海上风电场并网方案研究

庄明振

(东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012)



海上风电场并网方案研究

庄明振

(东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012)

风能作为一种可再生的清洁能源，有望成为传统能源的替代品，海上风电成为未来风电发展的趋势。针对海上风电场的并网方案进行研究，分析了交流并网方案和直流并网方案的拓扑结构。对比两种方案，当输电距离较短时，采用交流并网更优；输电距离较长时，采用直流并网更优。以一个500 MW风电场为例，从对比分析两种并网方案的投资成本和损耗出发，验证了交流并网更适用于近海电场、直流并网更适用于远海电场的结论。

海上风电场；交流并网；直流并网；投资；损耗

近年全球电力能源消费在持续增长，而由于过度利用化石能源造成的环境问题促使人们将注意力更多的转向清洁能源，风电由于其可再生、无污染、能量大、前景广等优点，成为世界范围内发展速度最快的新能源[1-3]。2013年，全球累计风电装机容量达到3.2GW，24个国家的风电装机容量超过1GW，风电作为应用规模最大的可再生绿色能源发电技术，已经引起了世界各国的高度关注。风电能源开发主要集中在陆上，而陆地风能利用受到了诸如噪声污染、占地面积大等限制[4-5]。相比之下，海上风电场具有高风速、低风切变、低湍流、高产出等优点，成为未来满足电力需求的一个重要来源[6-8]。目前，我国正在大力推进海上风电发展，2014年-2016年全国海上风电开发建设项目总规模为1027.77万千瓦，预计2020年海上风电将达到3000万千瓦[9]。

本文首先对海上风电场的交流并网与直流并网方案进行了对比分析研究，然后利用一个500MW海上风电场的算例，对其采用高压交流并网和高压直流并网时的投资成本与损耗进行了分析，验证了交流并网适于近海电场、直流并网适于远海电场。

1　海上风电场并网方案

目前，大部分的海上风电场规模都很小并且连接简单，通常依据现存的陆上风电场安装准则进行规划。但是，随着未来海上风电场容量等级提高，海上风电场的损耗、成本、稳定性主要依赖海上风电场的电气系统设计，因此未来海上风电场并网系统的设计就变得极为重要[10]。海上风电场有三种并网方案，交流交流并网、交流直流并网、直流直流并网。这三种并网方案的拓扑结构如图1所示。

图1　海上风电场并网方案

从图1可以看出，海上风电场由集电系统部分和输电系统部分组成。图1(a)的交流交流并网模式和图1(b)的交流直流并网模式在输电系统部分有区别，交流交流模式采用高压交流输电，交流直流模式采用高压直流输电。图1(c)为直流直流并网模式，其与交流交流模式和交流直流模式相比，集电系统部分收集的功率为直流功率，输电系统采用高压直流输电。目前风机的额定电压与额定容量不够大，将风机集中在一起可以增加功率输出，使得风电场占地面积尽可能小，因此，这三种模式均是先将风机集中在一起，然后进行升压或变流。由于交流直流并网模式和直流直流并网模式均是采用高压直流电缆输电，因此，在文中将这两种并网方案统称为直流并网方案，将交流交流并网方案称为交流并网方案。

1.1交流并网方案

风电场的集电系统功率输出有交流和直流之分，交流并网模式的风电场集电系统输出交流功率，输电系统采用高压交流输电，其系统结构简单，且变压器设备的成本低。对于交流并网方案来说，由于输电系统均是采用高压交流电缆输电，因此不同并网模式的区别在于其集电系统的不同。风电场的交流并网方案有辐射型、辐射环形和星型并网方案，分别如图2的(a)、(b)、(c)所示。

图2　交流并网方案

图2(a)为辐射型交流并网模式，是最直接的集电系统布置，该设计中风机先通过各自的电缆连接到一条公用母线上，组成一个风机串，然后几串风机共同连接到一个公共母线上，该母线连接到平台上。每串允许连接的风机最大数量值取决于发电机容量以及该串电缆的额定容量。该设计的优点是电缆长度更短，因此控制简单，价格便宜；该设计的主要缺点是当电缆或母线处的开关有故障时，所有下游风机不能输出功率，整个系统的稳定性降低。

图2(b)为辐射环形交流并网模式，与辐射型相比，由于多了一条通路，构成了环状结构。辐射型环网模式，在故障情况下具有更好的可靠性。某串风机有故障时，该串所有风机的功率都需要从这条冗余支路通过，因此该冗余支路电缆的容量应足够大，该系统的控制系统也就随着风机与冗余开关的数目增多而变得更为复杂。

图2(c)为星型交流并网模式，该设计主要是为了降低电缆额定容量以及为风电场提供一个更高的安全等级，并且风机之间的电压管理更为合理。在该系统中，风机通过各自的电缆连接到一个公共点，然后通过电缆将诸多公共点连接到一个公共母线。该模式与辐射型模式是不同的，因为辐射型模式主电缆中的电流值随着向母线方向靠近，电流增大，而星型模式主电缆中的电流值等于所有风机电流值之和。

