海上风电集群电能组合输送方式研究

徐进，金逸，胡从川，熊春伟，张广洲，李小春

（1.鲁能新能源有限公司，北京 100020；2.国网江苏省电力公司，江苏南京 210000；3.鲁能集团有限公司，北京 100020；4.国网电力科学研究院，湖北武汉 430074；5.武汉大学电气工程学院，湖北武汉 430072）

海上风电集群电能组合输送方式研究

徐进1，金逸2，胡从川3，熊春伟1，张广洲4，李小春5

（1.鲁能新能源有限公司，北京 100020；2.国网江苏省电力公司，江苏南京 210000；3.鲁能集团有限公司，北京 100020；4.国网电力科学研究院，湖北武汉 430074；5.武汉大学电气工程学院，湖北武汉 430072）

江苏如东大规模海上风电场建设工程包括9个潮间带，各风电场分散布局，采用单一的输电方式不仅输电效率低，工程建设资金较高，而且海底电缆对海域资源的占用和施工期对海域环境的影响较大。文中依托江苏如东大规模海上风电场建设工程，研究分散布局的大规模海上风电场集群电能最优输送方式，深入研究了不同输电方式的特性及适用范围，提出了适合分散布局、离岸距离差距较大的大规模海上风电场的电能输送优化方案，并详细仿真研究了电能输送优化方案中的无功配置及过电压水平，提出了在海缆末端并联补偿度为60%～70%的电抗器，能够有效限制工频过电压；限制操作过电压的策略需要根据海上风电场的具体布置具体设计。

海上风电；组合电能输送；无功配置；组网方式；过电压

随着能源在全球范围内越来越受到重视，低碳环保型清洁能源成为政府及学者们的关注对象，海上风电作为可再生能源，不仅没有碳排放污染，而且因为远离人民生活区域，可以实现大规模开发而不考虑占用有限土地资源的问题[1-2]，成为沿海地区风力资源未来的重要支柱。

海上风电相对陆上风电因为远离海岸线而大大降低了噪声及视觉污染，同时海上风速不仅比陆上高，而且更加均衡，具有稳定的主导风向，对风机的要求可相对降低。我国拥有超过一万八千公里的海岸线，占据着丰富的海上风能资源，尤其是江苏地区，沿海海域风能资源丰富，外部运输条件好，开发条件相对优越；同时地处“长三角”负荷中心，电网架构稳固，风电并网条件较好；沿海地区海域广阔，海底地形平坦，规划风电场容量较大，适合建设千万千瓦级风电基地。

江苏沿海大多风电场距岸较远，为40～80 km，规模集中，规划风电场以百万基地的形式，由不同开发商投资建设，接入系统投资高，由于岸线资源和海洋资源有限，因此，海洋和能源主管部门认为海底电缆通道、升压站和登陆点应统筹考虑公共送出，减少海底电缆对海域资源的占用及施工期对海域境况的影响。按照江苏省海上风电规划，如东和大丰地区海上风电公共送出通道规划已开展，对于这些大型海上风电基地，各风电场往往分散布局，海上风电功率波动大[3]，因此迫切需要建立一个运行及控制灵活，输电效率高的海上风电输电网络，以实现海上风电的有效汇集与送出。

1 电能输送方案及电压等级

如东H1号、如东H2号、如东H3号、如东H4号、如东H5号、如东H6号、如东H7号、如东H8号、如东H10号等9个潮间带及近海风电场规划装机总容量2 700 MW，且离岸距离40～80 km不等，海上风电基地投资主体多，单独建设接入系统投入高，用海面积大，集中送出可有效降低成本，符合集约发展原则。如东地区大规模海上风电场集群接入到主网的汇集方式，必须考虑到9个潮间带及近海风电场的规划装机容量、离岸距离等因素，以及高压交流和柔性高压直流接入方式的适用条件，并需要对可能的汇集方式进行技术经济性分析比较，综合选取最佳输送方式。

