朱宜飛，陶鐵鈴

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院新能源公司，武漢 430010)

1 前言

根據(jù)國內(nèi)實際情況，探討了未來海上風(fēng)電場并網(wǎng)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(fēng)電場發(fā)展模式。

2 海上風(fēng)電場輸電方式和機組簡介

2．1 海上風(fēng)電場的機組形式

風(fēng)力發(fā)電機組主要劃分為恒速機和變速機兩大類，根據(jù)目前的發(fā)展趨勢，雙饋變速異步機組和直驅(qū)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(wǎng)相連而轉(zhuǎn)子通過換流器與電網(wǎng)相連，該系統(tǒng)允許電機轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速的60%～110%之間變化，而且換流器額定容量達到風(fēng)機額定功率的30%即可。直驅(qū)同步機組采用永磁電機，定子通過換流器與電網(wǎng)相連，該系統(tǒng)允許電機轉(zhuǎn)速在更大范圍內(nèi)變化，由此可以省掉變速箱。風(fēng)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(guī)劃之中。同時機端電壓也相應(yīng)升高，目前已有少數(shù)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?；谝陨显?，在后述的模型中，海上風(fēng)電機組按5 MW永磁直驅(qū)機組考慮，機端電壓設(shè)為2 000 V。

2．2 高壓交流輸電系統(tǒng)

迄今為止所有已建成海上風(fēng)電場均采用高壓交流輸電系統(tǒng)(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(shè)備;c．三芯XLPE交聯(lián)海底電纜;d．陸上變電站和無功補償設(shè)備。典型的HVAC交流輸電系統(tǒng)見圖1。

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

2．2．1 XLPE海底電纜和無功補償設(shè)備

XLPE交聯(lián)聚乙烯電纜是目前應(yīng)用最廣泛的海底電纜，其具有良好的導(dǎo)熱性，所以載流量和過短路電流能力都十分優(yōu)秀。XLPE電纜能在導(dǎo)體溫度90℃的條件下持續(xù)工作，而且其介質(zhì)損耗低于其他電纜，并且對環(huán)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(tǒng)中會產(chǎn)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(jù)實際情況在電纜的一側(cè)或兩側(cè)加裝無功補償裝置，目前相控電抗器(TCR)設(shè)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(fēng)電場通常會配置海上升壓站，大規(guī)模的海上風(fēng)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(wǎng)換相換流器的高壓直流輸電(HVDC)系統(tǒng)

基于電網(wǎng)換相換流器(LCC)的直流輸電系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于陸上長距離輸電和海底電纜等領(lǐng)域，技術(shù)較為成熟，但目前尚未被運用到海上風(fēng)電領(lǐng)域。一個完整的基于LCC的直流輸電系統(tǒng)(見圖3)應(yīng)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(tǒng)。

圖3 典型的基于電網(wǎng)換相換流器直流輸電系統(tǒng)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(chǎn)生的諧波，減少諧波對交流系統(tǒng)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(cè)的諧波。

2)換流變壓器。在LCC直流輸電系統(tǒng)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(zhuǎn)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(gòu)成直流側(cè)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(lián)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(lián)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(huán)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(dǎo)體溫度限制。

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

2．4 基于電壓源的直流輸電系統(tǒng)

基于電壓源換流器(VSC)的直流輸電系統(tǒng)是近年來在IGBT的基礎(chǔ)上所發(fā)展出來的一種新興直流輸電系統(tǒng)(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(tǒng)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(guān)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(jù)系統(tǒng)需要自動調(diào)節(jié)。IGBT開關(guān)器件在換流器上的應(yīng)用消減了系統(tǒng)諧波并改善了電能質(zhì)量，但高頻同時也帶來較高的系統(tǒng)損耗。

2)直流電纜。在VSC系統(tǒng)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(dǎo)熱性，對環(huán)境影響也較小。

3 輸電系統(tǒng)的損耗分析

3．1 系統(tǒng)的簡化和抽象

為了比較不同輸電系統(tǒng)的損耗，必須考慮風(fēng)電場的年度發(fā)電量，其由風(fēng)速的分布函數(shù)決定。在此假設(shè)風(fēng)電場的年發(fā)電量滿足瑞利分布函數(shù)曲線，年平均風(fēng)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(shù)為3 450 h。

所有的AC，DC電纜均假設(shè)為1 200 mm2XLPE三芯電纜，并取其相應(yīng)參數(shù)。各級變壓器的損耗假設(shè)為定值。換流器均假設(shè)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(tǒng)的損耗

高壓交流輸電系統(tǒng)的傳輸距離主要取決于電纜所產(chǎn)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(guān)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(fēng)電場在不同距離上的系統(tǒng)損耗L%。

其中，Pli為傳輸系統(tǒng)在風(fēng)速i時的有功損耗;Pgi為機組在風(fēng)速i時所發(fā)出的有功功率;n為風(fēng)速的等級劃分。

對于裝機容量為500 MW風(fēng)電場，傳輸系統(tǒng)損耗計算結(jié)果如表1所示。

表1 500 MW風(fēng)電場高壓交流輸電系統(tǒng)損耗計算結(jié)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(fēng)電場，傳輸系統(tǒng)損耗計算結(jié)果如表2所示。

表2 1 000 MW風(fēng)電場高壓交流輸電系統(tǒng)損耗計算結(jié)果Table 2 Transm ission losses of 1 000 MW capacity w ith HVAC transm ission system

從上述結(jié)果可知，在150 km以內(nèi)，采用較高的電壓等級(220 kV、500 kV)可減少傳輸系統(tǒng)損耗，但其大規(guī)模應(yīng)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(fēng)電場傳輸系統(tǒng)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(tǒng)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(fēng)電場在不同距離上的系統(tǒng)損耗L%。

對于裝機容量為500 MW風(fēng)電場，傳輸系統(tǒng)損耗計算結(jié)果如表4所示。

表4 500 MW基于LCC的直流輸電系統(tǒng)損耗計算結(jié)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(fēng)電場，傳輸系統(tǒng)損耗計算結(jié)果如表5所示。

表5 1 000 MW基于LCC的直流輸電系統(tǒng)損耗計算結(jié)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(tǒng)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(fēng)電場在不同距離上的系統(tǒng)損耗L%。

對于裝機容量為500 MW風(fēng)電場，傳輸系統(tǒng)損耗計算結(jié)果如表7所示。

表7 500 MW基于VSC的直流輸電系統(tǒng)損耗計算結(jié)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(fēng)電場，傳輸系統(tǒng)損耗計算結(jié)果如表8所示。

表8 1 000 MW基于VSC的直流輸電系統(tǒng)損耗計算結(jié)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(tǒng)的比較

綜合以上數(shù)據(jù)比較分析可知(見圖 6)，在100 km以內(nèi)，傳統(tǒng)的高壓交流輸電系統(tǒng)損耗較低，輸送容量較大，而且技術(shù)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(fēng)電場全部使用高壓交流輸電系統(tǒng)的原因。

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

當(dāng)距離超過100 km時，交流輸電系統(tǒng)的傳輸能力隨著介質(zhì)損耗的增加而快速下降，而直流輸電系統(tǒng)因為其系統(tǒng)損耗和傳輸容量對于距離的增加并不敏感，優(yōu)勢逐漸顯露出來，其中LCC的損耗要小于VSC，但考慮到風(fēng)力發(fā)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(wǎng)易造成較大沖擊，所以LCC的應(yīng)用范圍應(yīng)限于VSC容量所不及的超大規(guī)模風(fēng)電場。

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