海上风电场中直流输电技术研究.docx

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海上风电场中直流输电技术研究

西安理工大学

研究生课程论文/研究报告

课程名称：

电力系统及其自动化新技术

课程代号：

050419

任课教师：

段建东

论文/研究报告题目：

海上风电场中直流输电技术研究

完成日期：

2011年8月15日

学科：

电力系统及其自动化

学号：

1008080397

姓名：

万媛

成绩：

摘要：

风力发电技术作为目前可再生能源发电中的一项最有效且发展最迅速的发电技术，在近几年得到快速发展。

而海上风电场具有风速高、风力稳定、各种干扰少及发电量大等特点，风电场由陆地向海上延伸，是未来风电发展的大趋势[1]。

根据海上风力发电的特点，介绍和分析海上风电场采用高压直流技术与陆上大电网进行互连的方法，较高压交流方式具有很大的优越性。

主要阐述了基于晶闸管的相控换流器和基于电压源换流器的高压直流输电技术，这两种方式，并说明采用HVDC并网方式的特点和应用场合，讨论HVDC应用于海上风电场并网需要研究的问题。

关键词：

高压直流输电；海上风电场

0引言

石油、天然气、煤及原子核等常规能源是有限的，并且对环境有污染的。

随着能源和环境问题的日益突出，加强可再生能源的开发利用是人类可持续发展的必由之路。

风能作为一种清洁的可再生能源，近几年受到了世界上许多国家的重视，并有潜力成为当代最主要的新能源。

由于发展海上风电，不占用陆上土地，而且海上风能资源丰富，适宜于大规模开发，因而海上风电已成为未来风电发展的必然趋势[2]。

海上风电装机容量近年持续增长。

截至2009年底，全球共有12个国家建立了海上风电场，世界海上风电累计装机容量达2110MW，较2008年增长48.5%，占到全球风电总装机容量的1.2%，2009年世界海上风电新增装机容量达689MW[1]。

欧洲是海上风电发展最快的地区，欧盟15个成员国和其他欧洲国家，有超过100GW的海上风力发电项目正在规划中。

海上风场一般分布在距离海岸线较远的海域和浅海滩，由于海上风电本身的随机性和波动性较大，随着风电场容量在系统中所占比例的增加，风电场对电网频率与电压的影响会越来越显著，尤其是对海岸处电力系统较薄弱的地区，电网闪变、谐波和间次谐波、静态稳定性及动态稳定性等因素都会受到影响，而且利用三相交流电缆将海上风电场的电能输送到岸上成本也较高。

为了解决上述问题，高压直流输电技术已成为海上输送电能的发展趋势。

目前，海上风电场多建于近海且规模较小，风力发电机组并网供电普遍采用交流输电加静止无功补偿器（StaticVarCompensator，SVC）形式，但是对于额定容量达到几百兆瓦的大型海上风电场，由于交流并网方式必须与电网保持同步并且交流电缆传输容量有限，而直流并网可以与电网异步运行。

因此对远距离、大容量传输，高压直流（High-VoltageDC,HVDC）方式比高压交流（High-VoltageAC,HVAC）方式更具优势。

目前，HVDC技术主要有两种，一种是传统的基于晶闸管的相控换流器的高压直流输电（Line-CommutatedConverter-HVDC，LCC-HVDC）技术；另一种是新型的基于电压源型变流器的轻型高压直流输电（VoltageSourceConverter-HVDC，VSC-HVDC）技术[3]。

本文介绍了基于直流输电技术实现海上风力发电场与陆上大电网连接并网的两种主要方式：

基于LCC的HVDC和基于VSC的轻型HVDC输电，重点介绍了VSC-HVDC技术在海上发电场的应用，以及HVDC应用于海上风电场并网需要研究的问题。

1LCC-HVDC技术

随着海上风电场规模和风电场离岸距离的增大，有必要采用HVDC技术连接风电场和陆上电网，尤其是风电场额定容量为500MW以上的系统。

虽然采用直流传输线路时，线路两端换流站的建造费用比较昂贵，但考虑到直流电缆成本比交流电缆低等各种因素，与交流传输方式相比，采用这种输电方式所增加的费用并不那么突出。

