大規(guī)模海上風電場多端直流網(wǎng)拓撲的優(yōu)化設(shè)計

吳國祥,　孫繼國,　吳國慶,　蔡旭

(1.南通大學 電子信息學院 江蘇省風能應(yīng)用技術(shù)工程中心,江蘇 南通 226019;

2.上海交通大學 電子信息與電氣工程學院 風力發(fā)電研究中心,上海 200240)

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大規(guī)模海上風電場多端直流網(wǎng)拓撲的優(yōu)化設(shè)計

吳國祥1,孫繼國1,吳國慶1,蔡旭2

(1.南通大學 電子信息學院 江蘇省風能應(yīng)用技術(shù)工程中心,江蘇 南通 226019;

2.上海交通大學 電子信息與電氣工程學院 風力發(fā)電研究中心,上海 200240)

摘要:多端直流輸電能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電、多落點受電,是一種靈活、快捷的輸電方式,是海上大規(guī)模風電場的發(fā)展方向。本文詳細分析了海上風電場多端直流網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu),對各種拓撲結(jié)構(gòu)的線路容量、直流斷路器數(shù)量、線路利用率、是否需要海上平臺等問題進行了研究。在對各種拓撲結(jié)構(gòu)分析對比的基礎(chǔ)上,推薦了一種風電場環(huán)形拓撲,該拓撲需要斷路器數(shù)量少(等于風電場的個數(shù)),增加了風電場與電網(wǎng)之間功率控制的柔性,是一種優(yōu)化的拓撲結(jié)構(gòu),在輸電線路故障時,通過斷路器和隔離開關(guān)的控制,風電場仍可以向電網(wǎng)發(fā)電,提高了系統(tǒng)的靈活性和冗余性,并進行了算例驗證。文中推薦的拓撲結(jié)構(gòu)對大規(guī)模海上風電場多端直流網(wǎng)的運行控制有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞:海上風電場; 多端直流; 拓撲優(yōu)化; 高壓直流換流站; 風電場環(huán)形拓撲

孫繼國(1987—) ，男，碩士研究生，研究方向為大規(guī)模海上風力發(fā)電；

吳國慶(1957—) ，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為風力發(fā)電；

蔡旭(1964—) ，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為風力發(fā)電。

0引言

和傳統(tǒng)的陸上風力發(fā)電相比,海上風力發(fā)電具有風速高、容量大等優(yōu)點[1],是未來風力發(fā)電的發(fā)展趨勢。海上風電采用交流或直流傳輸,主要取決于安裝成本,當陸上架空線的輸電距離大于600～800km或海底電纜的輸電距離大于60～80km時,直流輸電(HVDC)比交流輸電(HVAC)更為經(jīng)濟[2]。

近年來基于電壓源型高壓直流(voltage source converter based HVDC, VSC-HVDC)輸電得到了快速發(fā)展[3],用于海上風電場電能的接入與傳輸,VSC-HVDC突出了全控電力電子器件和PWM調(diào)制的技術(shù)特點[4],實現(xiàn)了有功和無功的解耦控制,在潮流反轉(zhuǎn)時保持電壓極性不變。然而,輕型直流輸電系統(tǒng)一旦其中一個VSC故障退出,VSC-HVDC系統(tǒng)將處于癱瘓狀態(tài)[5],而基于VSC的多端直流輸電系統(tǒng)(VSC-multi-terminal HVDC,VSC-MTDC)在運行靈活性、可靠性等方面比兩端系統(tǒng)更具技術(shù)優(yōu)勢[6-7],可以降低海上風電場的電能匯聚和傳輸系統(tǒng)損耗,減小海上平臺載荷重量,提高風電場的接入和傳輸容量,實現(xiàn)潮流的靈活控制[8]。