海上风电的电能输送方式主要有高压交流输电（high voltage alternating current，HVAC）、基于晶闸管换流器的直流输电（high voltage direct current，HVDC）和基于电压源变频器的柔性直流输电（voltage source converter-high voltage direct current，VSCHVDC），但不同的输电方式具有各自的适用范围及优缺点，具体的海上风电工程应结合实际合理选择电能输送方式。高压交流输电属于目前技术较为成熟的电能输送方式，始于20世纪50年代，由风电机组发出电能，经过海上集电站升压后由海底电缆输送至岸上变电站，最终接入地方电网。经过长时间的发展，高压交流海底电缆输送方式技术成熟、结构简单、且成本较低，同时也存在一些问题：交流电缆具有的较大分布电容会在输电系统中产生相当大的电容充电电流，不仅需要装设大量无功补偿装置，而且限制了传输距离，大大降低了交流电缆传输有功功率的能力，虽然有学者研究表明一定程度上降低输电频率能够增加输送距离，但高压交流海底电缆输送方式仍然无法适用于长距离的电能输送[4]，因此综合考虑交流海底电缆输送方式的技术与经济性。由此得出一般性结论：高压交流电能输送方式适合于规模较小、容量较低和输送距离较短的近海风电场。

HVDC系统结构要比HVAC系统复杂，包含变压器、滤波装置、换流站、直流传输电缆、静止无功补偿装置和控制系统等设备。传统直流输电方式也经过长足的发展，目前技术成熟，并适宜于大功率远距离传输，但也暴露出了一些问题：为保证晶闸管换流器工作时可靠换相，要求与之联系的交流电网提供换相电流并保证充足容量，否则将导致换相失败；换相过程中要求换流站提供大量无功，因此需要装设很多的无功补偿装置和滤波设备，占用大量空间，在海上换流站建设时不仅大大增加施工的难度而且大量增加成本[5]，所以传统基于晶闸管的高压直流输电方式用于海上风电电能输送容易得不偿失，多见于陆上风电电能输送。

VSC-HVDC在我国被称为柔性直流输电，1990年由加拿大学者提出，通过设计控制系统对构成电压源换流器的IGBT进行控制，改变输出电压的幅值和相位，进而控制有功与无功，最终实现功率平稳输送。VSC-HVDC技术的出现，解决了很多之前输电技术的瓶颈问题，尤其适用于海上风电场的远距离电能输送。这种电能输送方式不存在换相失败问题，且能够灵活控制传输的有功与无功功率；模块化的设计使得其移动、拓展方便，可实现多端直流输电；输送不受距离控制，用于大规模远距离分布式海上风电场的集群电能输送具有极大的优势[6]。柔性直流输电方式造价昂贵，尤其是换流站的建设，相比高压交流输电换流站高出数倍，研究表明随着输送容量及输送距离的增加，VSC-HVDC输电方式的平均造价会逐渐与高压交流方式持平，甚至更低。

如东H1号、如东H2号、如东H3号等3个风电场的离岸距离大致在50 km，属于近海区域，按照前文对几种不同输电方式特点的分析，宜选择高压交流海底电缆输送方式，电压等级则选择220 kV，以1回线接入电网，在如东风电场附近建设220 kV升压站，把风电机组输出的电能升压至交流220 kV，以1回线交流海底电缆送出，在陆上登陆点因地制宜采用220 kV架空线接入电网经济性最优，且能够满足技术要求。对离岸距离较远的如东H4号、如东H5号、如东H6号、如东H7号、如东H8号、如东H10号6个风电场分别集中为900 MW等级的风力发电容量，按2回高压柔性直流方式打捆送出，电压等级可选择为320 kV。本文针对如东大规模海上风电场的特点，提出高压交流海底电缆输送和柔性直流输送的组合输送方式，能够在保证输送容量技术要求的同时，最大限度地减少项目建设成本。

2 高压交流输送方式的无功配置和过电压限制

2.1 无功配置

为解决高压交流海底电缆输送方式存在的充电电容电流及由于风力发电的波动性、间歇性导致的电能质量问题，针对如东1号、2号、3号风电场220 kV交流海底电缆电能输送系统，从风电场内部35 kV电压层和送出输电系统220 kV电压层2个层面对系统进行无功补偿，装设合适的无功补偿装置，保持分层分区的无功平衡，并以1号风电场为例介绍具体的配置计算。

