大規模海上風電場輸電方式的探討

朱宜飛，陶鐵鈴

(長江勘測規劃設計研究院新能源公司，武漢 430010)

1 前言

根據國內實際情況，探討了未來海上風電場并網所面臨大容量長距離的電能輸送問題，以尋找適合中國國情的海上風電場發展模式。

2 海上風電場輸電方式和機組簡介

2．1 海上風電場的機組形式

風力發電機組主要劃分為恒速機和變速機兩大類，根據目前的發展趨勢，雙饋變速異步機組和直驅同步組已逐漸成為主流。雙饋機組的特性是定子直接與電網相連而轉子通過換流器與電網相連，該系統允許電機轉速在額定轉速的60%～110%之間變化，而且換流器額定容量達到風機額定功率的30%即可。直驅同步機組采用永磁電機，定子通過換流器與電網相連，該系統允許電機轉速在更大范圍內變化，由此可以省掉變速箱。風電機組的單機容量也在日益增大，5 MW的機組即將投入使用，未來8～10 MW的機組亦在規劃之中。同時機端電壓也相應升高，目前已有少數機組的機端電壓超過1 000 V，但升高機端電壓的同時必須提高絕緣等級從而占用更多的機組空間，因此未來機端電壓的升高將是十分有限的。基于以上原因，在后述的模型中，海上風電機組按5 MW永磁直驅機組考慮，機端電壓設為2 000 V。

2．2 高壓交流輸電系統

迄今為止所有已建成海上風電場均采用高壓交流輸電系統(HVAC)，其由以下幾部分組成:a．交流集電線路;b．海上升壓站和無功補償設備;c．三芯XLPE交聯海底電纜;d．陸上變電站和無功補償設備。典型的HVAC交流輸電系統見圖1。

圖1 典型的高壓交流輸電系統Fig．1 A typical HVAC transm ission system

2．2．1 XLPE海底電纜和無功補償設備

XLPE交聯聚乙烯電纜是目前應用最廣泛的海底電纜，其具有良好的導熱性，所以載流量和過短路電流能力都十分優秀。XLPE電纜能在導體溫度90℃的條件下持續工作，而且其介質損耗低于其他電纜，并且對環境影響較小。如今額定電壓245 kV額定功率500 MW的XLPE電纜已投入使用，額定電壓500 kV的XLPE電纜也即將面世。通常電纜線路的分布電容要遠大于架空線路，因此在交流輸電系統中會產生很大的電容電流，從而顯著降低了電纜輸送有功的能力，因此需根據實際情況在電纜的一側或兩側加裝無功補償裝置，目前相控電抗器(TCR)設備的使用較為普遍。

2．2．2 海上升壓站

為了降低線路損耗并提高輸送能力，海上風電場通常會配置海上升壓站，大規模的海上風電場會配置一個以上。圖2為海上升壓站示意圖。

圖2 海上升壓站Fig．2 O ffshore substation

2．3 電網換相換流器的高壓直流輸電(HVDC)系統

基于電網換相換流器(LCC)的直流輸電系統被廣泛應用于陸上長距離輸電和海底電纜等領域，技術較為成熟，但目前尚未被運用到海上風電領域。一個完整的基于LCC的直流輸電系統(見圖3)應包含以下部分:a．交流濾波器;b．直流濾波器;c．換流變壓器;d．晶閘管換流閥;e．平波電抗器;f．電容器組件;g．直流電纜;h．柴油機輔助動力系統。

圖3 典型的基于電網換相換流器直流輸電系統Fig．3 Typical HVDC transm ission system based on LCC

1)濾波器。交流濾波器用來吸收換流變壓器所產生的諧波，減少諧波對交流系統的影響，同時向換流站提供無功;直流濾波器用于吸收直流側的諧波。

2)換流變壓器。在LCC直流輸電系統中，換流變壓器成對配置，在海上和陸上的換流站中各裝一臺。

3)晶閘管換流閥。晶閘管換流閥是換流站的核心部件之一，其控制交流與直流的相互轉換，如今的可控硅器件額定可達8 kV，容量高達1 000 MW。

4)平波電抗器。平波電抗器和直流濾波器一起構成直流側的直流諧波濾波回路，一般串接在每個極換流器的直流輸出端與直流線路之間，在抑制直流波動的同時還能保護換流閥。

5)電容器組件。電容器組件是和電壓器并聯的一系列電容器組，用于提供換流閥工作時所需要的無功。

6)直流電纜。直流電纜目前有充油電纜，不滴流電纜以及XLPE交聯聚乙烯電纜等幾種，其中充油電纜目前能做到 600 kV，額定容量高達1 000 MW，但由于被充油所限，其長度很難超過100 km，且存在絕緣油外泄污染環境的危險;不滴流電纜則能做到500 kV，容量800 MW，其容量主要受導體溫度限制。

7)柴油機輔助動力系統。該系統用于在換流站啟動時向換流閥供電，并提供保護，冷卻等設備所需的電源。

2．4 基于電壓源的直流輸電系統

基于電壓源換流器(VSC)的直流輸電系統是近年來在IGBT的基礎上所發展出來的一種新興直流輸電系統(見圖4)，其主要組成部分為:a．VSC換流站;b．直流電纜。

圖4 典型的基于電壓源換流器的直流輸電系統Fig．4 Typical HVDC transm ission system based on VSC

1)VSC換流站。VSC換流站的核心是高頻IGBT開關器件，其工作在500 Hz到2 000 Hz之間，通過控制PWM脈沖，其輸出電壓可根據系統需要自動調節。IGBT開關器件在換流器上的應用消減了系統諧波并改善了電能質量，但高頻同時也帶來較高的系統損耗。

