莊明振

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

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海上風(fēng)電場并網(wǎng)方案研究

莊明振

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

風(fēng)能作為一種可再生的清潔能源，有望成為傳統(tǒng)能源的替代品，海上風(fēng)電成為未來風(fēng)電發(fā)展的趨勢。針對海上風(fēng)電場的并網(wǎng)方案進(jìn)行研究，分析了交流并網(wǎng)方案和直流并網(wǎng)方案的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對比兩種方案，當(dāng)輸電距離較短時，采用交流并網(wǎng)更優(yōu)；輸電距離較長時，采用直流并網(wǎng)更優(yōu)。以一個500 MW風(fēng)電場為例，從對比分析兩種并網(wǎng)方案的投資成本和損耗出發(fā)，驗證了交流并網(wǎng)更適用于近海電場、直流并網(wǎng)更適用于遠(yuǎn)海電場的結(jié)論。

海上風(fēng)電場；交流并網(wǎng)；直流并網(wǎng)；投資；損耗

近年全球電力能源消費在持續(xù)增長，而由于過度利用化石能源造成的環(huán)境問題促使人們將注意力更多的轉(zhuǎn)向清潔能源，風(fēng)電由于其可再生、無污染、能量大、前景廣等優(yōu)點，成為世界范圍內(nèi)發(fā)展速度最快的新能源[1-3]。2013年，全球累計風(fēng)電裝機容量達(dá)到3.2GW，24個國家的風(fēng)電裝機容量超過1GW，風(fēng)電作為應(yīng)用規(guī)模最大的可再生綠色能源發(fā)電技術(shù)，已經(jīng)引起了世界各國的高度關(guān)注。風(fēng)電能源開發(fā)主要集中在陸上，而陸地風(fēng)能利用受到了諸如噪聲污染、占地面積大等限制[4-5]。相比之下，海上風(fēng)電場具有高風(fēng)速、低風(fēng)切變、低湍流、高產(chǎn)出等優(yōu)點，成為未來滿足電力需求的一個重要來源[6-8]。目前，我國正在大力推進(jìn)海上風(fēng)電發(fā)展，2014年-2016年全國海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)項目總規(guī)模為1027.77萬千瓦，預(yù)計2020年海上風(fēng)電將達(dá)到3000萬千瓦[9]。

本文首先對海上風(fēng)電場的交流并網(wǎng)與直流并網(wǎng)方案進(jìn)行了對比分析研究，然后利用一個500MW海上風(fēng)電場的算例，對其采用高壓交流并網(wǎng)和高壓直流并網(wǎng)時的投資成本與損耗進(jìn)行了分析，驗證了交流并網(wǎng)適于近海電場、直流并網(wǎng)適于遠(yuǎn)海電場。

1　海上風(fēng)電場并網(wǎng)方案

目前，大部分的海上風(fēng)電場規(guī)模都很小并且連接簡單，通常依據(jù)現(xiàn)存的陸上風(fēng)電場安裝準(zhǔn)則進(jìn)行規(guī)劃。但是，隨著未來海上風(fēng)電場容量等級提高，海上風(fēng)電場的損耗、成本、穩(wěn)定性主要依賴海上風(fēng)電場的電氣系統(tǒng)設(shè)計，因此未來海上風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計就變得極為重要[10]。海上風(fēng)電場有三種并網(wǎng)方案，交流交流并網(wǎng)、交流直流并網(wǎng)、直流直流并網(wǎng)。這三種并網(wǎng)方案的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　海上風(fēng)電場并網(wǎng)方案

從圖1可以看出，海上風(fēng)電場由集電系統(tǒng)部分和輸電系統(tǒng)部分組成。圖1(a)的交流交流并網(wǎng)模式和圖1(b)的交流直流并網(wǎng)模式在輸電系統(tǒng)部分有區(qū)別，交流交流模式采用高壓交流輸電，交流直流模式采用高壓直流輸電。圖1(c)為直流直流并網(wǎng)模式，其與交流交流模式和交流直流模式相比，集電系統(tǒng)部分收集的功率為直流功率，輸電系統(tǒng)采用高壓直流輸電。目前風(fēng)機的額定電壓與額定容量不夠大，將風(fēng)機集中在一起可以增加功率輸出，使得風(fēng)電場占地面積盡可能小，因此，這三種模式均是先將風(fēng)機集中在一起，然后進(jìn)行升壓或變流。由于交流直流并網(wǎng)模式和直流直流并網(wǎng)模式均是采用高壓直流電纜輸電，因此，在文中將這兩種并網(wǎng)方案統(tǒng)稱為直流并網(wǎng)方案，將交流交流并網(wǎng)方案稱為交流并網(wǎng)方案。