按照如东风电场的规划，单个风电场的装机容量为300 MW，1号风电场距离海岸约50 km，按照本文输电方案，1号风电场通过220 kV电压等级接入电网。分别计算能够保持风电场内部35 kV层无功平衡时的风机初始运行功率因数、考虑交流侧220 kV层无功平衡工频过电压时的高抗容量及风电场的动态补偿容量，计算结果如表1所示。

表1 1号风电场无功平衡计算结果表Tab.1 Reactive power balance calculation results in 1#wind farm

计算结果可以看出，将风机的初始运行功率因素设置为0.98就能够确保风电场35 kV电压等级上的无功平衡；表1中不同容量高抗补偿的计算是在风电场百分百出力的运行场景下进行的，计算结果表明，装设130 MV·A高压并联电抗器能够达到输电系统220 kV层的无功平衡，同时可以限制工频过电压；从对动态无功补偿容量进行计算之后得到的结果可以看出，当风机功率因数满足连续可调的条件时，1号风电场35 kV母线侧若想达到无功平衡，则要装设动态无功补偿装置感性容量在60 MV·A以内。

2.2 HVAC系统过电压

海上风电场产生的电能都需要长距离的海底电缆线路进行传输，同时配备一定的无功补偿装置。那么海上风电场的运行方式产生改变、断路器一旦动作或系统出现故障时，风电场和接入系统相应的电气参数也会随之发生改变，从而可能导致工频过电压和操作过电压，这就需要在过电压产生之前采取相应预防措施。本文利用ATP/EMTP以如东1号风电场为模型建立220 kV海上风电交流输电系统等效模型，改变系统运行方式或设置不同的故障类型和不同位置，仿真计算相应场景下的过电压水平，并组建对应抑制措施及绝缘保护方案。

HVAC输电系统海上风电产生的内部过电压按原因分类可归为2类：因为开关操作或事故状态导致的操作过电压和因为系统参数设置不当导致的工频过电压，操作过电压是暂态的，而工频过电压则具备稳态特性，会持续存在[7-8]。主要对海缆的长线电容效应、不对称接地和海上风电场运行方式改变仿真计算工频过电压，对开空变、切空线、合空线等故障类型计算操作过电压，采用J.Marti模型建立海底电缆，选用SCCF-YJQF41型35 kV海底电缆作为集电海缆，HYJQ41-F127/220型光纤复合海底电缆为输电海缆。计算结果如表2所示，因为系统内部状态变化决定了内部过电压的大小，所以过电压在数值上表现出与系统的额定电压的一定比例关系，由此本文采用过电压倍数表征过电压幅值的大小。

表2 不同故障类型下过电压水平Tab.2 Over-voltage level under different fault tapes

表2的计算结果可以看出，工频过电压以不对称短路最严重，但通过在海缆末端并联电抗器可以有效抑制过电压在安全范围内，补偿度的选择由输电线路充电功率所决定，为后者的60%～70%；操作过电压虽然属于暂态性变量，但幅值较大，尤其是操作空载变压器时，最大过电压幅值达到5.81 pu，限制的手段主要采用具有更好灭弧性能的断路器、带并联电阻的断路器、装设氧化锌避雷器等，并联高压电抗器对抑制操作过电压也有效果，根据仿真计算结果，采取相应措施后能够将操作过电压限制在安全范围。

3 柔性直流输送方式的组网方式和过电压限制

3.1 组网方式

将如东H4号、如东H5号、如东H6号、如东H7号、如东H8号、如东H10号6个风电场分别集中为900 MW等级的风力发电容量，按2回高压柔性直流方式打捆送出，因此有必要研究多风电场联合送出的组网拓扑方案。

采用直流输电系统传输电能就决定了系统内部电能的形式不再是传统交流电，其组网方式也必将发生改变。直流组网结构形式灵活多样，其实现的功能是统一的，风电机组输出的电能经过整流站整流升压后，通过直流电缆输送至换流站，再经过换流站逆变为与接入电网同频率的交流电，实现电能输送[9]。