1.1LCC-HVDC方式的海上风电场并网

图1为基于晶闸管LCC的海上风电场HVDC传输并网系统结构图，包括一个基于双馈感应发电机（Doubly-FedInductionGenerator，DFIG）的海上风电场，一个由HVDC整流站及辅助装置，交流滤波器和静止无功补偿器（StaticSynchronousCompensator，STATCOM）组成的海上变电站，风电场侧变电站通过高压直流输电电缆与陆上逆变器相连[2]。

图1LCC-HVDC方式海上风电场并网结构

各个DFIG风电机发出的交变电流汇集到风电场侧变电站后，经过升压、整流，有功功率通过高压直流电缆传输至远端，最后经过逆变被送入受端电网。

海上变电站上安装的STATCOM用于稳定整流侧母线电压，以便为风电场中的DFIG提供定子励磁并保证整流器正常换向。

DFIG采用典型的转子侧电压源型背靠背PWM变流器进行输出功率控制。

整流侧母线滤波器可为整流器提供无功补偿，同时滤除整流器工作时在交流母线上产生的电流谐波。

另外变电站上可能存在的用电负荷，如照明、冷却设备等[4]。

HVDC的换流器为基于晶闸管的LCC，逆变器则将来自HVDC母线的有功功率馈入陆上电网。

1.2控制策略

系统总体控制策略分为2方面[5]：

一方面由STATCOM为整流侧交流母线提供无功支撑，保证其电压频率和幅值的稳定；另一方面由整流器控制并跟踪风电场发出的有功功率，将其送至高压直流母线。

采用LCC-HVDC输电具有以下特点：

（1）海上风电场的频率可以大范围变化，由于采用HVDC传输方式，不存在和陆上电网同步问题，电网的每个联络终端都可以依照自己的控制策略运行，具有很大的独立性；

（2）传输距离不受限制，交流电缆的充电电流是一个影响电力传输的重要问题，而直流电缆的充电电流则基本上可以忽略；

（3）直流传输系统可以隔离两端网络的故障，在有些时候直流传输线还能够参与故障后的系统恢复；

（4）可以设定和控制直流传输系统的潮流；

（5）传输线路损耗低，能够优化电缆和换流站损耗，整个系统的运行损耗将低于等效的交流传输系统；

（6）单根电缆的传输容量高，在同样的方式下，一对HVDC电缆的传输容量是相同规格的三相交流线路的1.7倍。

LCC-HVDC技术的主要缺点是换流站的晶闸管阀需要吸收大量无功并在电路中产生谐波，因而需要安装大量的滤波装置以及大量无功补偿（通常为50%有功容量）且无功补偿不能连续控制。

尽管HVDC输电线路采用传统的晶闸管技术，已经有很多工程实际应用经验，但用于海上风电场还是有很多具体问题需要解决，为满足必要的性能和可靠性，需要提供辅助设备供应换向电流。

2VSC-HVDC技术

VSC-HVDC是在电压源换流器（VSC）技术和门极可关断晶闸管（GateTurnOffThyristor，GTO）及绝缘栅双极晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）等全控型功率器件基础上发展起来的，所应用的换流器是由高频开关器件IGBT构成的正弦脉宽调制（SinusoidalPulseWidthModulation，SPWM）式电压源换流器，实现了有功和无功的独立解耦控制、能向无源网络供电、换流站间无需通信、且易于构成多端直流系统[6]。

另外，VSC-HVDC技术能同时向系统提供有功功率和无功功率的紧急支援，在提高系统的稳定性和输电能力等方面具有优势。

2.1VSC-HVDC系统原理

图2所示为VSC-HVDC系统基本工作原理：

图2VSC-HVD基本原理图

送端和受端换流器采用相同的VSC结构。

VSC使用具有高频开断功能的IGBT器件，以PWM控制方式对逆变电路开关器件的通断进行控制，在两固定的直流电压间快速切换来产生交流电压，并通过交流低通滤波器从高频脉冲调制电压中得到期望的基波电压。