1.1交流并網(wǎng)方案

風(fēng)電場的集電系統(tǒng)功率輸出有交流和直流之分，交流并網(wǎng)模式的風(fēng)電場集電系統(tǒng)輸出交流功率，輸電系統(tǒng)采用高壓交流輸電，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，且變壓器設(shè)備的成本低。對于交流并網(wǎng)方案來說，由于輸電系統(tǒng)均是采用高壓交流電纜輸電，因此不同并網(wǎng)模式的區(qū)別在于其集電系統(tǒng)的不同。風(fēng)電場的交流并網(wǎng)方案有輻射型、輻射環(huán)形和星型并網(wǎng)方案，分別如圖2的(a)、(b)、(c)所示。

圖2　交流并網(wǎng)方案

圖2(a)為輻射型交流并網(wǎng)模式，是最直接的集電系統(tǒng)布置，該設(shè)計中風(fēng)機先通過各自的電纜連接到一條公用母線上，組成一個風(fēng)機串，然后幾串風(fēng)機共同連接到一個公共母線上，該母線連接到平臺上。每串允許連接的風(fēng)機最大數(shù)量值取決于發(fā)電機容量以及該串電纜的額定容量。該設(shè)計的優(yōu)點是電纜長度更短，因此控制簡單，價格便宜；該設(shè)計的主要缺點是當(dāng)電纜或母線處的開關(guān)有故障時，所有下游風(fēng)機不能輸出功率，整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。

圖2(b)為輻射環(huán)形交流并網(wǎng)模式，與輻射型相比，由于多了一條通路，構(gòu)成了環(huán)狀結(jié)構(gòu)。輻射型環(huán)網(wǎng)模式，在故障情況下具有更好的可靠性。某串風(fēng)機有故障時，該串所有風(fēng)機的功率都需要從這條冗余支路通過，因此該冗余支路電纜的容量應(yīng)足夠大，該系統(tǒng)的控制系統(tǒng)也就隨著風(fēng)機與冗余開關(guān)的數(shù)目增多而變得更為復(fù)雜。

圖2(c)為星型交流并網(wǎng)模式，該設(shè)計主要是為了降低電纜額定容量以及為風(fēng)電場提供一個更高的安全等級，并且風(fēng)機之間的電壓管理更為合理。在該系統(tǒng)中，風(fēng)機通過各自的電纜連接到一個公共點，然后通過電纜將諸多公共點連接到一個公共母線。該模式與輻射型模式是不同的，因為輻射型模式主電纜中的電流值隨著向母線方向靠近，電流增大，而星型模式主電纜中的電流值等于所有風(fēng)機電流值之和。

1.2直流并網(wǎng)方案

由于現(xiàn)代電力電子器件的蓬勃發(fā)展，直流電網(wǎng)開始用于大功率領(lǐng)域，尤其是直流電網(wǎng)用于海上風(fēng)電場正在成為當(dāng)前的一個趨勢。傳統(tǒng)的風(fēng)電場采用交流系統(tǒng)實現(xiàn)配電，現(xiàn)在可以用直流系統(tǒng)代替交流系統(tǒng)。對于直流電網(wǎng)來說，升壓是很重要的一步，因此不同電壓等級的數(shù)量和直流換流器的位置是直流電網(wǎng)設(shè)計中的一個重要方面。根據(jù)直流換流器的位置不同，可以有3種直流并網(wǎng)模式：兩級升壓模式、簇升壓模式、風(fēng)機升壓模式，如圖3所示。

圖3　直流并網(wǎng)模式

圖3(a)為兩級升壓模式，直流換流器可以看成一個黑箱，該模式中使用兩個直流換流器，風(fēng)機之后利用直流換流器直接升壓，將電壓升高到中壓水平，之后功率集中后進(jìn)行第二次升壓，將電壓升高到傳輸水平。該拓?fù)涞膬?yōu)點是：在風(fēng)機后直接升壓，可以在配電水平降低電纜損耗，電壓可以獨立控制；缺點是需要額外的直流換流器，增加了額外的損耗和成本投資。