1.2直流并网方案

由于现代电力电子器件的蓬勃发展，直流电网开始用于大功率领域，尤其是直流电网用于海上风电场正在成为当前的一个趋势。传统的风电场采用交流系统实现配电，现在可以用直流系统代替交流系统。对于直流电网来说，升压是很重要的一步，因此不同电压等级的数量和直流换流器的位置是直流电网设计中的一个重要方面。根据直流换流器的位置不同，可以有3种直流并网模式：两级升压模式、簇升压模式、风机升压模式，如图3所示。

图3　直流并网模式

图3(a)为两级升压模式，直流换流器可以看成一个黑箱，该模式中使用两个直流换流器，风机之后利用直流换流器直接升压，将电压升高到中压水平，之后功率集中后进行第二次升压，将电压升高到传输水平。该拓扑的优点是：在风机后直接升压，可以在配电水平降低电缆损耗，电压可以独立控制；缺点是需要额外的直流换流器，增加了额外的损耗和成本投资。

图3(b)为簇升压模式，与两级升压的拓扑很相似，首先集中功率，然后使用一个大功率直流换流器将电压升高到传输水平。该拓扑的优点是：换流器的数量最少，大型直流换流器的效率更高；缺点是仅仅用到了两个电压等级，配电水平极大地依靠发电机电压。

图3(c)为风机升压模式，该模式仅仅在风机之后使用一个直流换流器进行升压，其优点是仅仅用到了两个电压等级，配电等级损耗减少；缺点是直流换流器的输出逆变器需要设计为低功率，从而导致换流器效率降低。

1.3交流并网方案与直流并网方案比较

交流并网方案的工程造价较低，结构简单，随着海上风电场输电距离越来越远，海底电缆的长度逐渐增长，由于交流电缆的电容比较高，有功载流量降低，系统需要承受更高的电压和更大的充电功率，从而需要更多大容量的无功补偿装置，这使得交流组网结构运行更加困难且投资更多，因此只适合于小规模近海风电场。

直流并网方案的输电部分可以采用基于线换流器的高压直流输电和基于电压源换流器的高压直流输电。目前，线换流器的损耗约占0.7%，电压源换流器的损耗约占1.6%，在近距离输电时，损耗比采用交流并网要大得多；在远距离输电时，由于直流电缆的投资及损耗要小于交流电缆及其补偿装置，因此直流并网更有优势。

2　算例验证

为了比较交流并网与直流并网的优劣，该部分利用算例从投资成本和损耗两方面对这两种并网方案进行比较。交流并网与直流并网分别介绍了三种结构，在此仅选择具有代表性且易于控制实现的辐射型交流并网与风机升压模式进行比较分析。

图4　高压交流输电系统结构

2.1交流并网算例

目前，海上风电机组的机端电压大都采用690 V，为了减少风电场内部电能传输损耗，通常在风机出口安装变压器升高电压等级；考虑到设备成本以及传输损耗等因素，认为30 kV-36 kV是交流电气系统中风机之间连接的最佳电压等级[11]，本文采用35 kV；当风电场规模较大、离岸距离较远时，需要采用海上变电站将电压等级升高，然后经高压输电线路连接至陆上并网点。文中计算采用的海上风电场交流辐射型并网算例拓扑如图4所示。

在图4的交流并网结构中，首先，风机塔内的变压器将5 MW风机机端电压从690 V升高到35 kV后，变压器的高压侧接到一条公用电缆上组成一个风机“串”，每“串”由10个风机-变压器的组合并联而成；然后，5条这样的风机“串”为一组，500 MW的海上风电场一共有两组风机这样的“串”，每组风机“串”的装机容量为250 MW；接着，由安装在交流海上平台的变压器将电压升高到220 kV；最后，通过高压交流电缆将功率输送到陆上电网。

2.2直流并网算例

海上风电场的直流并网结构由直流集电系统和基于电压源换流器的高压直流输电系统组成，文中计算所采用的是直流并网结构中的交流-直流并网结构。基于风机侧电缆可以承受的直流电缆电流、载流量和高压等级，对于690V风机机端电压用两种等级进行变换[12]：第一级，将690 V电压变换成正负5 kV电压；第二级，由直流直流变换器将正负5 kV电压升高为正负25 kV电压；在某些实际的工程中，海下直流电缆可以承受正负300 kV的电压，但是由于直流海上平台不能实现直接将35 kV交流电压变换为正负300 kV直流电压，因此选择220 kV交流电压作为中间电压，如图5所示。

图5　高压直流输电系统结构

根据图5，在直流并网结构中，首先，由AC/DC换流器将690 V交流电转化为正负5 kV直流电，再由DC/DC换流器将正负5kV直流电转化为正负25 kV直流电；然后，由DC/AC换流器将正负25 kV直流电转化为35 kV交流电；接着，与交流并网结构一致，直流并网结构也分为两组，每组风机“串”由变压器将35 kV电压升为220 kV中压水平；最后，两组风机“串”共同通过AC/DC换流器将220 kV交流电转化为正负300 kV高压直流，由高压直流电缆进行输送。

