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海上风电场输电方式应用探讨
(2013-08-07)  编辑发布:中国船舶在线  
海上风电场输电方式应用探讨

    海上风电发展如火如荼,海上风电的输电系统是其不可或缺的部分。随着上海市东海大桥10万千瓦风电场的建成及并网发电,我国海上风电的发展拉开序幕。海上风电机组单机容量将不断增大,海上风电场的总装机容量也将不断扩充,如何能够高效、高质量地将这部分电能输送到岸上电网中将成为海上风力发电成功的关键。然而,海上风电场的场地面积要比陆上风电场大,风电机组之间的距离要比陆上风电机组之间的距离远,且风电场连接到岸的距离要比陆上风电场远,再加上海上较大波浪的影响,海上风电场内部电气系统及其与岸上电力系统之间的连接提出了输电方式的新的挑战。
    目前,国家电网公司已经对风电场接入电网给出了技术规定,规定对风电场的功率调节提出了要求,要求风电场具有功率调节能力,具备协调控制机组和无功补偿装置的能力,能够自动快速调整无功总功率;同时对风电机组还提出了低电压穿越的要求(如图1所示),要求风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20%额定电压时能够保持并网运行625ms的低电压穿越能力,以及风电场并网点电压在发生跌落后3s内能够恢复到额定电压的90%时,风电场内的风电机组保持并网运行;风电场并网点电压在图中电压轮廓线及以上的区域内时,场内风电机组必须保证不间断并网运行;并网点电压在图中电压轮廓线以下时,场内风电机组允许从电网切出。

图1  风电机组低电压穿越的要求

    海上输电系统简介
    海上风电场与陆上电网之间的电缆连接可采用高压交流或者是高压直流输电方式。高压直流连接一般有两种方式:基于线性整流换流器的高压直流输电(LCC-HVDC)和基于电压源换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)。由于LCC-HVDC的换流器站和附属设备要求有一定的空间,那将需要非常大的海上换流器平台。而且这项技术极易受到交流网络干扰的影响(导致逆变侧换相失败),这种干扰可以造成高压直流输电系统的临时切断,所以此项技术就目前的技术水平来说不适合于海上输电。因此以下将重点给出高压交流输电和轻型高压直流输电的比较。

    HVAC-高压交流输电系统
    交流输电的主要问题是如何提供准确的无功功率控制。因为稳定运行时一般都是对称的并且变化不大,所以无功功率控制非常重要。电缆需要补偿的无功功率取决于负载,所需的最大的补偿是在空载条件下,运行在额定功率时无功补偿只占空载时的50%~60%。因此补偿装置一般由两部分组成,一部分为固定补偿,另一部分为控制补偿,这两种补偿都是感性的。固定补偿装置所需要的空间要比控制补偿装置小,因此更适宜安置在海上或者沿海岸线的无人值守的变电站。电缆末端的陆上电压可以控制海上电压维持在指定范围内。此外风力发电机也可以提供一定的无功功率和电压控制。故海上风电场的高压交流输电系统一般包括:风电场内部的交流电的汇集系统;带有海上风电场无功补偿的海上变电站;连接到陆上电网的三芯高压交流聚乙烯绝缘电缆和陆上静态无功补偿装置。
    而海上变电站的无功补偿装置视情况而定。对于输电距离较短的可以不在海上变电站上加装无功补偿,但是随着风电场到海岸线距离的增长,在输电线路的两端必须装有无功补偿装置。例如Horns Rev海上风电场虽然采用了高压交流输电方式,但由于其距离海岸线仅21公里,故不需要海上变电站的无功补偿装置。而对于一个与海岸线的联络线为150KV,120Km的双回电缆系统的400MW的海上风电场则必须加装150MVA的海上和陆上无功补偿。