圖3(b)為簇升壓模式，與兩級升壓的拓?fù)浜芟嗨疲紫燃泄β?，然后使用一個大功率直流換流器將電壓升高到傳輸水平。該拓?fù)涞膬?yōu)點是：換流器的數(shù)量最少，大型直流換流器的效率更高；缺點是僅僅用到了兩個電壓等級，配電水平極大地依靠發(fā)電機電壓。

圖3(c)為風(fēng)機升壓模式，該模式僅僅在風(fēng)機之后使用一個直流換流器進(jìn)行升壓，其優(yōu)點是僅僅用到了兩個電壓等級，配電等級損耗減少；缺點是直流換流器的輸出逆變器需要設(shè)計為低功率，從而導(dǎo)致?lián)Q流器效率降低。

1.3交流并網(wǎng)方案與直流并網(wǎng)方案比較

交流并網(wǎng)方案的工程造價較低，結(jié)構(gòu)簡單，隨著海上風(fēng)電場輸電距離越來越遠(yuǎn)，海底電纜的長度逐漸增長，由于交流電纜的電容比較高，有功載流量降低，系統(tǒng)需要承受更高的電壓和更大的充電功率，從而需要更多大容量的無功補償裝置，這使得交流組網(wǎng)結(jié)構(gòu)運行更加困難且投資更多，因此只適合于小規(guī)模近海風(fēng)電場。

直流并網(wǎng)方案的輸電部分可以采用基于線換流器的高壓直流輸電和基于電壓源換流器的高壓直流輸電。目前，線換流器的損耗約占0.7%，電壓源換流器的損耗約占1.6%，在近距離輸電時，損耗比采用交流并網(wǎng)要大得多；在遠(yuǎn)距離輸電時，由于直流電纜的投資及損耗要小于交流電纜及其補償裝置，因此直流并網(wǎng)更有優(yōu)勢。

2　算例驗證

為了比較交流并網(wǎng)與直流并網(wǎng)的優(yōu)劣，該部分利用算例從投資成本和損耗兩方面對這兩種并網(wǎng)方案進(jìn)行比較。交流并網(wǎng)與直流并網(wǎng)分別介紹了三種結(jié)構(gòu)，在此僅選擇具有代表性且易于控制實現(xiàn)的輻射型交流并網(wǎng)與風(fēng)機升壓模式進(jìn)行比較分析。

圖4　高壓交流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1交流并網(wǎng)算例

目前，海上風(fēng)電機組的機端電壓大都采用690 V，為了減少風(fēng)電場內(nèi)部電能傳輸損耗，通常在風(fēng)機出口安裝變壓器升高電壓等級；考慮到設(shè)備成本以及傳輸損耗等因素，認(rèn)為30 kV-36 kV是交流電氣系統(tǒng)中風(fēng)機之間連接的最佳電壓等級[11]，本文采用35 kV；當(dāng)風(fēng)電場規(guī)模較大、離岸距離較遠(yuǎn)時，需要采用海上變電站將電壓等級升高，然后經(jīng)高壓輸電線路連接至陸上并網(wǎng)點。文中計算采用的海上風(fēng)電場交流輻射型并網(wǎng)算例拓?fù)淙鐖D4所示。

在圖4的交流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，首先，風(fēng)機塔內(nèi)的變壓器將5 MW風(fēng)機機端電壓從690 V升高到35 kV后，變壓器的高壓側(cè)接到一條公用電纜上組成一個風(fēng)機“串”，每“串”由10個風(fēng)機-變壓器的組合并聯(lián)而成；然后，5條這樣的風(fēng)機“串”為一組，500 MW的海上風(fēng)電場一共有兩組風(fēng)機這樣的“串”，每組風(fēng)機“串”的裝機容量為250 MW；接著，由安裝在交流海上平臺的變壓器將電壓升高到220 kV；最后，通過高壓交流電纜將功率輸送到陸上電網(wǎng)。