在VSC-HVDC中，VSC通常采用SPWM技术[7],SPWM的基本原理是把给定的正弦波（期望的输出电压波形）与三角载波比较来决定每个桥臂的通断时刻。

当直流侧电压恒定时,SPWM的调制度（正弦给定信号与三角载波幅值之比，在0～1范围内）决定VSC输出电压的幅值,而正弦给定信号的频率与相位决定VSC输出电压的频率与相位。

因为VSC吸收的有功功率和无功功率取决于VSC输出电压的相位和幅值，所以通过控制SPWM给定正弦信号的相位和调制度就可以控制有功功率和无功功率的大小及传输方向，从而可以实现对有功功率、无功功率同时且相互独立的调节。

2.2VSC-HVDC的控制特性

在应用中,轻型高压直流输电受端换流器根据系统所接的负载不同有2种接线方式，分别是受端换流器与有源交流网络相连和受端换流器向无源网络供电。

与有源交流网络相联时，VSC是一个两输入（PWM的相位与调制度）、两输出（VSC所发出的无功和直流电压或直流电流）、非线性、非解耦被控对象。

在VSC-HVDC中，其换流站主要有3种基本控制方式[8]：

①定直流电压控制,这种方式控制直流母线电压和输送到交流侧的无功功率;②定直流电流（或功率）控制，这种方式控制直流电流（或功率）和输送到交流侧的无功功率；③定交流电压控制，这种方式只控制交流母线电压一个量。

其中方式①②适用于与有源交流网络相联的情况,方式③适用于给无源网络供电的情况。

对于一个VSC-HVDC，必须有一端采用定直流电压控制,另一端采用定直流电流控制还是定交流电压控制取决于所联的是有源交流网络还是无源交流网络。

另外，当联接有源网络时，VSC输出的基波电压频率必须与电网电压频率一致；当联接无源网络时,VSC输出的基波电压频率应根据负荷的要求决定。

2.3VSC-HVDC方式的海上风电场并网

基于VSC的轻型高压直流输电系统可以实现自整流，不需要在风场侧有一个强有力的交流电源。

尽管其换流器体积还是很大，但它只占传统换流器的一半。

海上风电场VSC-HVDC系统一般包括[9]：

风电场内部交流电的汇集系统、1个配有相应换流器的海上变电站、2根直流电缆以及陆上逆变站等。

图3为海上风电场HVDC传输并网系统结构图:

图3VSC-HVDC方式海上风电场并网结构

每台风机发出的电压幅值和频率变化的交流电经变频器后转换为恒压恒频的工频交流电,工频交流电经工频箱式变压器升压后分别汇集到海上换流站,经整流变换后通过海底直流电缆传输到岸上换流站,并经岸上换流站逆变器将直流电变换为工频交流电,最后经主变二次升压并入大电网。

在换流站中，送端换流器（整流器）和受端换流器（逆变器）均采用VSC，换流器由换流桥、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器组成，换流桥每个桥臂均由多个IGBT串联而成。

基于VSC的轻型直流输电换流电路是自然双极性，需要两根导线。

该方案特点是,轻型直流输电系统电能损耗小、电缆重量轻、传输距离长且传输容量大，适合大规模远海风电场,并可实现对有功功率和无功功率的精确控制，无需装设无功补偿设备，但传输系统结构复杂，多次采用大功率电力电子变流装置，工程造价高。