    VSC-HVDC 电压源换流器型高压直流输电
    基于电压源换流器的高压直流输电其换流器是采用基于IGBT电子元件的电压源换流器。它们是自整流,不需要在风场侧有一个强有力的交流电源。尽管体积还是很大,但它只占传统换流器站的一半。VSC-HVDC轻型高压直流输电系统一般包括:风电场内部的交流电的汇集系统;一个配有相应的换流器的海上变电站;两根直流电缆;以及陆上逆变站。
    由于它基本上不需要附属设施,换流器本身也比线性整流换流器所占空间要小得多,可以独立控制与交流系统网络交换的有功功率和无功功率,因此它可以进行电压调节。现在,人们越来越关注VSC-HVDC的发展。其海上应用的前景比较看好。

    海上输电方式的选择
    海上工程由于受到安装成本的限制一般都要求简单化,随着海上风电场的发展,现在风场内部电压等级大都为33KV或36KV。所以对于近海岸区域,由于输电距离较短,只要变压器选择得当,可以不用在海上建立变电站。例如,由德国知名风机制造商ENERCON与比利时变压器制造商Pauwels合作开发的一种填充硅的树脂浇注变压器,这种三相密封变压器用硅油作为冷却液,耐热Nomex纤维为绝缘材料。其独特之处在于,变压器体积十分紧凑,集成在风机塔中,变压器功率范围在100kW至10000kW/36kV。而且这些变压器如同干式变压器一样紧凑,可通过塔架主体上的门孔放入塔架,使调换非常方便。由于其功率和电压等级都满足短距离输电的要求,因此如果风场的风机数量少,输电距离短时可以采用这种变压器将电能直接传输到陆上变电站。
    然而现在数百兆瓦的大型海上风电场的建设已经引起人们的关注。同时考虑到噪音污染、视觉影响和近海的一些利害冲突(例如娱乐、军事、海运、渔业等)等的环境要求,海上风电场与陆地变电站之间的距离在不断增加。输电距离的增加使得海上变电站成为海上风电场与陆地电网之间的枢纽。而且对于远离海岸的大型海上风电场(>>250MW)可能要求不止一座海上输电平台。
    三相交流电缆在150~170KV的电压等级下,电缆两端有补偿,最大长度为200km左右时其最大输送容量为200MW。对于较短的距离,电压额定值可以提高到245KV,从而使其100km的电缆长度其输送容量可达350MW,或者150-200km 的电缆长度输送容量达300MW。而对于VSC-HVDC输电,其双极电缆在±150KV的电压等级下期最大额定输送容量为600MW,且与电缆长度无关。但其使用的电缆数量却与换流器站的容量有关,如表1所示。输电方式与功率级传输距离的关系如图2所示。

表1

图2  输电方式的选择

    高压交流输电其功率损耗取决于交流电缆的长度及其特性(即损耗会随着电缆的长度的增加而增大)。而高压直流输电的损耗受电缆长度的影响非常有限,它取决于换流器站的效率。不同输电方式下损耗与电缆长度的关系如图3所示。其中x为临界距离,其大小取决于系统的结构(如电缆类型和电压等级)。例如对于一个200MW的中型风电场来说,x大约为100km左右,即输电距离小于100km时,高压交流输电的损耗会较低,但当输电距离超过100km时,则采用VSC-HVDC输电方式损耗会更低一些。

图3  高压交流与高压直流输电方式的损耗比较

    此外,对于VSC-HVDC输电除了输电距离及损耗方面的优势外,还对故障隔离起到很大的作用。如果海上风电场发生三相短路故障,海上电压源换流器交流侧受到影响,但故障不会被传送到陆上电网,也就是说VSC-HVDC输电将故障隔离,而直流电压由于是陆上电压源换流器控制而保持在其整定值。这种故障对于电网来说,可以保证电网不受风电场故障的影响。同样,当电网故障时,由于VCS-HVDC的故障隔离作用,可以更有助于机组的低电压穿越,满足图1所示的要求直到电网故障清除。
    由此可得出对于近距离海上输电,高压交流输电是优选方式,而对于远距离海上输电,VCS-HVDC输电则是优选方式。

    >> 结论
    本文分析了用于 的高压交流输电和高压直流输电的特点,给出了不同海上输电距离采用不同输电方式的选择依据,得出了VSC-HVDC输电在深海远距离输电中的优势。

 
来源:中国船检
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