海上风电并网输电工程分析

海上风电并网输电工程分析

彭伟

福建平潭大唐海上风电有限责任公司

福建省福州市 350400

摘要：近年来，我国对电能的需求不断增加，海上风电建设越来越多。针对风电交流汇集直流送出、低成本直流送出、多端直流送出和多电压等级直流送出技术，全面论述了海上风电直流送出技术在系统拓扑、装备、控制与保护方面的现状和存在的问题，以及研究热点和发展趋势，指出海上风电场集群共享直流集中送出是近期的主流方案，系统的宽频振荡是亟待解决的问题，使整体系统体现主导电源特征是关注的热点。为降低成本，基于二极管整流送出的技术路线具有良好的预期，但纯二极管整流送出需要风电机组的改进。本文首先分析了分散式风电的特点，其次探讨了海上风电并网的关键技术，以供参考。

关键词：海上风电；直流送出；直流并网

引言

电压稳定性是指电力系统在受到干扰后在维持电压稳定的能力。此外，根据干扰的类型或根据可能发生不稳定的时间跨度，电压稳定性可以分为静态稳定和暂态稳定两类。风电场的静态电压稳定主要是由于风速跟负荷的波动性以及不确定性，会造成含风电系统的电压不稳定;当含风电场的电力系统中发生故障，如果没有及时得到处理，就会造成更为严重的暂态稳定问题。为此，系统掌握风电场并网带给电力系统电压稳定性的影响情况，有利于明确科学的管控对策，确保电网运行的稳定性。

1分散式风电的特点

分散式风电在开发建设、并网消纳等方面有着明显的特点。分散式风电的优点就是对周围环境具有很强的适应性，几乎所有的地形地貌中都可以建设使用，能够有效地提升偏远地区风能资源的利用率。分散式风电的容量较小，机组建设占地面积小，对于一些土地资源并不丰富的地区来说在一定程度上节省了很多空间。分散式风电还有就近消纳的优点，由于分散式风电的建设距离负荷中心近，不需要远距离地进行电力输送，有效降低了在电力运输过程中产生电能消耗的损失，而且分散式风电机组产生的风电资源可以直接接入电网，对风速的要求也不需要太高，在当地就能将风电消纳，解决了弃风限电的相关问题。

2海上风电并网的关键技术

2.1海上风电多电压等级直流送出系统拓扑

随着10MW以上风电机组的下线以及20MW机组研发计划的推出，可以预见未来单个风电场的海域将急剧扩大，风电场内网采用直流汇集电力成为新的需求，直流输出型风电机组的概念应运而生。直流风电场及其送出系统是最小的风电多电压等级直流送出系统。根据直流风电机组汇流及升压方式的不同，海上直流风电场的拓扑结构主要可以分为2类：①直流型风机并联汇聚+直流变电站升压拓扑，这种汇流方式控制灵活、可靠性高，但对直流变电站中DC/DC变压器的增益要求高；②直流型风机直接串联汇聚升压拓扑，该方案中无需升压站，成本与并联汇聚方案相比较低，但串联汇聚升压要求风电机组的对地绝缘高，且串联风机间的耦合特性也使得风电场的运行控制非常复杂，并且个别风况下有弃风的风险。针对广阔的远海大型海上风电基地的电力汇集与送出，需要采用多电压等级直流电网接入方案。直流型风电场经单双极性变换后接入海上直流变电站低压端，交流型风电场经换流后接入海上直流变电站低压端，直流变电站可以是多端口直流变压器，也可以由双端口直流变压器互联构建。海上直流变电站汇集多个风电场的电力，经升压后远距离输送接入岸上直流电网的变电站；岸上直流电网由直流变电站、线路、断路器和直流潮流控制器组成，经多端换流站融入交流大电网。

