大規模海上風電場并網方式研究

程 強，李 昱，孫高龍，俞 雷，張欣成

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽 550000）

引言

隨著科學技術的發展，海上風電開發及輸送成本逐漸降低，海上風電技術成為研究的熱點，裝機容量逐年攀升[1]。截止目前，歐洲海上風機裝機總量累計高達25 GW[2]。我國海上風能資源非常豐富，可開發量約為7500 GW，遠高于陸地風能資源，開發潛力巨大[3]。海上風速穩定，開發海上風電不占用土地資源，不產生有害物質，因此，對海上風電并網方式進行研究，對于提高海上風電利用率和保護生態環境具有重要意義[4]。

海上風電并網分為交流和直流兩種，它們分別具有不同的優勢和特點，專家學者們為此開展了大量研究。文獻[5]對海上風電并網方式進行了研究，重點對柔性直流輸電并網的經濟性進行了分析。文獻[6]對海上風電匯集方式及并網方案進行了優化，建立了海上風電并網經濟性分析模型，并采用改進粒子群算法對模型進行了求解，得出了海上風電最優并網方案。文獻[7]提出了一種適合大容量、遠距離海上風電并網的模塊化多電平換流器的輕型直流輸電方案，并對其控制策略進行了研究。文獻[8]對海上風電并網過程中的全壽命周期成本進行分析，建立了基于全壽命周期成本的海上風電并網方式優選模型，并采用實際算例驗證了模型的正確性。

本文對海上風電并網方式進行了研究，分析了高壓交流輸電和高壓直流輸電對于輸送海上風電的優劣，并進行了對比分析，對HVAC和HVDC的應用場景進行了總結，最后通過方案比較確定了VSC‐HVDC的最優并網方案。

1 DC grid并網方式

海上風電直流系統（DC grid）是一種海上風電并網方式[9]，其特征是將海上風電變壓器換成直流DC/DC換流器。在這種運行方式下，風電場的所有風機均通過整流器連接直流母線，經過直流變壓器升壓后采用高壓直流電纜傳輸至陸地換流站，經逆變器逆變成交流后并網。DC grid的特點是減小了海上變壓器的質量和體積，降低了電能損耗，提高了海上風電傳輸效率。

DC grid拓撲結構共有下列三種[10]：

（1）三級變流系統，其拓撲結構由兩級DC/DC變換器構成，每臺風機配置一臺整流器和DC/DC變換器，風機輸出電能經整流和升壓后達到中壓水平，然后匯流到母線上，母線上流出的電能經過第2級DC/DC變流站升壓后進行傳輸。該種拓撲結構的優點是直流電纜損耗小，各部分電壓相對獨立，便于控制，缺點是DC/DC變換器較多，成本較高。

（2）兩級變流系統帶變流站，其拓撲結構與DC grid三級變流系統較為相似，但缺少風機后的DC/DC變換器，風機發出的電能經整流后直接傳輸至母線，母線輸出的電壓經大容量變流器直接升壓至輸送電壓水平。這種拓撲結構的優點是DC/DC變換器數量較少，經濟性較高，但系統輸送電壓受風機輸出電壓影響較大，風機輸出電壓較低時會增加線損。

（3）兩級變流系統無變流站，該拓撲結構的優點是風機輸出的電壓經升壓后能夠降低母線損耗，提高傳輸效率，但母線輸出電壓等級無法升壓，增加直流電纜損耗。

綜上所述，三種拓撲結構的優缺點各不相同，因此適用場合也不相同。對于高電壓等級的海上風電系統，三級變流系統更合適；對于風機出口電壓較高且輸送電壓等級較低的系統，兩級交流系統更節約成本；而無變流站的比有變流站的可靠性更高。

2 HVAC并網方式

高壓交流輸電（HVAC）是直接以交流電的形式進行輸送[11]，風機發出的電能經過升壓后匯流至母線變成恒頻恒壓的交流電，經海底電纜輸送至陸地變電站。

HVAC屬于傳統輸電方案，也是目前應用最廣泛的輸電方式。其優點是結構簡單、便于維護且成本較低；缺點是交流電纜存在電容效應，在電纜兩端需要加裝無功補償裝置，電容電流與線路長度呈正相關，因此HVAC適用于輸電距離較近的小規模海上風電場。大規模需要遠距離輸電的海上風電場采用HVAC并網技術會存在下列問題：

（1）海上風電系統傳輸功率較大時，線路損耗較大，且隨著線路距離的增大而增大，與此同時，線路投資成本也會增加；

（2）海底電纜在輸送高壓交流電時會產生大量容性無功功率，增加系統損耗，這也是高壓交流輸電不適合遠距離傳輸的一個主要原因；

（3）海上風電采用交流輸電方式時，一旦出現故障，故障無法隔離，容易造成整個風電場失去控制，不利于電力系統的安全穩定運行。

3 HVDC并網方式

高壓直流輸電（HVDC）是將風機發出的交流電轉化為高壓直流電進行輸送，將海上風電傳輸至大電網。目前應用較多的HVDC海上風電并網技術有基于線換相換流器的高壓直流輸電（LCC‐HVDC）和基于自換向電壓源換流器的高壓直流輸電（VSC‐HVDC）[12,13]。

