分頻輸電在海上風電并網應用中的前景和挑戰

王秀麗 ， 張小亮， 寧聯輝， 朱衛平， 王錫凡

(1.西安交通大學，陜西 西安 710049;2.國網江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

分頻輸電在海上風電并網應用中的前景和挑戰

王秀麗1， 張小亮1， 寧聯輝1， 朱衛平2， 王錫凡1

(1.西安交通大學，陜西 西安 710049;2.國網江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

通過比較3種風電并網方式，指出了分頻輸電系統(FFTS)在大規模海上風電并網中的應用前景。介紹了分頻海上風電系統的結構和變頻器的選擇，對比表明了模塊化多電平矩陣式換流器(M3C)作為新一代變頻器優良性能。分析了低頻環境對分頻海上風電系統中關鍵性設備的影響，進一步從設備角度表明分頻海上風電系統的可行性和經濟技術優勢。最后指出分頻海上風電系統中仍需解決的經濟技術難題，為進一步研究指明了方向。

海上風電；分頻輸電；并網；經濟性

隨著能源枯竭以及環境污染日益嚴重，世界各國越來越重視新能源的開發與利用[1]。風力發電是新能源利用中技術最成熟、最具開發條件的形式之一，而海上風電具有資源豐富、風能穩定、發電利用小時數高、不占用土地和適宜大規模開發以及對環境影響小等特點，受到中國及歐美發達國家越來越多的重視。隨著風力發電技術的發展，下一代近海風電場的位置距海岸的距離有望達到300 km,單個風電場的容量可能達到兆瓦級別，大容量遠距離海上風電將是未來海上風力發電發展的趨勢。如何實現大容量風電遠距離傳輸及并網是一個極具現實意義而又亟待解決的問題。目前受到廣泛關注的風電遠距離輸送及并網方式主要有3種[2]：高壓交流輸電(high voltage alternating current, HVAC)、高壓直流輸電(high voltage direct current , HVDC)以及分頻輸電(fractional frequency fransmission system, FFTS)技術。本文通過對3種輸電方式簡要的對比，指出FFTS在海上風電并網中的優勢,并介紹了分頻海上風電系統的結構和換流器的選擇，以及低頻環境對輸電系統中關鍵性設備的影響。

1 3種風電并網方式的簡介

HVAC采用傳統的工頻輸電方式，無需將風機發出的電能轉換為低頻或者直流電能，這種輸電方式結構簡單，成本較低，且有著多年豐富的運行和實踐經驗，在近距離小容量風電輸送和并網方面有著較大的優勢。由于風電是經海底電纜傳輸的，海底電纜相較于普通的架空輸電線路而言，電抗降低且電容增大，隨著輸電距離及輸電容量的增加，電纜中的容性充電電流將急劇增加，導致線路損耗增大，線路容量的有效利用率大大降低[3]。所以HVAC難以應用于遠距離和大容量風電輸送和并網。

對于中遠距離風電輸送及并網，目前大多采用高壓直流輸電(HVDC)[4]。采用直流輸電,避免了電纜容性充電電流的影響，增大了電能的傳輸距離和容量。早期直流輸電工程大多采用二電平或者三電平的電壓源換流器，但由于電平數過少，導致諧波含量過高和開關損耗過大等問題。模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)[5]通過多個子模塊的疊加，容易實現較高的直流電壓，并且具有輸出電壓諧波含量低、開關損耗低、故障穿越能力強等優點。基于MMC的VSC-HVDC雖然有望成為風電并網的主流方式,但是在VSC-HVDC海上風電并網方式中的一些固有缺陷，降低了其應用于工程實際的經濟性和可靠性。圖1為VSC-HVDC海上風電并網的基本拓撲，由于在電能傳輸過程中要實現從交流到直流再到交流的2次電能變換，所以必須建造陸上和海上2個換流站。其中海上換流站的建造，無論在技術難度還是投資成本上都遠遠高于陸上換流站，并且運行維護的費用也高，很大程度上降低了VSC-HVDC用于海上風電并網的經濟性。此外，由于直流斷路器等技術難題尚未得到有效解決，造成短期內風電直流并網只能在海上換流站和陸地換流站之間以點對點的方式進行，從而帶來可靠性較低和故障率高等一系列問題[6]。