2.2直流并網(wǎng)算例

海上風(fēng)電場的直流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)由直流集電系統(tǒng)和基于電壓源換流器的高壓直流輸電系統(tǒng)組成，文中計算所采用的是直流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的交流-直流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)?；陲L(fēng)機側(cè)電纜可以承受的直流電纜電流、載流量和高壓等級，對于690V風(fēng)機機端電壓用兩種等級進(jìn)行變換[12]：第一級，將690 V電壓變換成正負(fù)5 kV電壓；第二級，由直流直流變換器將正負(fù)5 kV電壓升高為正負(fù)25 kV電壓；在某些實際的工程中，海下直流電纜可以承受正負(fù)300 kV的電壓，但是由于直流海上平臺不能實現(xiàn)直接將35 kV交流電壓變換為正負(fù)300 kV直流電壓，因此選擇220 kV交流電壓作為中間電壓，如圖5所示。

圖5　高壓直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖5，在直流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，首先，由AC/DC換流器將690 V交流電轉(zhuǎn)化為正負(fù)5 kV直流電，再由DC/DC換流器將正負(fù)5kV直流電轉(zhuǎn)化為正負(fù)25 kV直流電；然后，由DC/AC換流器將正負(fù)25 kV直流電轉(zhuǎn)化為35 kV交流電；接著，與交流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)一致，直流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)也分為兩組，每組風(fēng)機“串”由變壓器將35 kV電壓升為220 kV中壓水平；最后，兩組風(fēng)機“串”共同通過AC/DC換流器將220 kV交流電轉(zhuǎn)化為正負(fù)300 kV高壓直流，由高壓直流電纜進(jìn)行輸送。

2.3兩種并網(wǎng)結(jié)構(gòu)投資成本比較

2.3.1交流并網(wǎng)投資成本

為了計算交流并網(wǎng)方案的投資成本，將各設(shè)備的主要投資表示在表1中。

表1　交流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)各設(shè)備主要投資

針對表1給出的各個設(shè)備參數(shù)，該交流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)的成本為

WAC=75.9+1.747×2LAC，

(1)

式中：WAC為交流并網(wǎng)的總投資，LAC為高壓交流輸電電纜的長度。

2.3.2直流并網(wǎng)投資成本

文中直流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)所采用的各個設(shè)備及其參數(shù)見表2。

表2　直流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)各設(shè)備主要投資

基于表2所采用的設(shè)備，直流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)的投資總成本為

WDC=225.26+0.8455LDC，

(2)

式中：WDC為直流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)總投資，LDC為直流輸電電纜的長度。

2.3.3兩種并網(wǎng)結(jié)構(gòu)投資成本比較

通過上文對交流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)和直流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)的成本分析，可以看出在并網(wǎng)結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系以及采用設(shè)備確定的條件下，兩種并網(wǎng)結(jié)構(gòu)的成本僅僅是輸電距離的函數(shù)。雖然直流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)中直流電纜的單位長度成本較低，但是由于直流海上平臺的數(shù)量比交流海上平臺多以及直流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)增加了變換器投資等原因，使得在某些輸電距離下，采用交流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)成本低，而在某些輸電距離時，采用直流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢。

公式(1)和公式(2)分別表示該500MW海上風(fēng)電場采用交流并網(wǎng)和直流并網(wǎng)的成本，在此，將兩種并網(wǎng)結(jié)構(gòu)的投資成本與輸電距離的關(guān)系在圖6中進(jìn)行了展示。

圖6　投資成本與輸電距離圖

觀察圖6可以看出，在輸電距離大約為56 km時，采用交流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)和直流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)的并網(wǎng)系統(tǒng)總投資成本大致相等；在輸電距離小于56 km時，采用交流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)成本較低，在輸電距離大于56 km時，采用直流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)成本較低。

2.4不同并網(wǎng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋼p耗分析

2.4.1交流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)損耗

為了進(jìn)行潮流計算，將圖4一“串”中的10臺風(fēng)機設(shè)置為1-10號節(jié)點，各臺風(fēng)機都設(shè)為PQ節(jié)點；風(fēng)機串之間交流電纜的長度設(shè)為1 km；高壓交流輸電線電纜長度設(shè)為80 km，輸電線路采用兩條交流電纜，每條交流電纜采用三段π型支路等效，因此每段的電纜長度為26.7 km；整個系統(tǒng)在運行時末端入網(wǎng)電壓設(shè)為400 kV。利用PSAT軟件包進(jìn)行潮流仿真，結(jié)果如圖7所示。

