摘要：人们生活水平的提高，用电需求的不断增多，促进了我国电力产业的不断发展。近年来，风电建设重心逐步从西部地区转移到电力消纳较好的中东部地区，海上风电得到快速发展。柔性直流系统凭借其独特的技术优势，正逐渐成为大规模远距离海上风电并网的主流方案。本文就用于海上风电并网的柔性直流系统过电压和绝缘配合展开探讨。
关键词：海上风电并网；柔性直流系统；模块化多电平换流器
引言
无论是在可开发的资源量上，还是技术政策层面，我国海上风电目前已基本具备大规模开发条件。我国拥有丰富的海上风电资源，中国气象局风能资源调查数据显示，我国5～25m水深线以内近海区域、海平面以上50m高度风电可装机容量约2亿kW，70m以上可装机容量约5亿kW。近年来，我国海上风电发展迅猛，2017年海上风电新增装机达到1．16GW，同比增长97%，累计装机达到2．79GW。
1海上风电场的并网方式
海上风电场的并网方式分别是高压交流并网（简称HVAC）、高压直流输电方式并网（简称HVDC）。HVAC方式具有结构简单、成本较低等特点，发展最为成熟。目前，使用HVAC是绝大多数陆上风电场并网的选择。但对于规模较大的海上风电场，随着并网距离的增加，输电损耗上升较快，如果增大海底电缆截面和提高传输电压等级，将导致投资成本的急剧增加。另外，对于距离岸边较远的海上风电，为了抑制过电压水平，需要加装较大的感性无功设备补偿并网电缆的充电功率。同时，海上风电场交流系统必须与其接入的电网保持同步，受到扰动后仍要维持系统的同步运行。因此实际工程中该方法一般只用于传输容量小、传输距离短的风电接入系统。距离海岸小于50km且建设规模小于200MW海上风电场普遍采用HVAC方式。将HVDC技术应用于风电并网，特别是对于远距离海上风电场，具有明显优势：（1）海上风电采用HVDC方式后，不需要与陆上电网保持同步，因此，海上风电场系统频率的允许变化范围较大，电网的每个联络终端都具有很强的独立性，可以依照自己的控制策略运行。（2）长距离的交流电力电缆受充电电流的影响，电力传输能力受限，而HVDC电缆的充电电流则非常微小，因此，输电距离可以不受限制。（3）能够隔离海上风电系统和陆上电网的故障，某些情况下，HVDC系统还可以参与故障后的状态恢复。（4）可以设定和控制直流传输系统的潮流。（5）传输同样容量的功率HVDC方式损耗低，整个直流系统的运行损耗将低于等效的HVAC系统。（6）在相同的运行条件下，单根HVAC电缆的传输容量高，三相交流线路的传输容量仅为同样规格的一对直流电缆的60％。高压直流方式主要有两类，常规直流输电方式（LCC－HVDC）和柔性直流输电技术（VSC－HVDC）。常规直流输电采用基于线换相换流器，柔性直流输电采用基于自换向的电压源换流器。LCC－HVDC并网方式下为确保换流器正常换相，需要交流侧电网提供连续的换相电压，风电出力的不稳定性会导致发生换相失败故障的概率较高，海上风电场安全稳定运行的能力大大降低。输送功率相同情况下，常规直流工程占地较大，超过交流和柔性直流输电方案占地面积的两倍以上；另外，当风力不够或者风力过大从系统中切除风机后，为保证系统稳定运行同时给风电场处的负荷供电，系统将向风电场有限度地传输有功功率，这时需要对风电侧系统进行无功补偿，但常规直流本身不能够发出无功，而且还需要增加大量的无功补偿 装置，换流站的占地面积也会相应的加大，考虑到海上平台的建设难度，因此常规直流输电不适合海上风电场使用。
2用于海上风电并网的柔性直流系统拓扑结构