綜合比較HVAC和HVDC的優缺點，第三種海上風電并網方式FFTS，為大規模海上風電并網提供了更為經濟、有效的選擇。FFTS是西安交通大學王錫凡院士于1994年首次針對遠距離水電開發提出的一種新型輸電方式[7]，二十幾年來已從FFTS的構成形式、基礎理論分析、數據模型建立、數學仿真計算及經濟效益分析等方面展開研究，并進行物理實驗驗證[8-12]。結果表明，與HVAC相比，分頻海上風電系統由于頻率的降低，使得海底電纜的容性充電電流顯著減小，從而提高了電纜的電流容量，功率傳輸的距離和傳輸容量都大為提高。與HVDC相比，分頻海上風電系統只需要在陸地側建造一個換流站，這就使得換流站建設的一次性投資大為減少，降低了維護和運行費用。此外，分頻海上風電系統中無需研發新的斷路器可直接使用現有的交流斷路器，這在一定程度上降低了風電經FFTS并網的技術難度。

圖1 海上風電經 VSC-HVDC并網的基本拓撲

2 分頻海上風電系統

2.1 分頻海上風電系統的拓撲結構

如圖2所示，為分頻海上風電系統的基本拓撲。與圖1相比，分頻海上風電系統無需海上換流站，大大降低了換流站建設的一次性投資，以及運行和維護的成本。其次，從電能發出到并網的全過程，分頻海上風電系統只需進行三級換流(整流或者逆變)，而VSC-HVDC風電系統中則需要進行四級換流，故分頻海上風電系統的換流損耗更小。

圖2 海上風電經FFTS并網的基本拓撲

2.2 分頻海上風電系統變頻方式的選擇

頻率變換是FFTS中最重要的環節，故變頻器是FFTS中最核心的設備之一。一直以來對變頻器的研究一直是FFTS領域的熱點。用于FFTS中的變頻器主要有2類：

(1) 基于晶閘管的交交變頻器——其拓撲如圖3所示。由于采用的是半控型器件晶閘管，其成本較低，可靠性高，易于實現大規模功率變換[13]。然而其控制不如全控型器件靈活，諧波含量和波形畸變率較高，為實現較高的電能質量需加裝額外的濾波和無功補償裝置，這會導致成本的升高。除此以外，基于晶閘管的交交變頻器存在換相失敗問題[14]，極大限制了故障穿越能力，從而限制了其在大規模風電并網中的應用。

圖3 交交變頻器的基本拓撲

(2) 基于全控型器件的模塊化多電平矩陣式變換器——模塊化多電平矩陣式換流器(mudular multilevel matric conevrter, M3C)[15]自提出之日起便受到學術界的普遍關注。其基本拓撲結構如圖4所示。M3C共有9個橋臂，分別連接兩側的交流系統，其中左側是工頻電網，右側可以是海上風電經FFTS輸送的低頻網絡。與傳統的交交變頻器相比，M3C采用全控型的IGBT，

圖4 M3C基本拓撲

能夠獨立控制交流側的有功和無功功率，具有黑啟動能力，更加靈活和復雜的開關模式能夠降低諧波含量，從而無需或者減少額外的濾波裝置，降低投資，交流側具有較強的故障穿越能力。橋臂采用模塊化的結構，使其很容易適用于高電壓、大功率的場合，還能夠增加兩側所聯系統的穩定性，因而M3C被譽為新一代的變頻器。

2.3 分頻海上風電系統的主要電氣設備

由于頻率的降低，分頻海上風電系統中電氣設備的工作環境與HVAC和VSC-HVDC中都有所區別，其參數和性能也會有所不同，部分設備的參數需要進行調整甚至重新設計。

2.3.1 發電機

現代風電并網中運用最廣泛的風機類型有永磁直驅風機(PMSU)和雙饋異步風機(DFIU)2種，都屬于變速恒頻風機。其中PMSU通過1個交直交換流器連接到系統，由于直流環節的存在，起到了隔離作用，風機的工作不受低頻側的影響，可以直接使用現有的風電機組。對于DFIU，由于不存在直流的隔離作用，頻率的降低會導致DFIU的體積增大，成本升高；另一方面，頻率的降低也大大降低了齒輪箱變速比，甚至可以省去齒輪箱，不但降低了成本而且還提高了系統的可靠性。研究表明單個分頻DFIU機組成本相較工頻降低5.2%[16]。總而言之，無論選用哪種風機，分頻海上風電系統都不會增加風機的成本，甚至可能降低成本并且增加系統的可靠性。

2.3.2 變壓器

分頻風電系統中最大的挑戰之一就是變壓器。工作在低頻環境下的變壓器，為了避免磁飽和需要增大鐵芯的截面積，使得變壓器的質量和體積都增加，這在一定程度上，增加了成本；另一方面，由于頻率的降低，變壓器自身損耗降低，對散熱的要求也降低，綜合考慮兩方面的因素，有研究表明變壓器的成本將增加70%左右[17]。為了便于運輸，增加變壓器運行的可靠性，可以考慮使用3個單相變壓器來構成所需的三相變壓器。