目前,世界上只有3項多端直流輸電工程投入運行,即意大利-科西嘉-撒丁島3端(200 kV、200 MW,1987年)、加拿大魁北克-新英格蘭5端(±500 kV、2 250 MW,1992年)和日本的新信濃背靠背3端直流系統(tǒng)(10.6 kV、153 MW, 2000年)。此外,加拿大的納爾遜河(±500 kV、3 800 MW,1985年)和美國太平洋聯(lián)絡(luò)線直流輸電工程(±500 kV、3 100 MW,1989年)也具有4端直流輸電系統(tǒng)的特性。

在大規(guī)模海上風力發(fā)電多端直流系統(tǒng)中,多個海上風電場和陸上電網(wǎng)通過直流網(wǎng)相連。相對于點對點的輕型直流輸電,多端直流系統(tǒng)面臨著很多技術(shù)挑戰(zhàn)[9-11],如系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)、換流站之間的協(xié)同控制、直流斷路技術(shù)、黑啟動能力等,而多端直流網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)對風電場的運行控制、發(fā)電效率、靈活性和冗余性起決定性的作用,國內(nèi)外相關(guān)文獻對此問題的研究甚少,因此有必要進行研究。

1系統(tǒng)的拓撲分析與設(shè)計

輕型直流輸電系統(tǒng)中,風電場和整流站相連,電網(wǎng)和逆變站相連。在換流站或直流線路出現(xiàn)故障時,通常是斷開電網(wǎng)側(cè)的交流斷路器,隨之出現(xiàn)風力機轉(zhuǎn)速失調(diào)、母線電壓失控,這種點對點的輸電系統(tǒng)缺乏柔性[12]。多端直流輸電能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電、多落點受電,是一種靈活、快捷的輸電方式[13],可以提高海上風能接入和傳輸?shù)撵`活性、可靠性、經(jīng)濟性和故障運行的冗余性。海上風電多端直流系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變[14],其運行控制與拓撲結(jié)構(gòu)密切相關(guān),包括常規(guī)環(huán)形拓撲(general ring topology,GRT)、星形拓撲(star topology,ST)、星形中央開關(guān)環(huán)形拓撲(star with a central switching ring topology,SGRT)、電網(wǎng)環(huán)形拓撲(substations ring topology,SSRT)等。

VSC-MTDC系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮經(jīng)濟和技術(shù)因素[15]。經(jīng)濟因素取決于電纜長度、換流站和線路容量、直流斷路器和隔離開關(guān)數(shù)量、海上平臺和快速通訊設(shè)施等;技術(shù)因素包括系統(tǒng)連接的柔性、故障運行的冗余性和線路利用率等。

直流電流沒有周期性的自然過零點,而電弧需要過零熄滅,因此直流斷路比交流斷路困難得多[16]。固態(tài)斷路器具有快速阻斷直流電流的能力,但價格昂貴、通態(tài)損耗大,因此必須減少VSC-MTDC系統(tǒng)中固態(tài)斷路器的數(shù)量。

1.1　常規(guī)環(huán)形拓撲(GRT)

多端直流的常規(guī)環(huán)形拓撲如圖1所示,母線與直流斷路器、隔離開關(guān)連接成環(huán)形。當環(huán)鏈斷開時,部分線路必須傳輸系統(tǒng)的全部功率,環(huán)形線路正常運行在閉環(huán)狀態(tài),此時所有斷路器和隔離開關(guān)全部閉合;若有一斷路器或隔離開關(guān)開路,則系統(tǒng)運行在開環(huán)狀態(tài)。

圖1　常規(guī)環(huán)形拓撲

在換流站故障或直流線路故障時,與故障點相連的兩個斷路器迅速斷路,將故障子系統(tǒng)隔離,剩下的正常子系統(tǒng)工作在開環(huán)狀態(tài)。當故障電流衰減到零時,隔離開關(guān)斷開,將故障區(qū)域隔離,斷路器重新閉合。常規(guī)環(huán)形拓撲以部分線路全功率容量為代價,提高了系統(tǒng)運行控制的柔性。長期故障或維修時,系統(tǒng)運行在開環(huán)狀態(tài),需要通訊來協(xié)調(diào)控制斷路器和隔離故障點。