文献[9]中提出采用变速恒频双馈永磁同步发电机（VSWT-PMSG）代替广泛使用的DFIG，如图4所示：

图4基于VSWT-PMSG的海上风电场并网结构

该方案中风场的每个VSWT-PMSG连接到变频器上分别进行ac-dc转换后，接到同一条直流母线进行dc-ac转换，升压后直接与海上换流站交流母线相连。

这种方法减少了dc-ac变频器以及工频箱式变压器的个数，大大降低了整个系统的造价成本。

对于献[9]所提出的方法，采用永磁发电机可做到风力机与发电机的直接耦合，省去了齿轮箱，即为直接驱动式结构，这样可大大减少系统噪声，提高可靠性。

尽管由于直接耦合，永磁发电机的转速很低，使发电机体积很大，成本较高，但由于省去了价格更高的齿轮箱，所以，整个系统的成本还是降低了。

可现在还是处于实验室阶段，在实际的风电场中也没有被应用。

基于VSC技术的HVDC输电特别适用于风电场与交流主网的接入系统。

这种技术极其灵活，非常便于扩展，且能够独立地用于控制发电机的无功功率和输出的有功功率。

即使在发电和负荷变化极快的情况下，也能给交流电网增加很大的稳定裕度，还可以消除湍流风和塔影引起的电压闪变。

根据风速情况调节风力发电机的转速，并控制风力发电机的母线频率，可实现风能的最大捕获，提高风力发电机的使用效率。

采用VSC-HVDC技术进行海上风电场并网有以下几大优点[10,11]：

（1）可以为风力发电机提供动态无功补偿。

笼型异步风力发电机在不带负荷的情况下一般由并联在电机末端的电容器直接供给无功功率；在带有负载的情况下，需按照风力发电机有功功率输出的大小提供相应的无功功率，这种动态的无功功率可以通过控制风力发电机母线侧的VSC来提供。

（2）可以通过频率控制实现最大风能捕获。

当风力异步发电机组具有变速控制能力时，可以通过控制风力异步发电机母线侧的VSC按照风速调整电机的频率，获取最大的风能捕获。

为保持风力发电机的磁通不变和防止磁饱和，在改变风力机组频率的同时还需要同步改变风力机输出电压的幅度。

（3）具有良好的柔性功率控制特性。

可以精确控制送端和受端的功率交换，风能的任何改变都可以通过控制系统检测到，从而使发电机的输入、输出功率很快达到平衡。

（4）具有黑启动能力。

采用VSC技术的HVDC线路具有使风力机组的异步电机逆向启动和加载与其相连接的黑网络的能力。

这时需要在直流侧加装像超导磁储能装置（SMES）这样的能量储存系统。

3HVDC输电在海上风电场并网中的应用

选择何种方式进行海上风电场并网，需要考虑各种风电并网方式的特点。

总的来讲，交流传输并网方式结构简单，成本低，但是传输距离和容量受限，适合小容量、近距离的海上风电场并网；LCC-HVDC的传输并网方式不受传输距离的限制，风电场的频率可以大范围变化，但换流站成本较高，一般用于特大型海上风电场并网；VSC-HVDC的传输并网方式优点最多，非常适合于海上风力发电场与岸上电网的并网连接，但受大功率IGBT发展水平的限制，VSC-HVDC输电系统的最大传输容量目前只能达到几百兆瓦，且换流站成本较高，因此比较适合于中大型海上风电场的并网。

随着电力电子技术的发展和海上风电成本的降低，VSC-HVDC将会应用于更大容量海上风电场与陆上电力系统的并网中。

目前海上风电场的容量都不是太大，所以采用传统HVDC进行海上风电场并网的工程暂时还没有。

而基于VSC的轻型直流输电用于风电场并网的的商业化运行代表性的实际工程有[11]：

瑞典哥特兰岛工程用于陆上风电场并网；丹麦Tjaereborg工程用于海上风电场并网。

这两个工程的顺利投运及其取得的效益，为我国风电场采用柔性直流输电方式并网提供了应用前提与可行性验证。

表1采用VSC-HVDC并网的风电场工程

工程名称

国家

直流电压/kV

功率/kW

距离/km

Tjaereborg

丹麦

±9

8

4

Gotland

瑞典

±80

54

70

4HVDC技术在海上风电场并网问题研究

随着电力电子技术的发展和海上风电成本的降低和规模的扩大，HVDC输电技术以其独特的优势在未来的海上风电场并网中将会得到越来越多的应用，但是目前国内外在这方面可参考的文献比较缺乏，相关方面的研究还刚刚起步。