2.2电压受转子反馈控制改变形成的影响分析

受到机端电压跌落的影响，此时转子的运转速度开始加快，直至产生飞车的情况，所以，可以从中获悉，通过对转子的转速加以科学管控，可以进一步增强风电场的动态电压性能。如果产生了三相短路的故障问题，在这个时候，无论是机端电压，还是功率，均受到时间的变化随之形成很大的改变。在此过程当中，电压会处于一瞬间产生跌落的现象，然后回至0．8pu，有功功率则出现震荡的情况，无法保证稳定性。面对转速反馈控制的状况时，电压和有功功率可以处于很短的时间当中，产生的震荡现象将得以恢复正常，拥有良好的稳定性。一般情况下，借助此种管控措施，目的在于让风力机组的输出变得更加稳定，当机组的转速逐渐加快以后，此系统依然处于短路的时候能够获得良好的稳定性。

2.3优化规划技术及运行控制技术

风电作为不具稳定性的电源在并入配电网不同的地方和容量时，会对电网系统的电压稳定性和潮流分布以及网损量产生不同的影响，这就要求更高的监管系统和继电保护系统。正确的选址会增强电网的安全运行性和稳定性，不合理的选址则会减弱稳定性，降低电网中的负荷率，增加网损量。除此之外，分散式风电并网规划还要根据电网中负荷的情况进行合理的电网布局，使分散式风电机组的定容达到最大化，在电压稳定、高可靠性的前提下提高经济利润。分散式风电的能量来源与风电本身的不确定供应有关，处理不好风电的接入量的问题会关系到电网的稳定性，由于风电资源的变化幅度较大，风速快、风力强时会超出分散式风电机组所需要的风电资源，造成直接影响。既然无法找到风力资源的规律，就需要对配电网进行相应的电压范围调节，在造成电网伤害最小的前提下，最大程度接入风电的电量，这就对分散式风电并网的技术提出了更高的技术要求。

2.4要能够对并网风电机组进行在线监测和运行状态评估

由于风力大小、风向的不确定和难以预测，使得风电机组在不同运行状态之间频繁切换，导致风电机组各部件的随机性、动态性和相关性的特征明显，加之工作环境恶劣，各部件因负荷、磨损和腐蚀造成机械性能(如绝缘强度、疲劳强度等)下降，风机的运行性能随运行时间的增长而逐年下降。相比陆地风电，由于海水深度不同、海床结构复杂多变，加之可到达性差，海上风电机组面临更恶劣的运行环境和更高的运行维护成本，因此快速、精确、全方位地监测和评估风电机组的运行状态和实现机组故障诊断，将内部故障成本降低到最小，对于海上风电场的高效运行和有效维护，实现大规模海上风电安全高效并网具有重要意义。

2.5电压受转子反馈控制改变形成的影响分析

受到机端电压跌落的影响，此时转子的运转速度开始加快，直至产生飞车的情况，所以，可以从中获悉，通过对转子的转速加以科学管控，可以进一步增强风电场的动态电压性能。如果产生了三相短路的故障问题，在这个时候，无论是机端电压，还是功率，均受到时间的变化随之形成很大的改变。在此过程当中，电压会处于一瞬间产生跌落的现象，然后回至0．8pu，有功功率则出现震荡的情况，无法保证稳定性。面对转速反馈控制的状况时，电压和有功功率可以处于很短的时间当中，产生的震荡现象将得以恢复正常，拥有良好的稳定性。

结语

综上所述，鉴于风能的随机性、间歇性特征十分显著，与风电场运用异步发电机的部分特性，受到风电装机容量日益增大的影响，使其在配电网中的作用逐渐变大，应该确保风电并网运行的安全性与稳定性。面对此过程当中经常出现的风电系统电能质量降低、电压失稳等问题，有必要积极开展针对并网风电场带给电压稳定性影响情况的探究工作。

参考文献

［1］付伟，熊阳，郑国．并网风电场对电力系统电压稳定性影响的研究［J］．技术与市场，2011，18(08):111．

［2］张孝乾．含风电场的电力系统静态电压稳定性研究［J］．电工技术，2018(24):111-114．

［3］付小伟，王进，郭伟，郑剑武．风电集中并网运行对系统电压稳定性的影响研究［J］．电气技术，2012(08):59-62+91．