故障穿越方法；系统不具备黑启动能力。

由于LCC 不能给无源网络供电，因此在整个并网系统启动之前，需要在海上变电站配置额外的发电机。

1.3 VSC-HVDC
基于电压源型变换器的直流输电（VSC-hVDC）又称为柔性直流输电，优点是：传输容量大，且输电距离没有限制；输电损耗比采用hVAC 的输电损耗小，但比LCC-hVDC 稍高；风电场与岸上电网异步运行；由于VSC-hVDC 可独立控制有功功率和无功功率，因此不需要额外的无功补偿装置；与LCC-hVDC 不同，VSC-hVDC 采用可关断器件IGBT
作为开关器件，无需借助电网进行换相，
图2 基于lcc-hVdc 的海上风电并网示意图
因此从根本上消除了换相失败问题；VSC-hVDC 可给无源网络供电，因此具备黑启动能力，系统在启动过程中不需在海上变电站装设辅助电源。

缺点：由于需用到VSC 整流器，因此其海上平
台比hVAC 并网技术的海上平台大。

但因不需无功补偿装置和辅助电源，其海上平台较LCC-hVDC 并网技术的海上平台小；VSC 换流站采用较为昂贵的IGBT 器件，因此比采用晶闸管的LCC 换流站设备成本高。

1.4 海上风电并网技术对比分析
三种海上风电并网技术具体对比如表1所示。

hVAC 主要用于近海风电并网，不适用远距离海上风电并网。

对于远距离大规模海上风电并网，可采用LCC-hVDC 和VSC-hVDC 技术。

相比于LCC-hVDC，VSC-hVDC 控制灵活度较高、抗干扰能力强、具备黑启动能力，更加适用于远距离大规模海上风电并网。

因此目前世界范围内所有远距离海上风电并网项目都采用VSC-hVDC 技术。

2 采用VSc-hVdc 进行海上风电并网的集电方式
目前单台风力发电机的额定功率只有若干兆瓦，一个风电场通常包含几十或上百台风力发电机。

为
充分利用海上风能，风力发电机间距一般为几百到
图3 基于VSc-hVdc 的海上风电并网示意图
表1 三种海上风电并网技术对比
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几千米不等。

如何将众多风力发电机可靠地连接在一起并尽可能多地节省成本，是海上风电并网需考虑的重要问题。

本节对比分析采用VSC-hVDC进行海上风电并网的三种集电方式：交流并联式集电方式、直流并联式集电方式、直流串联式集电方式。

交流并联式集电方式。

指的是每台风力发电机通过本地交流升压后并联到海上变电站，然后通过海上VSC换流器将风电集中送出的集电方式，这也是目前使用最广泛的集电方式。

其优点在于连接方
式简单、控制方式灵活。

但这种集电方式的集中式交流变压器体积较大且需要海上换流站，因此需要较大的海上平台，并需用到较多的三相交流电缆。

直流并联式集电方式。

这种集电方式下，每台风力发电机通过直流升压后并联到海上变电站，然后通过集中式直流变压器将电压再次升高并输送到岸上VSC换流站。

本方式所需海上平台较交流并联式集电方式小，且连接电缆为费用较低的直流电缆。

但目前高压大功率直流变压器技术不成熟，实现起
来较为困难。

图4 交流并联式集电方式示意图
图5 直流并联式集电方式示意图
图6 直流串联式集电方式示意图
直流串联式集电方式。

每台风力发电机在前级交流升压后转换成直流电，然后通过直流侧串联将直流电压升至额定输送电压，并将风电输送到岸上VSC换流站。

该方式不需要集中式的变压器与海上VSC换流站，因此无需海上平台，大幅度降低了海上风电场的造价。

另外，每一台风力发电机所需的变换器数量最少，风电场造价进一步降低。

缺点是控制较为复杂，风力发电机的容错控制有待进一步研究。

3 结语
大规模海上风电并网技术主要有三种，其中VSC-hVDC控制灵活度较高、抗干扰能力强、具备黑启动能力，是未来远距离大规模海上风电并网的发展方向。

风电并网技术有三种集电方式，其中交流并联式集电方式连接简单、控制灵活，但造价较高，是目前最为常用的技术手段；直流串联式集电方式无需海上平台、造价最低，但控制复杂度最高；直流并联式集电方式的性能和造价都介于其他两种方式之间。

参考文献
[1]徐政,肖晃庆,张哲任等.柔性直流输电系统[M].2版.北京:机械工业出版社,2017:188-279.
[2]沙志成,张丹,赵龙.大规模海上风电并网方式的研究[J].电力与能源,2017,38(02):158-161.
[3]M au C N,Rud ion K,Or t hs A,et a l.Gr id connection of offshore wind farm based DFIG with low frequency AC transmission system[C]//2012 IEEE Power and Energy Society General Meeting. IEEE,2012:1-7
[4]Dicorato M,Forte G,Pisani M,etal.Guidelines for assessment of investment cost for offshore wind generation[J].Renewable Energy,2011,36:2043-2051.
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