風(fēng)力發(fā)電與直流輸電

1、1風(fēng)電發(fā)展概述21世紀(jì)初，歐洲和北美洲是全球風(fēng)電發(fā)展最快的地區(qū)，近年來亞洲風(fēng)電快 速崛起，逐漸成為風(fēng)電的主要市場。2013年，世界風(fēng)電裝機容量為3.2億千瓦， 約占發(fā)電總裝機容量的5.6%；風(fēng)電發(fā)電量約為6400億千瓦.時，約占總發(fā)電量的 2.9%。2000-2013年，世界風(fēng)電總裝機容量和發(fā)電量均增長17倍，年均增長25%。 目前，全球已有103個國家和地區(qū)在開發(fā)和利用風(fēng)電，特別是歐美國家風(fēng)電已經(jīng) 占到較高比例一一電已成為丹麥和西班牙的最大電源，風(fēng)電占用量比重分別達(dá) 34%、21%。隨著風(fēng)力發(fā)電快速、成熟的發(fā)展，很多國家已經(jīng)將目光移向海上風(fēng)力發(fā)電。 海上風(fēng)電憑借其天然優(yōu)勢得以迅速發(fā)展?，F(xiàn)如今

2、，大型風(fēng)電場正從陸地向海上發(fā) 展。相比陸上風(fēng)電場，近海發(fā)電有：1）海上風(fēng)速較陸上大且穩(wěn)定，一般陸上風(fēng)電場設(shè)備的平均利用小時數(shù)為2000 h， 在最好的情況下也不超過2600 h，而在海上，設(shè)備的平均利用小時數(shù)則可 達(dá)3000 h以上，風(fēng)能與風(fēng)速的三次方成正比，當(dāng)風(fēng)速增加10%時，風(fēng)能將 會增加33%；2）節(jié)約土地資源，減少噪聲及對公眾視覺的沖擊；3）湍流強度低，海平面摩擦力小，作用在風(fēng)電機組上的疲勞載荷小，可延長設(shè) 備的使用壽命，基礎(chǔ)也可重復(fù)利用，設(shè)計壽命可達(dá)50多年；4）風(fēng)切度小，不需要很高的塔架，可以降低風(fēng)電機組的成本?？傊?，海上風(fēng) 能利用更加充分,其能量收益比沿海風(fēng)資源豐富地區(qū)陸地風(fēng)機高

3、出20% 40%。同時，開發(fā)海上風(fēng)電場也有一些缺點，包括：1）由于海上環(huán)境惡劣，建造和安裝成本高，近海風(fēng)電投資成本比是陸地的一倍 （達(dá)2萬元/k W），其中，風(fēng)機（含塔架）占58%,基礎(chǔ)占20%,電氣系統(tǒng)占16%, 項目管理占4%，其他占2%。2）電網(wǎng)接入集成成本高；3）對機組的運行及維護(hù)相對比較困難，直接導(dǎo)致機組可利用率下降，影響發(fā)電 量。2 VSC-HVDC在風(fēng)電并網(wǎng)中的應(yīng)用風(fēng)能是一種清潔、高效、且具有大規(guī)模開發(fā)潛力的優(yōu)質(zhì)可再生能源之一，因 此，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了普遍的關(guān)注與飛速的發(fā)展。但是由于風(fēng)能 穩(wěn)定系數(shù)較低，大范圍變化如暫時性的風(fēng)向和風(fēng)速變化均時常發(fā)生，造成輸出的 電壓或

