徐進(jìn)，金逸，胡從川，熊春偉，張廣洲，李小春

（1.魯能新能源有限公司，北京 100020；2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司，江蘇南京 210000；3.魯能集團(tuán)有限公司，北京 100020；4.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，湖北武漢 430074；5.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢 430072）

海上風(fēng)電集群電能組合輸送方式研究

徐進(jìn)1，金逸2，胡從川3，熊春偉1，張廣洲4，李小春5

（1.魯能新能源有限公司，北京 100020；2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司，江蘇南京 210000；3.魯能集團(tuán)有限公司，北京 100020；4.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，湖北武漢 430074；5.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢 430072）

江蘇如東大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)工程包括9個(gè)潮間帶，各風(fēng)電場(chǎng)分散布局，采用單一的輸電方式不僅輸電效率低，工程建設(shè)資金較高，而且海底電纜對(duì)海域資源的占用和施工期對(duì)海域環(huán)境的影響較大。文中依托江蘇如東大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)工程，研究分散布局的大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)集群電能最優(yōu)輸送方式，深入研究了不同輸電方式的特性及適用范圍，提出了適合分散布局、離岸距離差距較大的大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)的電能輸送優(yōu)化方案，并詳細(xì)仿真研究了電能輸送優(yōu)化方案中的無(wú)功配置及過(guò)電壓水平，提出了在海纜末端并聯(lián)補(bǔ)償度為60%～70%的電抗器，能夠有效限制工頻過(guò)電壓；限制操作過(guò)電壓的策略需要根據(jù)海上風(fēng)電場(chǎng)的具體布置具體設(shè)計(jì)。

海上風(fēng)電；組合電能輸送；無(wú)功配置；組網(wǎng)方式；過(guò)電壓

隨著能源在全球范圍內(nèi)越來(lái)越受到重視，低碳環(huán)保型清潔能源成為政府及學(xué)者們的關(guān)注對(duì)象，海上風(fēng)電作為可再生能源，不僅沒(méi)有碳排放污染，而且因?yàn)檫h(yuǎn)離人民生活區(qū)域，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開(kāi)發(fā)而不考慮占用有限土地資源的問(wèn)題[1-2]，成為沿海地區(qū)風(fēng)力資源未來(lái)的重要支柱。

海上風(fēng)電相對(duì)陸上風(fēng)電因?yàn)檫h(yuǎn)離海岸線(xiàn)而大大降低了噪聲及視覺(jué)污染，同時(shí)海上風(fēng)速不僅比陸上高，而且更加均衡，具有穩(wěn)定的主導(dǎo)風(fēng)向，對(duì)風(fēng)機(jī)的要求可相對(duì)降低。我國(guó)擁有超過(guò)一萬(wàn)八千公里的海岸線(xiàn)，占據(jù)著豐富的海上風(fēng)能資源，尤其是江蘇地區(qū)，沿海海域風(fēng)能資源豐富，外部運(yùn)輸條件好，開(kāi)發(fā)條件相對(duì)優(yōu)越；同時(shí)地處“長(zhǎng)三角”負(fù)荷中心，電網(wǎng)架構(gòu)穩(wěn)固，風(fēng)電并網(wǎng)條件較好；沿海地區(qū)海域廣闊，海底地形平坦，規(guī)劃風(fēng)電場(chǎng)容量較大，適合建設(shè)千萬(wàn)千瓦級(jí)風(fēng)電基地。

江蘇沿海大多風(fēng)電場(chǎng)距岸較遠(yuǎn)，為40～80 km，規(guī)模集中，規(guī)劃風(fēng)電場(chǎng)以百萬(wàn)基地的形式，由不同開(kāi)發(fā)商投資建設(shè)，接入系統(tǒng)投資高，由于岸線(xiàn)資源和海洋資源有限，因此，海洋和能源主管部門(mén)認(rèn)為海底電纜通道、升壓站和登陸點(diǎn)應(yīng)統(tǒng)籌考慮公共送出，減少海底電纜對(duì)海域資源的占用及施工期對(duì)海域境況的影響。按照江蘇省海上風(fēng)電規(guī)劃，如東和大豐地區(qū)海上風(fēng)電公共送出通道規(guī)劃已開(kāi)展，對(duì)于這些大型海上風(fēng)電基地，各風(fēng)電場(chǎng)往往分散布局，海上風(fēng)電功率波動(dòng)大[3]，因此迫切需要建立一個(gè)運(yùn)行及控制靈活，輸電效率高的海上風(fēng)電輸電網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電的有效匯集與送出。