對于圖1所示的常規(guī)環(huán)形拓撲,需要斷路器的數(shù)量nCB等于風電場側(cè)整流站數(shù)nW和網(wǎng)側(cè)逆變站的數(shù)量nG之和,即nCB=nW+nG;環(huán)形線路需要電纜的數(shù)量nL=nW+nG,線路容量為系統(tǒng)容量。正常運行時,若t0時刻線路L1突然發(fā)生短路故障,當t1時刻系統(tǒng)檢測到故障后,斷路器CB1、CB2斷路,風電場W2脫離直流網(wǎng);t2時刻線路L1的故障電流衰減到零時,斷開隔離開關(guān)IS2;t3時刻CB2閉合,風電場W2恢復(fù)正常的發(fā)電運行。若用固態(tài)斷路器來代替隔離開關(guān),則風電場W2不需要脫網(wǎng),但會提高成本。當線路L2或L4發(fā)生短路故障時,其他線路必須傳輸全功率容量。

1.2　星形拓撲(ST)

多端直流的星形拓撲如圖2所示,每個風電場或電網(wǎng)通過變壓器、換流站、電纜、斷路器與中心節(jié)點相連,每條電纜的容量為對應(yīng)風電場或?qū)?yīng)電網(wǎng)的容量。若直流電纜或換流站發(fā)生故障,則相應(yīng)的斷路器動作,切除故障線路。

圖2　星形拓撲

這種拓撲需要建立海上平臺或海底平臺安裝斷路器,實現(xiàn)星形連接,需要nCB(=nW+nG)個斷路器和nL(=nW+nG)條電纜。若從中心節(jié)點到風電場的線路發(fā)生永久故障,風電場將會脫離系統(tǒng)。星形拓撲運行控制的靈活性比常規(guī)環(huán)形拓撲差,這種拓撲的最大缺點是中心節(jié)點故障會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓,因此對海上風電場多端直流網(wǎng)的連接不可行。

1.3　星形中央開關(guān)環(huán)形拓撲(SGRT)

多端直流的星形中央開關(guān)環(huán)形拓撲如圖3所示,將常規(guī)環(huán)形拓撲和星形拓撲結(jié)合,成為一種新的混合形拓撲。風電場、電網(wǎng)分別和中央開關(guān)環(huán)形連接,這種拓撲同時具有常規(guī)環(huán)形拓撲和星形拓撲的優(yōu)點,將風電場、電網(wǎng)和中央開關(guān)環(huán)形連接的電纜長度降到最小值。

這種拓撲的缺點是需要建立海上平臺,將斷路器在平臺上環(huán)形連接,需要nCB(=nW+nG)個斷路器。中央開關(guān)環(huán)形和風電場、電網(wǎng)相連需要傳輸電纜nL(=nW+nG)條,其電纜容量分別為對應(yīng)的風電場或電網(wǎng)容量,而中央開關(guān)環(huán)形線路容量為系統(tǒng)容量。故障時系統(tǒng)控制比較靈活,若中央開關(guān)環(huán)形到風電場的電纜線路出現(xiàn)故障,則風電場必須切除。

圖3　星形中央開關(guān)環(huán)形拓撲

1.4 　電網(wǎng)環(huán)形拓撲(SSRT)

電網(wǎng)環(huán)形拓撲如圖4所示,線路出現(xiàn)故障時,通過斷路器和隔離開關(guān)的控制,風電場側(cè)換流站被隔離,電網(wǎng)側(cè)換流站仍然和環(huán)形線路相連。這種拓撲結(jié)構(gòu)雖然降低了風電場側(cè)控制的靈活性,但增加了電網(wǎng)側(cè)控制的靈活性。