2.3两种并网结构投资成本比较

2.3.1交流并网投资成本

为了计算交流并网方案的投资成本，将各设备的主要投资表示在表1中。

表1　交流并网结构各设备主要投资

针对表1给出的各个设备参数，该交流并网结构的成本为

WAC=75.9+1.747×2LAC，

(1)

式中：WAC为交流并网的总投资，LAC为高压交流输电电缆的长度。

2.3.2直流并网投资成本

文中直流并网结构所采用的各个设备及其参数见表2。

表2　直流并网结构各设备主要投资

基于表2所采用的设备，直流并网结构的投资总成本为

WDC=225.26+0.8455LDC，

(2)

式中：WDC为直流并网结构总投资，LDC为直流输电电缆的长度。

2.3.3两种并网结构投资成本比较

通过上文对交流并网结构和直流并网结构的成本分析，可以看出在并网结构拓扑关系以及采用设备确定的条件下，两种并网结构的成本仅仅是输电距离的函数。虽然直流并网结构中直流电缆的单位长度成本较低，但是由于直流海上平台的数量比交流海上平台多以及直流并网结构增加了变换器投资等原因，使得在某些输电距离下，采用交流并网结构成本低，而在某些输电距离时，采用直流并网结构具有明显的优势。

公式(1)和公式(2)分别表示该500MW海上风电场采用交流并网和直流并网的成本，在此，将两种并网结构的投资成本与输电距离的关系在图6中进行了展示。

图6　投资成本与输电距离图

观察图6可以看出，在输电距离大约为56 km时，采用交流并网结构和直流并网结构的并网系统总投资成本大致相等；在输电距离小于56 km时，采用交流并网结构成本较低，在输电距离大于56 km时，采用直流并网结构成本较低。

2.4不同并网结构拓扑损耗分析

2.4.1交流并网结构损耗

为了进行潮流计算，将图4一“串”中的10台风机设置为1-10号节点，各台风机都设为PQ节点；风机串之间交流电缆的长度设为1 km；高压交流输电线电缆长度设为80 km，输电线路采用两条交流电缆，每条交流电缆采用三段π型支路等效，因此每段的电缆长度为26.7 km；整个系统在运行时末端入网电压设为400 kV。利用PSAT软件包进行潮流仿真，结果如图7所示。

图7　两种运行方式下潮流结果

对于上述的系统模型，分别从最理想情况(满载)和最不理想情况(空载)的运行情况下对系统的运行性能进行分析，将仿真结果在表3中进行展示。

分析表3可以看出，系统的最大有功损耗为风机满载时，此时有功损耗为11 MW。

2.4.2直流并网结构损耗计算

对于采用直流并网结构的海上风电场，其内部既具有传统设备又具有功率电力电子变换器，其损耗计算比较困难，因此，对直流并网结构的损耗只能进行粗略估计。直流并网结构的损耗主要是电缆部分的损耗和变换器的损耗。对于采用直流并网结构的海上风电场，500 MW功率流过正负300 kV的直流电缆时，会引起功率损耗，功率通过正负300 kV的电缆输送，因此损耗加倍。文中采用的直流电缆的单位长度电阻为0.059 Ω，因此对于长度为80 km的直流电缆来说，直流电缆的损耗为7.86 MW。基于电压源变换器高压直流输电主要损耗来自开关损耗和导通损耗。变换器损耗大约为额定功率的1.6%，变换器损耗为16 MW。综合直流电缆损耗与换流器损耗，直流并网结构的总损耗为23.86 MW。

2.4.3两种并网结构损耗比较

由于直流并网结构的换流器损耗只能粗略估计，因此，交流并网与直流并网结构的损耗只能定性比较，在文中所选输电距离下，直流并网损耗大于交流并网损耗。图7(a)展示了交流集电系统和输电系统的损耗，潮流计算结果显示，集电系统损耗很小，交流电缆损耗占大部分；而直流并网结构的主要损耗是换流器损耗，在粗略估算时，其不会随着输电距离变化。因此当输送电量不变、输电距离增大到某一值时，交流并网结构的损耗将大于直流并网结构。

3　结　　论

本文对比分析了海上风电场的交流并网以及直流并网的拓扑结构及其优缺点，当电场距离海上较近时，应采用交流并网；当电场距离海上较远时，应采用直流并网。利用一个500 MW的海上风电场算例，对交流并网和直流并网的成本和损耗进行了分析。经过计算分析，当输电距离小于56 km时，交流并网的成本小于直流并网；当输电距离大于56 km时，交流并网的成本大于直流并网。随着输电距离的增长，当输电距离达到某一值时，交流并网的损耗将大于直流并网。因此，交流并网适用于近海电场，直流并网适用于远海电场。

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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.

国家自然科学基金(51261130471)

庄明振(1989-)，女，山东省聊城市人，东北电力大学电气工程学院在读硕士研究生，主要研究方向：柔性直流输电.

1005-2992(2016)04-0019-07

TM733

A