1 電能輸送方案及電壓等級(jí)

如東H1號(hào)、如東H2號(hào)、如東H3號(hào)、如東H4號(hào)、如東H5號(hào)、如東H6號(hào)、如東H7號(hào)、如東H8號(hào)、如東H10號(hào)等9個(gè)潮間帶及近海風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃裝機(jī)總?cè)萘? 700 MW，且離岸距離40～80 km不等，海上風(fēng)電基地投資主體多，單獨(dú)建設(shè)接入系統(tǒng)投入高，用海面積大，集中送出可有效降低成本，符合集約發(fā)展原則。如東地區(qū)大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)集群接入到主網(wǎng)的匯集方式，必須考慮到9個(gè)潮間帶及近海風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃裝機(jī)容量、離岸距離等因素，以及高壓交流和柔性高壓直流接入方式的適用條件，并需要對(duì)可能的匯集方式進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析比較，綜合選取最佳輸送方式。

海上風(fēng)電的電能輸送方式主要有高壓交流輸電（high voltage alternating current，HVAC）、基于晶閘管換流器的直流輸電（high voltage direct current，HVDC）和基于電壓源變頻器的柔性直流輸電（voltage source converter-high voltage direct current，VSCHVDC），但不同的輸電方式具有各自的適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)，具體的海上風(fēng)電工程應(yīng)結(jié)合實(shí)際合理選擇電能輸送方式。高壓交流輸電屬于目前技術(shù)較為成熟的電能輸送方式，始于20世紀(jì)50年代，由風(fēng)電機(jī)組發(fā)出電能，經(jīng)過(guò)海上集電站升壓后由海底電纜輸送至岸上變電站，最終接入地方電網(wǎng)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，高壓交流海底電纜輸送方式技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、且成本較低，同時(shí)也存在一些問(wèn)題：交流電纜具有的較大分布電容會(huì)在輸電系統(tǒng)中產(chǎn)生相當(dāng)大的電容充電電流，不僅需要裝設(shè)大量無(wú)功補(bǔ)償裝置，而且限制了傳輸距離，大大降低了交流電纜傳輸有功功率的能力，雖然有學(xué)者研究表明一定程度上降低輸電頻率能夠增加輸送距離，但高壓交流海底電纜輸送方式仍然無(wú)法適用于長(zhǎng)距離的電能輸送[4]，因此綜合考慮交流海底電纜輸送方式的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性。由此得出一般性結(jié)論：高壓交流電能輸送方式適合于規(guī)模較小、容量較低和輸送距離較短的近海風(fēng)電場(chǎng)。

HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要比HVAC系統(tǒng)復(fù)雜，包含變壓器、濾波裝置、換流站、直流傳輸電纜、靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置和控制系統(tǒng)等設(shè)備。傳統(tǒng)直流輸電方式也經(jīng)過(guò)長(zhǎng)足的發(fā)展，目前技術(shù)成熟，并適宜于大功率遠(yuǎn)距離傳輸，但也暴露出了一些問(wèn)題：為保證晶閘管換流器工作時(shí)可靠換相，要求與之聯(lián)系的交流電網(wǎng)提供換相電流并保證充足容量，否則將導(dǎo)致?lián)Q相失?。粨Q相過(guò)程中要求換流站提供大量無(wú)功，因此需要裝設(shè)很多的無(wú)功補(bǔ)償裝置和濾波設(shè)備，占用大量空間，在海上換流站建設(shè)時(shí)不僅大大增加施工的難度而且大量增加成本[5]，所以傳統(tǒng)基于晶閘管的高壓直流輸電方式用于海上風(fēng)電電能輸送容易得不償失，多見(jiàn)于陸上風(fēng)電電能輸送。