圖4　電網(wǎng)環(huán)形拓撲

更多復(fù)雜的拓撲結(jié)構(gòu)可以提高系統(tǒng)的控制性能,但需要增加線路長度、斷路器數(shù)量和復(fù)雜的控制策略等,從而增加了成本。例如混合環(huán)形拓撲(HVDC環(huán)和HVAC環(huán))、雙系統(tǒng)環(huán)拓撲(雙GRT環(huán))、雙星拓撲(中心結(jié)點不同)、星形環(huán)形拓撲(ST和GRT)。

1.5　風電場環(huán)形拓撲(WFRT)

在分析和比較以上拓撲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,本文給出了一種風電場環(huán)形拓撲,如圖5所示。風電場通過斷路器、隔離開關(guān)、電纜連接成環(huán)形。這種拓撲可以將斷路器的數(shù)量降到最少(等于風電場的個數(shù)),其結(jié)構(gòu)類似于點對點的VSC-HVDC,但增加了風電場與電網(wǎng)之間功率控制的柔性。

與電網(wǎng)環(huán)形拓撲相比,在線路故障或維修時,風電場環(huán)形拓撲增加了風電場側(cè)控制的靈活性,降低了電網(wǎng)側(cè)控制的靈活性。相比之下風電場環(huán)形拓撲更具有優(yōu)越性,因為輸電線路故障時,通過斷路器和隔離開關(guān)的控制,風電場仍然可以向電網(wǎng)發(fā)電。根據(jù)海上風電場的距離和費用,風電場環(huán)形拓撲可以配置成大的環(huán)形或中央開關(guān)環(huán)形。

圖5　風電場環(huán)形拓撲

發(fā)生故障時,故障點兩端的高壓直流斷路器斷開,相應(yīng)的風電場和電網(wǎng)脫離系統(tǒng),當斷開的線路電流降低到零時,隔離開關(guān)斷開以隔離故障線路,高壓直流斷路器閉合將斷開的風電場連接到其他電網(wǎng)。

對于圖5所示的拓撲,若在t0時刻線路L7發(fā)生故障,當t1時刻系統(tǒng)檢測到故障后, CB2、CB3斷路,W4風電場、G3電網(wǎng)脫離系統(tǒng);當故障線路L7的電流衰減到零時,隔離開關(guān)IS8斷開,CB2、CB3閉合,重新構(gòu)成風電場環(huán)形拓撲,W4風電場恢復(fù)正常運行。這種拓撲結(jié)構(gòu)使用斷路器的數(shù)量nCB等于風電場數(shù)nW,兩個風電場之間環(huán)形線路的容量可以設(shè)計為兩個風電場額定功率之和。風電場環(huán)形拓撲控制非常靈活,但系統(tǒng)控制需要通訊實現(xiàn)故障保護。

2拓撲結(jié)構(gòu)比較

點對點的輕型直流輸電系統(tǒng),不需要直流斷路器來實現(xiàn)故障運行的控制保護。常規(guī)環(huán)形拓撲(GRT)、星形拓撲(ST)、星形中央開關(guān)環(huán)形拓撲 (SGRT)需要nCB(=nW+nG)個高壓直流斷路器,即每個VSC換流站需要一個斷路器。部分環(huán)形拓撲會減少斷路器的數(shù)量,如電網(wǎng)環(huán)形拓撲只需要nG個斷路器,風電場環(huán)形拓撲只需要nW個斷路器。

星形拓撲、星形中央開關(guān)環(huán)形拓撲輸電線路容量配置為相連換流站的容量;而常規(guī)環(huán)形拓撲風電場側(cè)輸電線路容量配置為所連換流站容量,電網(wǎng)側(cè)輸電線路和環(huán)形線路容量配置為系統(tǒng)容量,環(huán)形線路增加了故障時控制的靈活性,但成本較高。電網(wǎng)環(huán)形拓撲(SSRT)和風電場環(huán)形拓撲(WFRT)的輸電線路容量為單個網(wǎng)側(cè)換流站的容量,環(huán)形線路容量為單個網(wǎng)側(cè)換流站容量的兩倍。

