程 強，李 昱，孫高龍，俞 雷，張欣成

（中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴陽 550000）

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，海上風電開發(fā)及輸送成本逐漸降低，海上風電技術(shù)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(fā)量約為7500 GW，遠高于陸地風能資源，開發(fā)潛力巨大[3]。海上風速穩(wěn)定，開發(fā)海上風電不占用土地資源，不產(chǎn)生有害物質(zhì)，因此，對海上風電并網(wǎng)方式進行研究，對于提高海上風電利用率和保護生態(tài)環(huán)境具有重要意義[4]。

海上風電并網(wǎng)分為交流和直流兩種，它們分別具有不同的優(yōu)勢和特點，專家學(xué)者們?yōu)榇碎_展了大量研究。文獻[5]對海上風電并網(wǎng)方式進行了研究，重點對柔性直流輸電并網(wǎng)的經(jīng)濟性進行了分析。文獻[6]對海上風電匯集方式及并網(wǎng)方案進行了優(yōu)化，建立了海上風電并網(wǎng)經(jīng)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(yōu)并網(wǎng)方案。文獻[7]提出了一種適合大容量、遠距離海上風電并網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)方式優(yōu)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(wǎng)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(yōu)劣，并進行了對比分析，對HVAC和HVDC的應(yīng)用場景進行了總結(jié)，最后通過方案比較確定了VSC‐HVDC的最優(yōu)并網(wǎng)方案。

1 DC grid并網(wǎng)方式

海上風電直流系統(tǒng)（DC grid）是一種海上風電并網(wǎng)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(jīng)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(jīng)逆變器逆變成交流后并網(wǎng)。DC grid的特點是減小了海上變壓器的質(zhì)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(jié)構(gòu)共有下列三種[10]：

（1）三級變流系統(tǒng)，其拓撲結(jié)構(gòu)由兩級DC/DC變換器構(gòu)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(jīng)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(jīng)過第2級DC/DC變流站升壓后進行傳輸。該種拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)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(tǒng)帶變流站，其拓撲結(jié)構(gòu)與DC grid三級變流系統(tǒng)較為相似，但缺少風機后的DC/DC變換器，風機發(fā)出的電能經(jīng)整流后直接傳輸至母線，母線輸出的電壓經(jīng)大容量變流器直接升壓至輸送電壓水平。這種拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是DC/DC變換器數(shù)量較少，經(jīng)濟性較高，但系統(tǒng)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(tǒng)無變流站，該拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是風機輸出的電壓經(jīng)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(jié)構(gòu)的優(yōu)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(tǒng)，三級變流系統(tǒng)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(tǒng)，兩級交流系統(tǒng)更節(jié)約成本；而無變流站的比有變流站的可靠性更高。

2 HVAC并網(wǎng)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(fā)出的電能經(jīng)過升壓后匯流至母線變成恒頻恒壓的交流電，經(jīng)海底電纜輸送至陸地變電站。

HVAC屬于傳統(tǒng)輸電方案，也是目前應(yīng)用最廣泛的輸電方式。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、便于維護且成本較低；缺點是交流電纜存在電容效應(yīng)，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(guān)，因此HVAC適用于輸電距離較近的小規(guī)模海上風電場。大規(guī)模需要遠距離輸電的海上風電場采用HVAC并網(wǎng)技術(shù)會存在下列問題：

（1）海上風電系統(tǒng)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(chǎn)生大量容性無功功率，增加系統(tǒng)損耗，這也是高壓交流輸電不適合遠距離傳輸?shù)囊粋€主要原因；

（3）海上風電采用交流輸電方式時，一旦出現(xiàn)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(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

3 HVDC并網(wǎng)方式

高壓直流輸電（HVDC）是將風機發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)化為高壓直流電進行輸送，將海上風電傳輸至大電網(wǎng)。目前應(yīng)用較多的HVDC海上風電并網(wǎng)技術(shù)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(wǎng)方式

基于LCC‐HVDC的海上風電系統(tǒng)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(wǎng)方式的優(yōu)點是可以允許海上風電場與陸地電力系統(tǒng)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(shè)運行成本。LCC‐HVDC并網(wǎng)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(wǎng)方式

VSC‐HVDC并網(wǎng)方式采用絕緣柵雙極晶體管IGBT、IGCT等新型電子器件構(gòu)成，利用脈沖調(diào)制技術(shù)對海上風電的電壓幅值和相角進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)交流側(cè)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(wěn)輸送[15]。

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

表1對HVAC、LCC‐HVDC和VSC‐HVDC 3種并網(wǎng)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(shù)據(jù)可知，HVAC并網(wǎng)方式適合輸電距離較短的小型海上風電場，LCC‐HVDC并網(wǎng)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(wǎng)方式適用于輸電距離較長且裝機規(guī)模小于380 MW的海上風電場，另外考慮到VSC‐HVDC容易并聯(lián)拓展，因此目前全球范圍內(nèi)的海上風電場大多采用VSC‐HVDC并網(wǎng)方式。

表1 3種并網(wǎng)方式比較

4 海上風電VSC‐HVDC并網(wǎng)方案分析

根據(jù)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(wǎng)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(fā)出的交流電經(jīng)升壓變壓器升壓后再經(jīng)過VSC整流變成直流電，通過海底電纜輸送至直流升壓站，經(jīng)DC/DC變換器將電壓升至±150 kV，再經(jīng)海底電纜輸送至陸上換流站，經(jīng)VSC逆變?yōu)榻涣麟姾蟛⒕W(wǎng)。

圖1 方案一接線圖

方案一的優(yōu)點是利用VSC獨立控制每臺風機，便于調(diào)節(jié)風機輸出功率及輸出電壓的頻率。其缺點在于電氣接線復(fù)雜，大量使用VSC設(shè)備，增加了海上風電發(fā)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(lián)，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(yōu)點，并節(jié)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(lián)使系統(tǒng)接線變得更加復(fù)雜。

（3）方案三

方案三接線如圖3所示，所有風機發(fā)出的交流電經(jīng)升壓變壓器升壓后直接匯流至交流母線，經(jīng)海上換流站內(nèi)VSC整流為±150 kV直流電，經(jīng)海底電纜傳輸至陸地換流站，經(jīng)VSC逆變?yōu)榻涣麟姾蟛⒕W(wǎng)。

圖3 方案三接線圖

相比方案一和方案二，方案三的優(yōu)點非常明顯，它具有簡單清晰的接線方式和較低的建設(shè)投資成本，由于VSC設(shè)備數(shù)量較少，后期維護成本會低很多。但由于整個系統(tǒng)中的風機均由一個VSC控制，系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)節(jié)能力較差，風機發(fā)電效率相對較低。

綜上所述，對于規(guī)模較小且風速不穩(wěn)定的海上風電場，應(yīng)優(yōu)先選擇方案一和方案二的并網(wǎng)方案，而規(guī)模較大且風速相對穩(wěn)定的海上風電場優(yōu)先考慮方案三的并網(wǎng)方案。

5 結(jié)論

對海上風電并網(wǎng)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(yōu)劣，并進行了對比分析，對HVAC和HVDC的應(yīng)用場景進行了總結(jié)，HVAC并網(wǎng)方式適合輸電距離較短的小型海上風電場，LCC‐HVDC并網(wǎng)方式適合裝機容量大于380 MW的大型海上風電場，VSC‐HVDC并網(wǎng)方式適用于輸電距離較長且裝機規(guī)模小于380 MW的海上風電場，另外考慮到風電場的并聯(lián)拓展，VSC‐HVDC的應(yīng)用范圍最廣。