VSC-HVDC在我國(guó)被稱(chēng)為柔性直流輸電，1990年由加拿大學(xué)者提出，通過(guò)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)對(duì)構(gòu)成電壓源換流器的IGBT進(jìn)行控制，改變輸出電壓的幅值和相位，進(jìn)而控制有功與無(wú)功，最終實(shí)現(xiàn)功率平穩(wěn)輸送。VSC-HVDC技術(shù)的出現(xiàn)，解決了很多之前輸電技術(shù)的瓶頸問(wèn)題，尤其適用于海上風(fēng)電場(chǎng)的遠(yuǎn)距離電能輸送。這種電能輸送方式不存在換相失敗問(wèn)題，且能夠靈活控制傳輸?shù)挠泄εc無(wú)功功率；模塊化的設(shè)計(jì)使得其移動(dòng)、拓展方便，可實(shí)現(xiàn)多端直流輸電；輸送不受距離控制，用于大規(guī)模遠(yuǎn)距離分布式海上風(fēng)電場(chǎng)的集群電能輸送具有極大的優(yōu)勢(shì)[6]。柔性直流輸電方式造價(jià)昂貴，尤其是換流站的建設(shè)，相比高壓交流輸電換流站高出數(shù)倍，研究表明隨著輸送容量及輸送距離的增加，VSC-HVDC輸電方式的平均造價(jià)會(huì)逐漸與高壓交流方式持平，甚至更低。

如東H1號(hào)、如東H2號(hào)、如東H3號(hào)等3個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的離岸距離大致在50 km，屬于近海區(qū)域，按照前文對(duì)幾種不同輸電方式特點(diǎn)的分析，宜選擇高壓交流海底電纜輸送方式，電壓等級(jí)則選擇220 kV，以1回線(xiàn)接入電網(wǎng)，在如東風(fēng)電場(chǎng)附近建設(shè)220 kV升壓站，把風(fēng)電機(jī)組輸出的電能升壓至交流220 kV，以1回線(xiàn)交流海底電纜送出，在陸上登陸點(diǎn)因地制宜采用220 kV架空線(xiàn)接入電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，且能夠滿(mǎn)足技術(shù)要求。對(duì)離岸距離較遠(yuǎn)的如東H4號(hào)、如東H5號(hào)、如東H6號(hào)、如東H7號(hào)、如東H8號(hào)、如東H10號(hào)6個(gè)風(fēng)電場(chǎng)分別集中為900 MW等級(jí)的風(fēng)力發(fā)電容量，按2回高壓柔性直流方式打捆送出，電壓等級(jí)可選擇為320 kV。本文針對(duì)如東大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)的特點(diǎn)，提出高壓交流海底電纜輸送和柔性直流輸送的組合輸送方式，能夠在保證輸送容量技術(shù)要求的同時(shí)，最大限度地減少項(xiàng)目建設(shè)成本。

2 高壓交流輸送方式的無(wú)功配置和過(guò)電壓限制

2.1 無(wú)功配置

為解決高壓交流海底電纜輸送方式存在的充電電容電流及由于風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)性、間歇性導(dǎo)致的電能質(zhì)量問(wèn)題，針對(duì)如東1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)風(fēng)電場(chǎng)220 kV交流海底電纜電能輸送系統(tǒng)，從風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部35 kV電壓層和送出輸電系統(tǒng)220 kV電壓層2個(gè)層面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，裝設(shè)合適的無(wú)功補(bǔ)償裝置，保持分層分區(qū)的無(wú)功平衡，并以1號(hào)風(fēng)電場(chǎng)為例介紹具體的配置計(jì)算。

按照如東風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃，單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)容量為300 MW，1號(hào)風(fēng)電場(chǎng)距離海岸約50 km，按照本文輸電方案，1號(hào)風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)220 kV電壓等級(jí)接入電網(wǎng)。分別計(jì)算能夠保持風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部35 kV層無(wú)功平衡時(shí)的風(fēng)機(jī)初始運(yùn)行功率因數(shù)、考慮交流側(cè)220 kV層無(wú)功平衡工頻過(guò)電壓時(shí)的高抗容量及風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償容量，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 1號(hào)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功平衡計(jì)算結(jié)果表Tab.1 Reactive power balance calculation results in 1#wind farm