为将HVDC输电技术尽早应用于海上风电场的并网中，还有几方面的问题需要研究：

（1）直流换流站的控制策略研究。

基于VSC技术的轻型HVDC输电技术能够通过控制风力发电的转速达到风能的最大捕获，从而提高效率。

但同时还需要研究基于LCC技术的HVDC输电方式中STATCOM与换流站控制的配合问题。

（2）选择海上风力发电机机型的研究。

风力发电机种类繁多，有笼型异步发电机、永磁同步发电机、双馈异步电机及同步发电机等，各种发电机之间的性能差别比较大，选择与换流站配合最经济和实用的机型非常重要。

（3）在电网故障情况下，HVDC输电系统控制策略的研究。

采用HVDC输电的优点在于能够在电网发生故障时隔离故障，以减小故障的波及范围，并可以采用一定的策略提高电网故障后的恢复能力。

研究海上风电场通过HVDC输电方式接入电网时对电网的影响。

一般来说，海上风电场接入的电网比较弱，在这种情况下，有必要研究海上风电场对接入电网的影响。

5结语

采用HVDC进行海上风电场并网可以不受传输距离的限制，可隔离线路两端的网络，减小故障之间的相互影响，控制传输线路的潮流，提高电缆的输送效率，风电场的发电频率可以大范围变化，如果采用VSC-HVDC输电技术，还可以实现风能的最大捕获。

目前对于采用HVDC进行海上风电场并网的研究不多，在世界范围内，海上风力发电技术的应用和海上风电场的建设等方面，目前还没有成熟的经验。

需要进行很多基础研究工作，如直流换流站的控制策略、海上风力发电机机型选择、故障情况下直流控制策略对接入电网的影响等，都需要进行深入的研究。

风能发展计划的实施，在技术、经济和法律上还有不确定性，这些问题只有通过实践逐步地加以解决。

由于国家应对全球气候变暖和调整能源结构的需要，加快发展绿色新能源已经势在必行。

中国新能源产业发展看风能，风能发展前景在海上，海上风能将成为中国风能未来发展方向和制高点。

参考文献

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[3]周宏林，杨耕，耿华.远距离大型DFIG风电场的混合型HVDC建模及控制[J].电工技术学报,2010,12（25）:

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[4]刘海波，赵鑫，杨家胜.海上风电场低频+高压直流输电电气接线方案研究[J].人民长江,2011,3（42）：

39-42

[5]周宏林，杨耕.大型DFIG风电场的LCC-HVDC并网控制[J].电力自动化设备,2009,29（7）:

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[6]孔令云，杜颖.电压源换流器型直流输电在风电场并网中的应用[J].科技信息,2010,30:

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[7]张东辉，冯晓东，孙景强，钟杰峰.柔性直流输电应用于南方电网的研究[J].南方电网技术,2011,2（5）:

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[8]鲍洁秋,孟垂懿.VSC-HVDC系统在海上风电传输中的应用[J].沈阳工程学院学报（自然科学版）,2011,1（7）:

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[9]SerhiyBozhko，AGregsher，LiRisheng.LargeOffshoreDFIG-BasedWindFarmWithLine-CommutatedHVDCConnectiontotheMainGrid:

EngineeringStudies[J].IEEETransactionsonEnergyConversion.2008,05:

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[10]BARBERIS，NEGRAN,TODOROVICJ,ACKERMANNT.Losse-valuationofHVACandHVDCtransmissionsolutionsforlargeoffshorewindfarms［J］.ElectricPowerSystemsResearch,2006,76（11）:

916-927.

[11]姚伟，程时杰，文劲宇.直流输电技术在海上风电场并网中的应用[J].中国电力,2007,10（40）:

70-74