根据直流组网结构的输入输出特性将其分为集中型拓扑结构、分组型拓扑结构和直流母线型拓扑结构。所谓集中型拓扑结构是将风电场内所有机组输出电能经过交流母线统一接入换流站，再通过整流处理之后经由直流电缆传输到交流侧换流站，通过逆变装置输送至电网。特点是风电场内的所有机组具有相同的转速和频率（机组分群时可有多个转速），建设一对换流站对直流和交流之间进行转换处理可以明显减少项目在建设费用上的投资，然而这种方式降低了风电场对风能的利用率，同时在风电场的后续发展和建设中存在阻碍作用，并不适合大型风电场接入电网。分组型拓扑结构是相对集中型拓扑结构的升级版，通过将风电场机组分群，各机组群通过独立的柔性直流输电系统接入电网，相当于多个集中型拓扑结构输电系统并联传输电能，虽然能够有效提高风电场的风能捕获率，但同时极大增加了项目建设成本。直流母线型拓扑结构组网方式综合了前2种结构的优点，采用各机组群的输出电能各自经过换流站整流后传输到公共直流母线上，再因地制宜选择合适个数的直流电缆传输至电网侧换流站逆变后接入电网。上述多端口拓扑结构对于电网互相连通十分有利，同时使风电机组处于高效运行状态，利于风电场进一步的发展和建设，在成本上的投资高于集中型但优于分组型。因控制系统更为复杂，且对电网侧换流站要求更高，因此为大规模风电场并网提供了更大的灵活性和可调节性。

分组型组网方案要求敷设多条直流线路，故不在考虑范围内。集中型组网方案因为其结构简单的优点在已有或新建的并网容量确定的风电场得到广泛的推广和应用，风电接入电网的容量决定了DC系统的拓扑结构的选择，然而不能促进风电场之后的发展和建设，并会导致接入系统的全部风电场运行的速度和频率一致，也不利于风力的出力控制。考虑到如东各个海上风电场的投资方不同，建成时间先后有别，因此考虑采用直流母线型组网方案，这种连接方式既可以满足不同风电场运行在不同的频率下，利于风能捕获的优化控制，也使得系统配置灵活，易于扩展，该方式共直流母线架构，因此易于在直流母线上添加其他功能模块，如风机及其整流器等，优化整个系统的运行，因此该组网方式高效、灵活，方便今后进一步护展。

3.2VSC-HVDC过电压

考虑到直流海缆在成本、运行维护上投资高昂，难于敷设和维护等现状[10-12]，本文着重研究了考虑海底海缆耐受过电压能力的绝缘配合方案。利用PSCAD/EMTDC仿真研究VSC-HVDC系统在不同故障类型下的过电压水平，系统搭建以如东海上风电场4号、5号、6号、7号、8号、10号风电场电能输送为原型，即电压等级为±320 kV、900 MW等级风力发电容量、2回高压柔性直流方式打捆送出，接入220 kV电网。

系统主要参数：交流系统的电压等级整流侧额定运行电压为230 kV，逆变侧为230 kV；变压器额定变压比（kV）为230/341.3，容量为341×3 MV·A，短路阻抗为15%，联结方式为整流侧Y0△，逆变侧△Y0；直流线路参数为直流额定电压为±320 kV，直流额定电流1 600 A，输送功率为1 000 MW，电缆长度为60 km，平波电抗器为80 mH。系统的总体结构图，如图1所示。

图1 VSC-HVDC系统拓扑示意图Fig.1 VSC-HVDC system topology

VSC-HVDC系统的控制方式为整流侧选择定有功功率控制，逆变侧选择定直流电压控制从而实现控制系统有功功率；无功的控制选择为逆变侧定交流电压控制；交流电流的控制则选择基于deadbeat控制的交流电流控制器实现[13]，如图2所示。

图2 VSC-HVDC控制系统示意图Fig.2 VSC-HVDC control system

表3 严重故障下换流站各关键点过电压Tab.3 Key points over-voltage of converter station under severe fault

仿真计算各故障类型下过电压水平如表3所示。

为突出关键点承受的最大过电压，以各关键点为横坐标，过电压倍数（过电压与基准电压的比值）为横坐标做出折线图，如图3所示。

图3 不同故障类型下的关键点过电压Fig.3 The key point over-voltage under different fault types

实际操作中，短路或断路事故很难发生在换流站厅中的阀桥臂上，将其视为绝缘设计的标准不具有参考意义。另一方面，从图5能够明显看出，过电压水平最严重是的直流电极接地故障、换流变阀侧三相接地和单相接地故障，因此考虑直流电缆绝缘配合时应以此设计，并保留一定裕度，GB 311.1—2012推荐绝缘裕度为30%。