計(jì)算結(jié)果可以看出，將風(fēng)機(jī)的初始運(yùn)行功率因素設(shè)置為0.98就能夠確保風(fēng)電場(chǎng)35 kV電壓等級(jí)上的無(wú)功平衡；表1中不同容量高抗補(bǔ)償?shù)挠?jì)算是在風(fēng)電場(chǎng)百分百出力的運(yùn)行場(chǎng)景下進(jìn)行的，計(jì)算結(jié)果表明，裝設(shè)130 MV·A高壓并聯(lián)電抗器能夠達(dá)到輸電系統(tǒng)220 kV層的無(wú)功平衡，同時(shí)可以限制工頻過(guò)電壓；從對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償容量進(jìn)行計(jì)算之后得到的結(jié)果可以看出，當(dāng)風(fēng)機(jī)功率因數(shù)滿(mǎn)足連續(xù)可調(diào)的條件時(shí)，1號(hào)風(fēng)電場(chǎng)35 kV母線(xiàn)側(cè)若想達(dá)到無(wú)功平衡，則要裝設(shè)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置感性容量在60 MV·A以?xún)?nèi)。

2.2 HVAC系統(tǒng)過(guò)電壓

海上風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生的電能都需要長(zhǎng)距離的海底電纜線(xiàn)路進(jìn)行傳輸，同時(shí)配備一定的無(wú)功補(bǔ)償裝置。那么海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行方式產(chǎn)生改變、斷路器一旦動(dòng)作或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)和接入系統(tǒng)相應(yīng)的電氣參數(shù)也會(huì)隨之發(fā)生改變，從而可能導(dǎo)致工頻過(guò)電壓和操作過(guò)電壓，這就需要在過(guò)電壓產(chǎn)生之前采取相應(yīng)預(yù)防措施。本文利用ATP/EMTP以如東1號(hào)風(fēng)電場(chǎng)為模型建立220 kV海上風(fēng)電交流輸電系統(tǒng)等效模型，改變系統(tǒng)運(yùn)行方式或設(shè)置不同的故障類(lèi)型和不同位置，仿真計(jì)算相應(yīng)場(chǎng)景下的過(guò)電壓水平，并組建對(duì)應(yīng)抑制措施及絕緣保護(hù)方案。

HVAC輸電系統(tǒng)海上風(fēng)電產(chǎn)生的內(nèi)部過(guò)電壓按原因分類(lèi)可歸為2類(lèi)：因?yàn)殚_(kāi)關(guān)操作或事故狀態(tài)導(dǎo)致的操作過(guò)電壓和因?yàn)橄到y(tǒng)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)導(dǎo)致的工頻過(guò)電壓，操作過(guò)電壓是暫態(tài)的，而工頻過(guò)電壓則具備穩(wěn)態(tài)特性，會(huì)持續(xù)存在[7-8]。主要對(duì)海纜的長(zhǎng)線(xiàn)電容效應(yīng)、不對(duì)稱(chēng)接地和海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行方式改變仿真計(jì)算工頻過(guò)電壓，對(duì)開(kāi)空變、切空線(xiàn)、合空線(xiàn)等故障類(lèi)型計(jì)算操作過(guò)電壓，采用J.Marti模型建立海底電纜，選用SCCF-YJQF41型35 kV海底電纜作為集電海纜，HYJQ41-F127/220型光纖復(fù)合海底電纜為輸電海纜。計(jì)算結(jié)果如表2所示，因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變化決定了內(nèi)部過(guò)電壓的大小，所以過(guò)電壓在數(shù)值上表現(xiàn)出與系統(tǒng)的額定電壓的一定比例關(guān)系，由此本文采用過(guò)電壓倍數(shù)表征過(guò)電壓幅值的大小。