圖7　兩種運行方式下潮流結(jié)果

對于上述的系統(tǒng)模型，分別從最理想情況(滿載)和最不理想情況(空載)的運行情況下對系統(tǒng)的運行性能進(jìn)行分析，將仿真結(jié)果在表3中進(jìn)行展示。

分析表3可以看出，系統(tǒng)的最大有功損耗為風(fēng)機滿載時，此時有功損耗為11 MW。

2.4.2直流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)損耗計算

對于采用直流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)的海上風(fēng)電場，其內(nèi)部既具有傳統(tǒng)設(shè)備又具有功率電力電子變換器，其損耗計算比較困難，因此，對直流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)的損耗只能進(jìn)行粗略估計。直流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)的損耗主要是電纜部分的損耗和變換器的損耗。對于采用直流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)的海上風(fēng)電場，500 MW功率流過正負(fù)300 kV的直流電纜時，會引起功率損耗，功率通過正負(fù)300 kV的電纜輸送，因此損耗加倍。文中采用的直流電纜的單位長度電阻為0.059 Ω，因此對于長度為80 km的直流電纜來說，直流電纜的損耗為7.86 MW。基于電壓源變換器高壓直流輸電主要損耗來自開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。變換器損耗大約為額定功率的1.6%，變換器損耗為16 MW。綜合直流電纜損耗與換流器損耗，直流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)的總損耗為23.86 MW。

2.4.3兩種并網(wǎng)結(jié)構(gòu)損耗比較

由于直流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)的換流器損耗只能粗略估計，因此，交流并網(wǎng)與直流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)的損耗只能定性比較，在文中所選輸電距離下，直流并網(wǎng)損耗大于交流并網(wǎng)損耗。圖7(a)展示了交流集電系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)的損耗，潮流計算結(jié)果顯示，集電系統(tǒng)損耗很小，交流電纜損耗占大部分；而直流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)的主要損耗是換流器損耗，在粗略估算時，其不會隨著輸電距離變化。因此當(dāng)輸送電量不變、輸電距離增大到某一值時，交流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)的損耗將大于直流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

3　結(jié)　　論

本文對比分析了海上風(fēng)電場的交流并網(wǎng)以及直流并網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其優(yōu)缺點，當(dāng)電場距離海上較近時，應(yīng)采用交流并網(wǎng)；當(dāng)電場距離海上較遠(yuǎn)時，應(yīng)采用直流并網(wǎng)。利用一個500 MW的海上風(fēng)電場算例，對交流并網(wǎng)和直流并網(wǎng)的成本和損耗進(jìn)行了分析。經(jīng)過計算分析，當(dāng)輸電距離小于56 km時，交流并網(wǎng)的成本小于直流并網(wǎng)；當(dāng)輸電距離大于56 km時，交流并網(wǎng)的成本大于直流并網(wǎng)。隨著輸電距離的增長，當(dāng)輸電距離達(dá)到某一值時，交流并網(wǎng)的損耗將大于直流并網(wǎng)。因此，交流并網(wǎng)適用于近海電場，直流并網(wǎng)適用于遠(yuǎn)海電場。

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Research of Integration Schemes of Offshore Windfarm

ZHUANG Ming-zhen

(Electrical Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Wind energy，as a kind of renewable and clean energy，is expected to be the substitute of the traditional energies，offshore windfarm has been a trend.In the article，the integration scheme of windfarm is discussed，different topologic scheme of AC and DC integration is compared.According to comparison，when the distance is short，AC integration is better；while the distance is long，DC integration is prior.For a offshore windfarm with a capacity of 500MW，the costs and losses of the two integrations are compared，drawing the conclusion that AC integration is better for locate offshore windfarm and DC integration is better for offshore windfarm.

Offshore wind power；AC interconnection；DC interconnection；Investment；Losses

2015-11-19.

國家自然科學(xué)基金(51261130471)

莊明振(1989-)，女，山東省聊城市人，東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院在讀碩士研究生，主要研究方向：柔性直流輸電.

1005-2992(2016)04-0019-07

TM733

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