多端直流系統(tǒng)故障時刻可以改變功率流向,控制非常靈活。但星形拓撲中心節(jié)點故障會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。線路長期故障或部分線路斷路運行時,多端直流系統(tǒng)運行控制的柔性非常重要。對于點對點的輕型直流輸電系統(tǒng),若輸電線路出現(xiàn)故障,整個風電場將會切除;在常規(guī)環(huán)形拓撲(GRT)中,若環(huán)形線路或換流站發(fā)生故障,則故障線路或換流站被切除,剩下線路和換流站繼續(xù)運行在開環(huán)狀態(tài)。對于星形拓撲(ST)、星形中央開關(guān)環(huán)形拓撲(SGRT),線路故障就會導(dǎo)致?lián)Q流站脫離系統(tǒng)。對于電網(wǎng)環(huán)形拓撲(SSRT),若輸電線路發(fā)生故障,則對應(yīng)風電場脫離系統(tǒng);若環(huán)形線路發(fā)生故障,則系統(tǒng)開環(huán)運行。類似地,在風電場環(huán)形拓撲(WFRT)中,若輸電線路發(fā)生故障,則對應(yīng)電網(wǎng)脫離系統(tǒng);若環(huán)形線路發(fā)生故障,則系統(tǒng)開環(huán)運行。

星形拓撲(ST)、星形中央開關(guān)環(huán)形拓撲 (SGRT)需要建立海上平臺,而其他拓撲不需要;常規(guī)環(huán)形拓撲(GRT)、電網(wǎng)環(huán)形拓撲(SSRT) 、風電場環(huán)形拓撲(WFRT)需要快速通訊實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制與保護。相關(guān)拓撲特性分析如表1所示。

表1　大型海上風電拓撲結(jié)構(gòu)的分析比較

3算例分析

利用簡單的算例來分析比較不同拓撲結(jié)構(gòu)的性能指標,其拓撲結(jié)構(gòu)如圖6所示。系統(tǒng)包括4個容量為500MW的海上風電場和4個容量為500MW的陸上電網(wǎng)。風電場、電網(wǎng)位置如表2所示。不同拓撲的配置對比分析如表3所示,包括電纜數(shù)量、長度、配置容量、斷路器數(shù)量、線路利用率(穩(wěn)態(tài)運行功率和配置功率的比值)等。

表2　風電場和電網(wǎng)的位置 (km)

圖6　不同拓撲結(jié)構(gòu)的分析比較

拓撲電纜數(shù)量電纜長度/km電纜容量/GW斷路器數(shù)量線路利用率/%GRT8681.931~2825~50SGRT風電場側(cè)4438.760.5475電網(wǎng)側(cè)4476.170.6674100合計8914.938SSRT輸電線路4773.151450電網(wǎng)環(huán)線4334.670.50100合計81107.824WFRT風電場環(huán)線4341.781450輸電線路4773.150.667075合計81114.934

從表3分析結(jié)果可知常規(guī)環(huán)形拓撲(GRT)需要8個斷路器,電纜長度最短為681.93km,但線路容量最大為1～2GW;星形中央開關(guān)環(huán)形拓撲(SGRT) 需要8個斷路器,風電場側(cè)線路容量為500MW,網(wǎng)側(cè)線路容量為667MW;電網(wǎng)環(huán)形拓撲(SSRT) 需要4個斷路器,輸電線路容量為1GW,電網(wǎng)環(huán)形線路容量為500MW;風電場環(huán)形拓撲(WFRT) 需要4個斷路器,風電場環(huán)形線路容量為1GW,輸電線路容量為667 MW。