表2 不同故障類(lèi)型下過(guò)電壓水平Tab.2 Over-voltage level under different fault tapes

表2的計(jì)算結(jié)果可以看出，工頻過(guò)電壓以不對(duì)稱(chēng)短路最嚴(yán)重，但通過(guò)在海纜末端并聯(lián)電抗器可以有效抑制過(guò)電壓在安全范圍內(nèi)，補(bǔ)償度的選擇由輸電線(xiàn)路充電功率所決定，為后者的60%～70%；操作過(guò)電壓雖然屬于暫態(tài)性變量，但幅值較大，尤其是操作空載變壓器時(shí)，最大過(guò)電壓幅值達(dá)到5.81 pu，限制的手段主要采用具有更好滅弧性能的斷路器、帶并聯(lián)電阻的斷路器、裝設(shè)氧化鋅避雷器等，并聯(lián)高壓電抗器對(duì)抑制操作過(guò)電壓也有效果，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，采取相應(yīng)措施后能夠?qū)⒉僮鬟^(guò)電壓限制在安全范圍。

3 柔性直流輸送方式的組網(wǎng)方式和過(guò)電壓限制

3.1 組網(wǎng)方式

將如東H4號(hào)、如東H5號(hào)、如東H6號(hào)、如東H7號(hào)、如東H8號(hào)、如東H10號(hào)6個(gè)風(fēng)電場(chǎng)分別集中為900 MW等級(jí)的風(fēng)力發(fā)電容量，按2回高壓柔性直流方式打捆送出，因此有必要研究多風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)合送出的組網(wǎng)拓?fù)浞桨浮?/p>

采用直流輸電系統(tǒng)傳輸電能就決定了系統(tǒng)內(nèi)部電能的形式不再是傳統(tǒng)交流電，其組網(wǎng)方式也必將發(fā)生改變。直流組網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式靈活多樣，其實(shí)現(xiàn)的功能是統(tǒng)一的，風(fēng)電機(jī)組輸出的電能經(jīng)過(guò)整流站整流升壓后，通過(guò)直流電纜輸送至換流站，再經(jīng)過(guò)換流站逆變?yōu)榕c接入電網(wǎng)同頻率的交流電，實(shí)現(xiàn)電能輸送[9]。

根據(jù)直流組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的輸入輸出特性將其分為集中型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、分組型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和直流母線(xiàn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。所謂集中型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是將風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)所有機(jī)組輸出電能經(jīng)過(guò)交流母線(xiàn)統(tǒng)一接入換流站，再通過(guò)整流處理之后經(jīng)由直流電纜傳輸?shù)浇涣鱾?cè)換流站，通過(guò)逆變裝置輸送至電網(wǎng)。特點(diǎn)是風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的所有機(jī)組具有相同的轉(zhuǎn)速和頻率（機(jī)組分群時(shí)可有多個(gè)轉(zhuǎn)速），建設(shè)一對(duì)換流站對(duì)直流和交流之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理可以明顯減少項(xiàng)目在建設(shè)費(fèi)用上的投資，然而這種方式降低了風(fēng)電場(chǎng)對(duì)風(fēng)能的利用率，同時(shí)在風(fēng)電場(chǎng)的后續(xù)發(fā)展和建設(shè)中存在阻礙作用，并不適合大型風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)。分組型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是相對(duì)集中型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的升級(jí)版，通過(guò)將風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組分群，各機(jī)組群通過(guò)獨(dú)立的柔性直流輸電系統(tǒng)接入電網(wǎng)，相當(dāng)于多個(gè)集中型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)輸電系統(tǒng)并聯(lián)傳輸電能，雖然能夠有效提高風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能捕獲率，但同時(shí)極大增加了項(xiàng)目建設(shè)成本。直流母線(xiàn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組網(wǎng)方式綜合了前2種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，采用各機(jī)組群的輸出電能各自經(jīng)過(guò)換流站整流后傳輸?shù)焦仓绷髂妇€(xiàn)上，再因地制宜選擇合適個(gè)數(shù)的直流電纜傳輸至電網(wǎng)側(cè)換流站逆變后接入電網(wǎng)。上述多端口拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)于電網(wǎng)互相連通十分有利，同時(shí)使風(fēng)電機(jī)組處于高效運(yùn)行狀態(tài)，利于風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)一步的發(fā)展和建設(shè)，在成本上的投資高于集中型但優(yōu)于分組型。因控制系統(tǒng)更為復(fù)雜，且對(duì)電網(wǎng)側(cè)換流站要求更高，因此為大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)提供了更大的靈活性和可調(diào)節(jié)性。