2)直流電纜。在VSC系統中目前主要使用的是聚合物擠包絕緣電纜，其相對充油電纜和不滴流電纜有著較好的導熱性，對環境影響也較小。

3 輸電系統的損耗分析

3．1 系統的簡化和抽象

為了比較不同輸電系統的損耗，必須考慮風電場的年度發電量，其由風速的分布函數決定。在此假設風電場的年發電量滿足瑞利分布函數曲線，年平均風速為8．5 m/s，并簡化為18點采樣，由此得到的年利用小時數為3 450 h。

所有的AC，DC電纜均假設為1 200 mm2XLPE三芯電纜，并取其相應參數。各級變壓器的損耗假設為定值。換流器均假設為中性點鉗位三電平(NPC)換流器，其滿負荷效率大于98%。

3．2 高壓交流輸電系統的損耗

高壓交流輸電系統的傳輸距離主要取決于電纜所產生的無功，比較其在不同電壓等級下的傳輸容量和傳輸距離的關系(見圖5)，其中邊界條件按壓降10%，相位變化小于30°校驗。

圖5 不同電壓等級下的最大傳輸容量Fig．5 Transm ission capacity for different voltage levels

由圖5可知110 kV:Lmax=377 km，220 kV:Lmax=281 km，500 kV:Lmax=201 km。

通過Matlab建立模型進行仿真，計算在不同電壓等級下(110 kV、220 kV、500 kV)裝機容量為500 MW和1 000 MW的風電場在不同距離上的系統損耗L%。

其中，Pli為傳輸系統在風速i時的有功損耗;Pgi為機組在風速i時所發出的有功功率;n為風速的等級劃分。

對于裝機容量為500 MW風電場，傳輸系統損耗計算結果如表1所示。

表1 500 MW風電場高壓交流輸電系統損耗計算結果Table 1 Transm ission losses of 500 MW capacity w ith HVAC transm ission system

對于裝機容量為1 000 MW風電場，傳輸系統損耗計算結果如表2所示。

表2 1 000 MW風電場高壓交流輸電系統損耗計算結果Table 2 Transm ission losses of 1 000 MW capacity w ith HVAC transm ission system

從上述結果可知，在150 km以內，采用較高的電壓等級(220 kV、500 kV)可減少傳輸系統損耗，但其大規模應用尚未開始，還處于測試階段;而對于較為成熟110 kV電壓等級的其傳輸損耗的組成見表3。

表3 距岸100 km的500 MW的風電場傳輸系統損耗分布Table 3 Losses com ponent of 500 MW capacity at 100 km distance

3．3 基于LCC的直流輸電系統損耗

通過Matlab建立模型進行仿真，計算在不同的換流器配置下，裝機容量為500 MW和1 000 MW的風電場在不同距離上的系統損耗L%。

對于裝機容量為500 MW風電場，傳輸系統損耗計算結果如表4所示。

表4 500 MW基于LCC的直流輸電系統損耗計算結果Table 4 Transm ission losses of 500 MW capacity w ith HVDC transm ission system based on LCC

對于裝機容量為1 000 MW風電場，傳輸系統損耗計算結果如表5所示。

表5 1 000 MW基于LCC的直流輸電系統損耗計算結果Table 5 Transm ission losses of 1 000 MW capacity w ith HVDC transm ission system based on LCC

不同組合條件下的傳輸損耗組成見表6。

表6 不同組合條件下的傳輸損耗組成Table 6 Losses com ponent at different condition

3．4 基于VSC的直流輸電系統損耗

通過Matlab建立模型進行仿真，計算在不同的換流器配置下，裝機容量為500 MW和1 000 MW的風電場在不同距離上的系統損耗L%。

對于裝機容量為500 MW風電場，傳輸系統損耗計算結果如表7所示。

表7 500 MW基于VSC的直流輸電系統損耗計算結果Table 7 Transm ission losses of 500 MW capacity w ith HVDC transm ission system based on VSC

對于裝機容量為1 000 MW風電場，傳輸系統損耗計算結果如表8所示。

表8 1 000 MW基于VSC的直流輸電系統損耗計算結果Table 8 Transm ission losses of 1 000 MW capacity w ith HVDC transm ission system based on VSC

不同組合條件下的傳輸損耗組成見表9。

表9 不同組合條件下的傳輸損耗組成Table 9 Losses component at different condition

4 不同形式輸電系統的比較

綜合以上數據比較分析可知(見圖 6)，在100 km以內，傳統的高壓交流輸電系統損耗較低，輸送容量較大，而且技術成熟可靠，造價相對較低，這也很好的解釋了為什么目前已建的風電場全部使用高壓交流輸電系統的原因。

圖6 不同容量的海上風電場輸電電系統的選擇Fig．6 Choice of transm ission system for different w ind farm capacities

當距離超過100 km時，交流輸電系統的傳輸能力隨著介質損耗的增加而快速下降，而直流輸電系統因為其系統損耗和傳輸容量對于距離的增加并不敏感，優勢逐漸顯露出來，其中LCC的損耗要小于VSC，但考慮到風力發電自身諧波含量較高，而LCC的工作原理會進一步加重諧波污染，對電網易造成較大沖擊，所以LCC的應用范圍應限于VSC容量所不及的超大規模風電場。

直流輸電的另一個明顯優勢是與交流電網柔性連接，風電場與主網間互不影響，從而增強了系統的可靠性;而基于VSC的直流輸電系統甚至可以連接在弱網上，是解決風電并網問題的關鍵之一。因此目前近岸海上風電場的輸電系統可以以交流輸電為主，隨著VSC直流輸電技術逐漸成熟，器件價格降低以后，再向其過渡。