2.3.3 電纜

無論采用何種風電并網方式，海底電纜都是最關鍵性的設備之一。交聯聚乙烯(XLPE)電纜有著低成本、低維護費用、無火災威脅和環境友好等優勢，故在交流輸電系統中逐漸取代了傳統的充油電纜[18]。

研究和實踐經驗都表明，當這種電纜用于直流輸電系統時，隨著電壓等級的升高，空間電荷的累積顯著增加，最終導致絕緣的損壞[19]，所以直流XLPE電纜的故障率遠高于交流XLPE電纜，限制了實際直流系統的電壓等級。由于海底電纜故障診斷、運輸和維修都十分復雜和困難，所以一旦遇上故障，整個輸電系統的輸送容量會減半甚至被迫完全關閉，這必然會帶來極大的經濟損失和能源的浪費。解決這一問題最有效的方式為采用多端結構，然而直流斷路器和直流變壓器的研制工作尚未解決，造成短期內風電直流并網只能在海上換流站和陸地換流站之間以點對點的方式進行，在很大程度上降低了風電經VSC-HVDC并網的經濟性和可靠性。

FFTS與傳統的HVAC相比，只是頻率有所降低，其他方面并無本質區別，故XLPE電纜可以直接用于分頻風電系統，而無需研發新的電纜。由于頻率的降低，XLPE的輸送容量有所下降，但文獻[6]中的實際工程算例表明，一條三相的245 kV的交流XLPE電纜可以將超過600 MW的電能輸送至 400～500 km的距離，已經超過現有的和規劃中絕大多數單個海上風電場總裝機容量和輸送距離。其次交流斷路器和交流變壓器技術已經非常成熟，交流并網很容易構建多端網絡，故不存在上述直流并網的諸多問題。

3 分頻海上風電所面臨的挑戰

根據前文所述，分頻海上風電系統為大規模風電并網提供了一種全新的思路，與傳統的HVAC和現階段主流的VSC-HVDC相比具有鮮明的特點和優勢。文獻[20]通過具體的算例，從技術性能和經濟性角度，對3種并網方式做了詳細的比較，結果表明FFTS不僅能滿足當前海上風電的并網需求，而且在大部分案例中的經濟性均優于HVDC。

分頻海上風電系統在理論上具有一系列的經濟技術優勢，但要真正投入工程實際，經濟、高效地解決大規模海上風電并網問題，尚有一些經濟技術問題需要解決和優化。

3.1 海上分頻風電系統的經濟技術分析和規劃設計

海上分頻風電系統的經濟技術分析和規劃設計需要解決以下3個方面的技術問題。

(1) 分頻海上風電系統經濟區間計算。海上風電工程的建設成本很大程度上受當地水文地質條件的影響，分散性大，如何綜合考慮這些因素，得出分頻海上風電經濟區間的一般性結論，是提高分頻海上風電系統經濟性需要解決的一個難點。

(2) 分頻海上風電系統最佳運行頻率和額定電壓等級標準制定。分頻系統的頻率和電壓可在一定范圍內變化。總的來說，更低的頻率可以進一步提升交流線路的輸電能力，但也增加了變壓器等電磁設備的成本、體積和重量。如何綜合考慮海上風電和海底電網長遠發展規劃，制定分頻海上風電系統的最佳運行頻率頻率和電壓等級標準，以實現分頻海上風電系統的經濟最優，是研究的另一個難點。

(3) 集電系統設計與優化。當前集電系統設計方面的研究主要是針對陸地工頻風電場。在這一應用背景下，發熱是限制電纜傳輸容量的主要因素。但在海上風電場中，海洋環境成為影響電纜容量的主要因素。分頻電纜、斷路器的特點與工頻電纜、斷路器有所不同。此外，部分地區不適合施工，傳統的接線方案需要變通，通用的集電系統設計及方案，可靠性評估與經濟性比較方法亟待研究。

3.2 海上分頻風電系統關鍵變頻設備研發

分頻海上風電系統中最關鍵的設備之一就是變頻器。作為新一代的變頻器，M3C具有一系列性能上的優勢，但由于M3C具有9個橋臂，結構復雜，這就使得分析其穩態工作時輸入輸出端和各橋臂電壓、電流、功率等電氣量的數學關系，建立其穩態數學模型變得十分困難。其次，M3C連接的是2個不同頻率的交流系統，這就意味著橋臂電流中將同時包含2種不同頻率的分量，如何實現這2種頻率分量的解耦控制是亟需解決的問題。除此之外，直流電容均壓、環流等都增加了M3C控制的復雜性。目前對該換流器的研究還不夠深入，這是分頻海上風電系統投入實際工程的另一個難點。