用于远距离大规模海上风电并网的柔性直流系统与常规的柔性直流系统略有不同，用于海上风电并网的柔直系统接线图见图1。其特点主要体现在：（1）考虑到可靠性的要求，从路上换流站开始，交流线路和直流线路都采用可靠性较高的电缆。（2）考虑到电缆的高可靠性以及目前MMC的制造水平，用于海上风电并网的柔性直流换流站通常采用伪双极结构；伪双极结构还可以避免直流接地极的使用，减少换流站主设备。（3）考虑到设备维护等方面的因素，换流站中通常采用2台换流变压器，使得系统基本能够满足N-1原则。（4）通常陆上换流站需要装设直流耗能支路DCchopper（图1中R，及与其串联的开为，当陆上换流站发生交流故障后，海上换流站注人的多余功率可以通过直流耗能支路释放，最大程度避免直流侧过电压。（5）对于一个采用伪双极接线的柔性直流系统而言，理论上只要至少有一个换流站安装接地装置，整个直流系统就可以正常运行。由于接地装置需要占用一定体积，所以在海上换流站中一般不考虑装设接地装置，只考虑在陆上换流站安装接地装置。（6）为了减小换流站的占地面积，通常直流侧不需要安装平波电抗器，但是会把桥臂电抗器移到换流器直流极线和串联子模块的最高/最低点之间。
图1用于海上风电并网的柔性直流系统接线图
3海上风电并网的输送方式
海上风电并网的输送方式可分为3大类：高压交流输电（HVAC）、高压直流输电（HVDC）和基于电压源换流器的轻型高压直流输电技术（VSC-HVDC）。小型的近海风电场，一般采用技术成熟、成本较低的HVAC方式。对于离岸较远的海上风电场，宜HVDC或VSC-HVDC方式。相对于传统的HVAC，VSC-HVDC具有明显优势：一是直流输电没有对地电容造成的输电距离限制；二是采用双极配置时，导线（电缆）数由3条减为2条；三是VSC-HVDC技术利用电压源变流器等直流换流装置将风电场内部交流系统与外部大电网有效地隔离开，这样海上风电的强随机性、高间歇性和大波动性对主网的负面影响就减轻到最小程度，从而也放松了对海上风电场装机容量的限制；四是该技术具有“组件化”的灵活思想，非常便于扩展，且能够独立地扩展风电机组的无功功率和有功功率，在发电和负荷快速变化的极端情况下，也能较好地增强大电网的稳定性，还可以消除塔影效应等引发的电压闪变，改善电能质量。基于VSC-HDVC技术的海上风电场并网示意图如图2所示。鉴于VSC-HVDC技术的优势，许多国家把它作为海上风电并网的首选技术。截止到2011年，世界范围内已投入运行的风电场柔性直流输电工程共12项（其中5项为海上风电项目）。德国日前竣工（2013年8月）的最大海上风电园BAＲDOffshore1（发电功率达400MW）也将采用这一技术于2014年2月并入陆地电网，我国于2011年5月建成了上海南汇风电场柔性直流输电示范工程，但在海上风电应用方面尚处于跟踪和技术储备阶段（2010年竣工并网的上海东海大桥海上风电场采用HVAC方式）。
图2基于VSC-HDVC技术的海上风电场并网示意图
结语
海上风电的并网是一项极具理论意义和实用价值的研究课题，在当前乃至今后相当长一段时间内都会是国内外的研究开发热点。
参考文献：
［1］肖运启，贾淑娟．我国海上风电发展现状与技术分析［J］．华东电力，2015，38（2）：277-280．
［2］李杰．海上风电场的电网接入技术研究［D］．合肥：安徽理工大学电气与信息工程学院，2015．
［5］缪源诚．大型海上风电场并网对配电网的影响探讨［J］．供用电，2015，27（3）：15-19．
论文作者:樊华
论文发表刊物:《基层建设》2019年第15期
论文发表时间:2019/8/7
标签：海上论文; 风电论文; 柔性论文; 系统论文; 风电场论文; 方式论文; 电网论文; 《基层建设》2019年第15期论文;