分組型組網(wǎng)方案要求敷設(shè)多條直流線(xiàn)路，故不在考慮范圍內(nèi)。集中型組網(wǎng)方案因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)在已有或新建的并網(wǎng)容量確定的風(fēng)電場(chǎng)得到廣泛的推廣和應(yīng)用，風(fēng)電接入電網(wǎng)的容量決定了DC系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇，然而不能促進(jìn)風(fēng)電場(chǎng)之后的發(fā)展和建設(shè)，并會(huì)導(dǎo)致接入系統(tǒng)的全部風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的速度和頻率一致，也不利于風(fēng)力的出力控制?？紤]到如東各個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)的投資方不同，建成時(shí)間先后有別，因此考慮采用直流母線(xiàn)型組網(wǎng)方案，這種連接方式既可以滿(mǎn)足不同風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行在不同的頻率下，利于風(fēng)能捕獲的優(yōu)化控制，也使得系統(tǒng)配置靈活，易于擴(kuò)展，該方式共直流母線(xiàn)架構(gòu)，因此易于在直流母線(xiàn)上添加其他功能模塊，如風(fēng)機(jī)及其整流器等，優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，因此該組網(wǎng)方式高效、靈活，方便今后進(jìn)一步護(hù)展。

3.2VSC-HVDC過(guò)電壓

考慮到直流海纜在成本、運(yùn)行維護(hù)上投資高昂，難于敷設(shè)和維護(hù)等現(xiàn)狀[10-12]，本文著重研究了考慮海底海纜耐受過(guò)電壓能力的絕緣配合方案。利用PSCAD/EMTDC仿真研究VSC-HVDC系統(tǒng)在不同故障類(lèi)型下的過(guò)電壓水平，系統(tǒng)搭建以如東海上風(fēng)電場(chǎng)4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、10號(hào)風(fēng)電場(chǎng)電能輸送為原型，即電壓等級(jí)為±320 kV、900 MW等級(jí)風(fēng)力發(fā)電容量、2回高壓柔性直流方式打捆送出，接入220 kV電網(wǎng)。

系統(tǒng)主要參數(shù)：交流系統(tǒng)的電壓等級(jí)整流側(cè)額定運(yùn)行電壓為230 kV，逆變側(cè)為230 kV；變壓器額定變壓比（kV）為230/341.3，容量為341×3 MV·A，短路阻抗為15%，聯(lián)結(jié)方式為整流側(cè)Y0△，逆變側(cè)△Y0；直流線(xiàn)路參數(shù)為直流額定電壓為±320 kV，直流額定電流1 600 A，輸送功率為1 000 MW，電纜長(zhǎng)度為60 km，平波電抗器為80 mH。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 VSC-HVDC系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭DFig.1 VSC-HVDC system topology

VSC-HVDC系統(tǒng)的控制方式為整流側(cè)選擇定有功功率控制，逆變側(cè)選擇定直流電壓控制從而實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)有功功率；無(wú)功的控制選擇為逆變側(cè)定交流電壓控制；交流電流的控制則選擇基于deadbeat控制的交流電流控制器實(shí)現(xiàn)[13]，如圖2所示。

圖2 VSC-HVDC控制系統(tǒng)示意圖Fig.2 VSC-HVDC control system

表3 嚴(yán)重故障下?lián)Q流站各關(guān)鍵點(diǎn)過(guò)電壓Tab.3 Key points over-voltage of converter station under severe fault

仿真計(jì)算各故障類(lèi)型下過(guò)電壓水平如表3所示。

為突出關(guān)鍵點(diǎn)承受的最大過(guò)電壓，以各關(guān)鍵點(diǎn)為橫坐標(biāo)，過(guò)電壓倍數(shù)（過(guò)電壓與基準(zhǔn)電壓的比值）為橫坐標(biāo)做出折線(xiàn)圖，如圖3所示。