4、者電流也隨其頻繁波動，而風(fēng)力發(fā)電場輸出電能和連接風(fēng)力發(fā)電場的該輸 電系統(tǒng)的相應(yīng)控制方法、技術(shù)和相對適用的系統(tǒng)特性還有待研究研發(fā)。而且規(guī)模 化的風(fēng)電場多處在遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的偏遠(yuǎn)地區(qū)或海上（海島），風(fēng)電無法就地消納， 且當(dāng)?shù)氐慕涣飨到y(tǒng)強度較弱。目前主要有三種輸電方式，交流輸電、傳統(tǒng)HVDC 輸電、VSC-HVDC輸電。HVAC交流輸電線路是互聯(lián)小型近海風(fēng)電場和交流電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)有效的方法。目前，交 流并網(wǎng)技術(shù)已被大多數(shù)風(fēng)電場所使用，但是現(xiàn)有交流并網(wǎng)方案普遍存在如下技術(shù) 瓶頸：首先，采用交流并網(wǎng)技術(shù)的前提條件是：風(fēng)電場和所連接的交流系統(tǒng)的頻 率必須嚴(yán)格保持同步，同時風(fēng)機對并網(wǎng)處交流母線電壓波動較為敏感，現(xiàn)有

5、運行 經(jīng)驗表明，交流系統(tǒng)電壓波動是造成風(fēng)機退網(wǎng)的主要因素之一；其次，在交流系 統(tǒng)發(fā)生故障的情況下，為保證風(fēng)電場的穩(wěn)定運行，往往需要在風(fēng)場側(cè)加裝無功補 償裝置來提高風(fēng)電場故障穿越能力，這樣勢必會加大了風(fēng)電場的總體投資；最后， 對于采用交流并網(wǎng)的海上風(fēng)電場來說，當(dāng)電纜長度超過一定數(shù)值后，需要很大的 感性無功補償裝置，尤其是對于距離岸邊較遠(yuǎn)的風(fēng)電場來說，在線路中間進(jìn)行無 功補償幾乎沒有可能，交流輸電由于較高的充電功率不太適宜于長距離的海上風(fēng) 電并網(wǎng)。風(fēng)電場)dx無勸補償裝置)dx無勸補償裝置LCC-HVDC高壓直流輸電技術(shù)非常適合遠(yuǎn)距離風(fēng)場并網(wǎng)，用于風(fēng)電并網(wǎng)的直流輸電技術(shù) 具有以下優(yōu)勢：風(fēng)場和受端電

6、網(wǎng)之間由直流線路解耦，因此可隔離交流電網(wǎng)故障 傳播；直流輸電不受電纜充電電流的限制，因此沒有傳送距離的限制；直流電纜 的功率損耗比等價的交流電纜工程小。技術(shù)發(fā)展成熟，適用于高輸送功率水平的情況。目前國內(nèi)向家壩上海800 快V特高壓直流輸電工程是世界上建成的電壓等級最高、輸送距離最遠(yuǎn)、容量最 大的直流輸電工程，額定輸送功率容量為6400MW。當(dāng)技術(shù)用于風(fēng)電并網(wǎng)并使用 海底電纜時，在500kV電壓水平下的最大輸送功率可以達(dá)1200MW.在電纜并聯(lián) 情況下，還可以達(dá)到更高的功率水平。的可靠性經(jīng)過四十多年的運行經(jīng)驗已經(jīng)得 到證明，該技術(shù)的功率損耗比的損耗小。換流器正常運行時需交流電網(wǎng)提供換相 電流，保

7、證換相的可靠性，所連交流系統(tǒng)必須具有足夠的容量，即必須有足夠的 短路比（否則容易發(fā)生換相失敗。為了使整流器和逆變器正常運行，換流站交流 電網(wǎng)的短路容量至少為直流系統(tǒng)額定容量的3倍。對于海上風(fēng)電場，在沒有本地 交流電網(wǎng)的情況下，可以外加STATCOM或者柴油發(fā)電機來提供必需的短路容量。LCC換流器的控制只能通過改變變流器的觸發(fā)相位角來實現(xiàn)，控制量僅有一 個自由度，因此換流器無法獨立控制系統(tǒng)的有功和無功功率。換流器在換流時需 要消耗大量的無功功率，其數(shù)值約為輸送直流功率的40%60%，因此每個換流站 均需裝設(shè)大量的無功補償裝置及濾波設(shè)備，而且在甩負(fù)荷時會出現(xiàn)無功過剩，可 能導(dǎo)致過電壓。雖然常規(guī)基于