3.3 海上分頻風電系統的控制與保護研究

分頻海上風電系統通過全功率換流器與陸地電網相隔離，因此分頻電網的運行與微網的孤島模式十分相似，這給分頻電網的潮流控制、保護整定與穩定性控制帶來了挑戰。為實現控制與保護的有效性，需進行以下方面的研究。

(1) 海上分頻風電系統運行特性研究。深入分析海上多端分頻電網及換流器的穩態運行特性，針對海上分頻風電加入某實際系統的應用場景，研究其典型運行方式下控制器參數對系統運行特性的影響。

(2) 海上分頻風電系統故障暫態特性分析和保護方法研究。通過海上分頻風電接入實際電網的算例，研究換流站的故障機理，以及不同線路連接方式下線路故障機理；開展分頻電網故障類別判斷及故障點快速定位技術研究，給出故障點隔離、清除及恢復方法。以此為基礎，開展分頻風電的保護配置方案，并對所提故障暫態特性分析和保護方法的有效性進行驗證。

(3) 海上分頻風電系統故障穿越特性研究。建立換流器在電網電壓跌落及過電壓時的數學模型，深入分析電壓跌落尤其是不對稱跌落時負序和零序電壓對變頻器穩態運行的影響，設計換流器故障穿越時的控制算法。

4 結束語

本文介紹了分頻海上風電系統的結構、換流器的選擇和低頻環境對重要設備的影響。比較了3種常用輸電方式在海上風電并網中的優劣勢。FFTS通過降低輸電頻率，極大地提高了電纜的輸送容量和距離，克服了傳統的HVAC無法通過海底電纜遠距離輸送風電的問題。同時低廉的換流站建設成本和運行維護費用，較高的運行可靠性使得FFTS相比于HVDC更具優勢。此外，還從現階段實際情況出發，指出了FFTS實際投入海上風電并網中所需要解決的經濟技術問題，主要包括變壓器等電磁設備的成本問題、分頻海上風電經濟區間的劃分問題、最佳運行頻率和電壓等級的確定問題、換流器的控制問題以及分頻電網的潮流控制、保護整定和穩定性控制等問題，為進一步研究指明了方向。

目前，國內外對FFTS在大規模海上風電并網中應用的關注度越來越高。國內眾多科研機構及高校中，以西安交通大學為代表，已經和國網公司開展了關于“分頻海上風電系統研究“的項目合作。相信在不久的將來，FFTS將能理論走向實際，徹底解決大規模海上風電并網的難題。

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王秀麗

王秀麗(1961 —)，女，河南信陽人，教授，博士生導師，主要研究方向：電力系統分析、規劃；

張小亮(1993 —)，男，安徽合肥人，碩士，主要研究方向：電力系統及其新型輸電方式的分析與控制；

王錫凡(1936 —),男，河北安平人，中國科學院院士，教授，博士生導師，IEEE Fellow，主要研究方向:電力系統分析、規劃及電力市場;

寧聯輝(1979 —)，男，陜西西安人，副教授，主要研究方向：電力系統及其新型輸電方式的分析與控制；

朱衛平(1983 —)，男，江蘇南京人，工程師，從事配電系統及新能源接入分析工作。

Application Prospects and Challenges of Fractional Frequency Transmission System in Offshore Wind Power Integration

WANG Xiuli1, ZHANG Xiaoliang1, NING Lianhui1, ZHU Weiping2, WANG Xifan1

(1.Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. State Grid Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute, Nanjing 211103, China)

Through the comparison of three methods for the grid interconnection of offshore wind power, this paper pointed out the application prospects of fractional frequency transmission system (FFTS) in large-scale offshore wind power integration. Besides, this paper introduced the structure of fractional wind power system and the choice of inverter and showed the excellent performance of modular multilevel converter (M3C ) as a new generation inverter. Moreover, this paper analyzed the influence of low frequency on the critical machines used in fractional offshore wind power system, which furtherly shows the feasibility, economical advantages and technological advantages of the fractional offshore wind power system. Finally, some economical and technological problems remaining unsolved of the fractional offshore wind power system were pointed out, which indicated the direction for further study.

offshore wind power; FFTS; grid connection; economy

2016-10-19；

2016-11-23

國家自然科學基金項目(51307136)

TM71

A

2096-3203(2017)01-0015-05