3.1 LCC‐HVDC并網方式

基于LCC‐HVDC的海上風電系統主要由換流變壓器、晶閘管換流器、無功補償裝置、平波電抗器和濾波器組成[14]。LCC‐HVDC并網方式的優點是可以允許海上風電場與陸地電力系統的非同步運行，接受風電場大范圍的頻率波動，電能傳輸不受輸電距離的限制，具有較高的傳輸效率和較低的建設運行成本。LCC‐HVDC并網方式的缺點在于自身不具備無功補償和黑啟動功能，無法完成能量的雙向傳輸及換相失敗概率較高等。

3.2 VSC‐HVDC并網方式

VSC‐HVDC并網方式采用絕緣柵雙極晶體管IGBT、IGCT等新型電子器件構成，利用脈沖調制技術對海上風電的電壓幅值和相角進行調節，實現交流側無功功率和有功功率的獨立控制，保障海上風電功率的平穩輸送[15]。

LCC‐HVDC并網方式具有下列幾點優勢：（1）可加裝儲能系統，從而具備黑啟動功能；（2）母線側VSC能夠為系統補償無功功率；（3）具有較強的系統控制能力；（4）可以控制系統頻率捕獲風機最大風能；（5）可實現風電場并聯拓展，并網方式多樣。

表1對HVAC、LCC‐HVDC和VSC‐HVDC 3種并網方式的輸電距離和裝機容量進行了比較[16]。對比表1中的數據可知，HVAC并網方式適合輸電距離較短的小型海上風電場，LCC‐HVDC并網方式適合裝機容量大于380 MW的大型海上風電場，而VSC‐HVDC并網方式適用于輸電距離較長且裝機規模小于380 MW的海上風電場，另外考慮到VSC‐HVDC容易并聯拓展，因此目前全球范圍內的海上風電場大多采用VSC‐HVDC并網方式。

表1 3種并網方式比較

4 海上風電VSC‐HVDC并網方案分析

根據VSC安裝位置以及海上風電場接線方式的不同，海上風電VSC‐HVDC具有不同的并網方案，具體如下：

（1）方案一

方案一接線如圖1所示，每臺風電機配置一臺VSC整流器，風機發出的交流電經升壓變壓器升壓后再經過VSC整流變成直流電，通過海底電纜輸送至直流升壓站，經DC/DC變換器將電壓升至±150 kV，再經海底電纜輸送至陸上換流站，經VSC逆變為交流電后并網。

圖1 方案一接線圖

方案一的優點是利用VSC獨立控制每臺風機，便于調節風機輸出功率及輸出電壓的頻率。其缺點在于電氣接線復雜，大量使用VSC設備，增加了海上風電發電成本和后期維護成本。

（2）方案二

方案二接線如圖2所示，風機被分為多組，每臺風電機配置一臺VSC整流器，將每組中的所有VSC輸出電壓進行串聯，使各組輸出直流電壓均為±150 kV，直接匯流至±150 kV的直流母線上，省去了DC/DC變換器。

圖2 方案二接線圖

方案二基本繼承了方案一的所有優點，并節約了DC/DC變換器的投資成本。但方案二的缺點也很明顯，VSC串聯使系統接線變得更加復雜。

（3）方案三

方案三接線如圖3所示，所有風機發出的交流電經升壓變壓器升壓后直接匯流至交流母線，經海上換流站內VSC整流為±150 kV直流電，經海底電纜傳輸至陸地換流站，經VSC逆變為交流電后并網。

圖3 方案三接線圖

相比方案一和方案二，方案三的優點非常明顯，它具有簡單清晰的接線方式和較低的建設投資成本，由于VSC設備數量較少，后期維護成本會低很多。但由于整個系統中的風機均由一個VSC控制，系統內部調節能力較差，風機發電效率相對較低。

綜上所述，對于規模較小且風速不穩定的海上風電場，應優先選擇方案一和方案二的并網方案，而規模較大且風速相對穩定的海上風電場優先考慮方案三的并網方案。

5 結論

對海上風電并網方式進行了研究，分析了高壓交流輸電和高壓直流輸電對于輸送海上風電的優劣，并進行了對比分析，對HVAC和HVDC的應用場景進行了總結，HVAC并網方式適合輸電距離較短的小型海上風電場，LCC‐HVDC并網方式適合裝機容量大于380 MW的大型海上風電場，VSC‐HVDC并網方式適用于輸電距離較長且裝機規模小于380 MW的海上風電場，另外考慮到風電場的并聯拓展，VSC‐HVDC的應用范圍最廣。