8、晶間管的高壓直流輸電技術(shù)對于海上風(fēng)電并網(wǎng)也是可行的，但 需大量的無功補償裝置，且交流濾波器占用的空間甚至超過了換流器設(shè)備的空間。 此外其他附加設(shè)備，如直、交流開關(guān)站以及直流平波電抗器裝置都需要較大的空 間，這些都將大大增加海上平臺的體積和在極端環(huán)境下施工的復(fù)雜程度。迄今為 止，LCC-HVDC工程的換流站均是建立在陸地上的。VSC-HVDC用于風(fēng)電并網(wǎng)時具有以下優(yōu)點：采用的是可關(guān)斷器件，不需借助外部電壓源，因此應(yīng)用在海上風(fēng)電并網(wǎng)時， 不需外接換相設(shè)備；控制靈活，可以獨立控制有功和無功功率，因此當(dāng)負(fù)荷變化 時，不需要投切濾波器和無功補償設(shè)備；可以起到靜止無功補償器（的作用，為 交流電網(wǎng)提供動態(tài)無

9、功功率。除上述特點外，VSC較之LCC具有緊湊化、模塊化設(shè)計，易于移動、安裝、 調(diào)試和維護(hù)、易于擴(kuò)展和實現(xiàn)多端直流輸電等優(yōu)點，在連接海上風(fēng)電場時非常有 優(yōu)勢，且其輸電不受距離限制，因此也是國外大型遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電場并網(wǎng)的唯一 選擇。采用VSC進(jìn)行風(fēng)電并網(wǎng)時，受端系統(tǒng)交流故障期間，其換流站可以提供額 定短路電流，且交流母線電壓的下降不會引起換相失敗，受端系統(tǒng)故障不會傳遞 到海上風(fēng)電場。輸電系統(tǒng)可對風(fēng)電功率進(jìn)行快速、靈活的控制，還可以動態(tài)補償 風(fēng)電場系統(tǒng)無功功率，穩(wěn)定并網(wǎng)母線電壓，改善交流系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性和并網(wǎng)點 附近電網(wǎng)的電能質(zhì)量。由于風(fēng)力發(fā)電受到風(fēng)速等因素的影響，輸出功率具有波動性和間歇性。而采

10、 用多端直流輸電系統(tǒng)連接風(fēng)電場，既能靈活連接處于不同地理位置的風(fēng)電組群， 又可以利用多端的優(yōu)勢實現(xiàn)功率協(xié)調(diào)互補，平穩(wěn)供電重要負(fù)荷。2.4并網(wǎng)技術(shù)比較對于風(fēng)電并網(wǎng)方式的選擇，需要綜合考慮各種風(fēng)電并網(wǎng)方式的特點。交流輸 電并網(wǎng)方式具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點，存在的主要問題是輸電距離、輸電容 量以及電壓等級都有一定的限制，因此僅適合近距離、小容量的海上風(fēng)電場并網(wǎng)。 LCC-HVDC技術(shù)對所連交流系統(tǒng)的強度有一定的要求，容易發(fā)生換相失敗，這對 于風(fēng)電場來說大大降低了其安全穩(wěn)定運行的能力。其次，在交流電網(wǎng)較弱或者沒 有交流系統(tǒng)情況下，LCC-HVDC需要附加同步調(diào)相機或STATCOM來保證晶間管換 流器正常換相在傳輸同樣容量的功率情況下，需安裝大量的無功補償裝置， LCC-HVDC要比交流和VSC-HVDC方案占用更多的空間（兩倍以上），因此不適合 在海上風(fēng)電場使用。VSC-HVDC較之具有緊湊化、模塊化設(shè)計，易于移動、調(diào)試 和維護(hù)，易于擴(kuò)展實現(xiàn)多端直流輸電；可以動態(tài)補償交流母線的無功功率，為風(fēng) 電場提供良好的動態(tài)無功支撐；能夠提供電壓支撐作用，可改善風(fēng)電場在交流系 統(tǒng)故障情況下的低電壓穿越能力；它的黑啟動能力也使得這項技術(shù)