圖3 不同故障類(lèi)型下的關(guān)鍵點(diǎn)過(guò)電壓Fig.3 The key point over-voltage under different fault types

實(shí)際操作中，短路或斷路事故很難發(fā)生在換流站廳中的閥橋臂上，將其視為絕緣設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)不具有參考意義。另一方面，從圖5能夠明顯看出，過(guò)電壓水平最嚴(yán)重是的直流電極接地故障、換流變閥側(cè)三相接地和單相接地故障，因此考慮直流電纜絕緣配合時(shí)應(yīng)以此設(shè)計(jì)，并保留一定裕度，GB 311.1—2012推薦絕緣裕度為30%。

對(duì)VSC-HVDC系統(tǒng)的換流站設(shè)備，采用避雷器限制可能出現(xiàn)的操作過(guò)電壓或雷擊過(guò)電壓[14-15]。本文基于確定性法，即在考慮避雷器配合電流值及波形的基礎(chǔ)上，由避雷器保護(hù)過(guò)電壓和一個(gè)確定系數(shù)的乘積計(jì)算該被保護(hù)設(shè)備的耐受過(guò)電壓水平。在綜合考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及技術(shù)性后，根據(jù)仿真計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)過(guò)電壓的水平設(shè)計(jì)了如圖4所示的避雷器配置方案，以換流站側(cè)為例，逆變側(cè)相似。

圖4 柔性直流輸電換流站避雷器配置圖Fig.4 Arrester configuration scheme for VSC-HVDC converter station

位于變壓器兩側(cè)的避雷器主要能夠保護(hù)換流站的母線(xiàn)設(shè)備，以及限制變壓器一次側(cè)和二次側(cè)過(guò)電壓及繞組相-地過(guò)電壓，也可作為變壓器閥側(cè)接地支路保護(hù)；橋臂電抗上并聯(lián)的避雷器用于削弱橋臂電抗的絕緣能力；橋臂電抗與換流閥之間的避雷器用于與直流母線(xiàn)上的避雷器和變壓器右側(cè)避雷器配合保護(hù)橋臂電抗及SM子模塊；跨接在換流閥上的避雷器能夠避免換流閥承受過(guò)電壓；直流母線(xiàn)避雷器及直流線(xiàn)路避雷器可以保護(hù)直流母線(xiàn)、直流電纜及連接的高壓設(shè)備。

4 結(jié)論

1）根據(jù)如東大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)的分布情況，提出了1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)風(fēng)電場(chǎng)采用220 kV高壓交流海底電纜輸送電能，4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、10號(hào)風(fēng)電場(chǎng)采用柔性直流輸電系統(tǒng)輸送電能的優(yōu)化組合輸送方式。

2）風(fēng)機(jī)的初始運(yùn)行功率因素設(shè)置為0.98即可保證風(fēng)電場(chǎng)在35 kV電壓等級(jí)上的無(wú)功平衡；裝設(shè)130 Mvar高壓并聯(lián)電抗器能夠滿(mǎn)足輸電系統(tǒng)在220 kV電壓等級(jí)上的無(wú)功平衡。

3）在海纜末端并聯(lián)補(bǔ)償度為60%～70%的電抗器，能夠有效限制工頻過(guò)電壓；限制操作過(guò)電壓的策略需要根據(jù)海上風(fēng)電場(chǎng)的具體布置具體設(shè)計(jì)。

4）直流母線(xiàn)型組網(wǎng)方案適用于如東海上風(fēng)電場(chǎng)的柔性直流輸電方式。

5）柔性直流輸電系統(tǒng)過(guò)電壓主要分布在換流站設(shè)備的換流變兩側(cè)、換流閥兩側(cè)對(duì)地、閥兩端、橋臂電抗兩端、平波電抗兩端及直流線(xiàn)路，應(yīng)對(duì)這些關(guān)鍵點(diǎn)具體設(shè)計(jì)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 進(jìn)（1975—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)和新能源規(guī)劃與技術(shù)管理。

（編輯 張曉娟）

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51477121）。

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

1674-3814（2016）11-0107-07

TM722

B