对VSC-HVDC系统的换流站设备，采用避雷器限制可能出现的操作过电压或雷击过电压[14-15]。本文基于确定性法，即在考虑避雷器配合电流值及波形的基础上，由避雷器保护过电压和一个确定系数的乘积计算该被保护设备的耐受过电压水平。在综合考虑系统的经济性及技术性后，根据仿真计算关键点过电压的水平设计了如图4所示的避雷器配置方案，以换流站侧为例，逆变侧相似。

图4 柔性直流输电换流站避雷器配置图Fig.4 Arrester configuration scheme for VSC-HVDC converter station

位于变压器两侧的避雷器主要能够保护换流站的母线设备，以及限制变压器一次侧和二次侧过电压及绕组相-地过电压，也可作为变压器阀侧接地支路保护；桥臂电抗上并联的避雷器用于削弱桥臂电抗的绝缘能力；桥臂电抗与换流阀之间的避雷器用于与直流母线上的避雷器和变压器右侧避雷器配合保护桥臂电抗及SM子模块；跨接在换流阀上的避雷器能够避免换流阀承受过电压；直流母线避雷器及直流线路避雷器可以保护直流母线、直流电缆及连接的高压设备。

4 结论

1）根据如东大规模海上风电场的分布情况，提出了1号、2号、3号风电场采用220 kV高压交流海底电缆输送电能，4号、5号、6号、7号、8号、10号风电场采用柔性直流输电系统输送电能的优化组合输送方式。

2）风机的初始运行功率因素设置为0.98即可保证风电场在35 kV电压等级上的无功平衡；装设130 Mvar高压并联电抗器能够满足输电系统在220 kV电压等级上的无功平衡。

3）在海缆末端并联补偿度为60%～70%的电抗器，能够有效限制工频过电压；限制操作过电压的策略需要根据海上风电场的具体布置具体设计。

4）直流母线型组网方案适用于如东海上风电场的柔性直流输电方式。

5）柔性直流输电系统过电压主要分布在换流站设备的换流变两侧、换流阀两侧对地、阀两端、桥臂电抗两端、平波电抗两端及直流线路，应对这些关键点具体设计避雷器加以限制。

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Research on Combined Power Transmission Scheme for Offshore Wind Farm Cluster

XU Jin1，JIN Yi2，HU Congchuan3，XIONG Chunwei1，ZHANG Guangzhou4，LI Xiaochun5
（1.Luneng New Energy Co.，Ltd.，Beijing 100020，China；2.State Grid Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210000，Jiangsu，China；3.Luneng Group Co.，Ltd.，Beijing 100020，China；4.State Grid Electric Power Research Institute，Wuhan 430074，Hubei，China；5.School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，Hubei，China）

Rudong plans to build large-scale offshore wind farm cluster,which includes nine scattered intertidal zones,the transmission scheme is for further studied because a single transmission mode of low transmission efficiency，high construction funds,and submarine cables for marine resources and construction of occupancy greater impact on the marine environment.This paper researches the optimal power transmission of dispersed offshore wind farm cluster relied on Rudong largescale offshore wind farm construction project，and studies indepth of the characteristics and scope of different transmission modes,puts forward the optimization scheme for the larger scale offshore wind farm of decentralized layout and different distance from shore.And a detailed simulation of the power transmission optimization of reactive configuration and over-voltage level is completed,and then the shunt reactor with 60%～70%compensation degree at the end of cable is proposed,which can effectively limit the over-voltage of power frequency.The strategy of limiting operation over-voltage needs to be designed according to the specific layout of offshore wind farm.

offshore wind；combination of power transmissions；reactive power configuration；networking mode；overvoltage

2016-07-25。

徐 进（1975—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为电网和新能源规划与技术管理。

（编辑 张晓娟）

国家自然科学基金资助项目（51477121）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51477121）.

1674-3814（2016）11-0107-07

TM722

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