常規(guī)環(huán)形拓撲(GRT)和風電場環(huán)形拓撲(WFRT)具有很好的靈活性和容錯性。在靠近風電場側(cè)直流線路發(fā)生故障時,通過斷路器和隔離開關(guān)的控制,可以保證風電場繼續(xù)和系統(tǒng)相連,提高了海上風電系統(tǒng)的發(fā)電能力和利用率;而星形中央開關(guān)環(huán)形拓撲(SGRT)和電網(wǎng)環(huán)形拓撲(SSRT)在此情況下將會失去500 MW的風電場功率。在電網(wǎng)側(cè)直流線路或換流站發(fā)生故障時,若采用點對點的VSC-HVDC輸電方式將會產(chǎn)生500 MW的功率損失,而常規(guī)環(huán)形拓撲(GRT) 、星形中央開關(guān)環(huán)形拓撲(SGRT)、風電場環(huán)形拓撲(WFRT)和電網(wǎng)環(huán)形拓撲(SSRT)不會產(chǎn)生功率損失。

總之,環(huán)形線路提高了系統(tǒng)的靈活性和容錯性,同時也增加了線路容量。若對系統(tǒng)的靈活性和容錯性要求較高,又要降低線路長度的話,可選擇常規(guī)環(huán)形拓撲(GRT),但線路容量較大。在所有拓撲結(jié)構(gòu)中,風電場環(huán)形拓撲(WFRT)在場側(cè)線路或網(wǎng)側(cè)線路發(fā)生故障時,靈活性和容錯性最好,也不會產(chǎn)生功率損失,且使用斷路器的數(shù)量較少。

4結(jié)論

本文對海上風電場多端直流系統(tǒng)的幾種不同拓撲結(jié)構(gòu)進行了對比,對各種拓撲結(jié)構(gòu)的線路容量、直流斷路器數(shù)量、線路利用率、是否需要海上平臺等問題進行了研究。分析結(jié)果表明海上風電場的最佳拓撲,不僅需要考慮系統(tǒng)運行控制的魯棒性,還需要考慮風電場、電網(wǎng)接入的地理位置、電纜長度、斷路器、通訊費用等問題。

本文推薦的風電場環(huán)形拓撲(WFRT)所使用的斷路器數(shù)量少,風電場側(cè)運行控制具有很好的靈活性,且不需要海上平臺,在線路故障時容錯性好,不會產(chǎn)生功率損失,是一種優(yōu)化的拓撲結(jié)構(gòu)。在未來大規(guī)模海上風電場多端直流網(wǎng)的運行控制中有著重要的意義。

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(編輯：張詩閣)

Optimal topology design of multiterminal-HVDC for large offshore wind farms

WU Guo-xiang1,SUN Ji-guo1,WU Guo-qing1,CAI Xu2

(1. Jiangsu Engineering Research Center for Wind Energy Technology，School of Electronics and Information,Nantong University,

Nantong 226019,China; 2. Wind Power Research Center, School of Electronic Information and

Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240,China)

Abstract:Multiterminal HVDC is a flexible transmission method which supports multi power supply and multi power consumption. It is the trend of large offshore wind farms. Topologies of multiterminal HVDC-VSC transmission for large offshore wind farms were investigated.Various topologies were analyzed according to a number of criteria, including lines rating, number of HVDC circuit breakers,lines utilization and necessity of an offshore platform. A recommended topological structure was given based on the comparison.Wind farms ring topology(WFRT) is a optimal topology, which minimises the number of HVDC circuit breakers. The wind farm can still work by breakers and isolators in the event of a circuit fault. Flexibility and redundancy is improved,and case study is given in the situation. The recommended topology has some guiding significance in the running control of multiterminal DC networks.

Keywords:offshore wind farms; multiterminal HVDC; topology optimization; HVDC-VSC; wind farms ring topology

通訊作者:吳國祥

作者簡介:吳國祥(1967—) ，男，博士后，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為大規(guī)模海上風力發(fā)電；

基金項目：國家自然科學基金(61273151); 中國博士后科學基金(2012M511092)

收稿日期:2014-08-11

中圖分類號:TM 722

文獻標志碼:A

文章編號:1007-449X(2015)07-0095-06

DOI:10.15938/j.emc.2015.07.014