高压直流输电对海上风电场影响的调查报告

Meeni kumari¹拉梅什²

金奈大学MGR博士

摘要

目前的可再生能源方案涉及海上风电场，与陆上风电场相比，海上风电场承诺提供大量的能源生产。在海上的效率为70-80%，而在陆地上为10-20%。这带来了能量的利用;但使用这种能源需要国家建立这种巨大能源来源的经济可行性。此外，将海上风电场整合到陆上电网中需要一种良好的技术，包括大量使用电力电子设备。对于海上风电场与陆上电网的连接，有三种互连方式:a)HVAC电缆b) lc -HVDC(基于线路换向的HVDC)连接c) VSCHVDC(基于电压源变换器的HVDC)。本文是对讨论这三种联系的七篇论文的综述;他们的优点和缺点，以便一个完美的系统可以设计。

介绍

能源需求日益增长，为了满足这种日益增长的需求，人们正在寻找新的能源。风能是最受欢迎的可再生能源之一。风遍布全球;变化在于它的数量。人们一直在努力利用这种可再生资源作为风力发电厂。据估计，到2020年，全球12%的电力将由风能提供。

早些时候只有陆上风力发电场，但最近世界正在关注海上风力发电场。这种海上能源必须带到陆地上，这是一项艰巨的工作，但电力电子领域的最新发展使这项任务变得容易。海上风力涡轮机的设置和集成需要大量的投资，而高压直流输电为距离主电网较远的大型风力发电场提供了许多技术、经济和环境优势。在不久的将来，所有的陆上风力发电场都将被占用，但能源需求的增长不会停止。在这种情况下，离岸将是一个简单的解决方案。

海上的风比陆地上的风更稳定，更不受干扰。这是因为没有山丘，山谷和持续的风向变化较小的风的存在。在陆地上的效率为10-20%，在海岸附近的效率为20-30%，在近海的效率为40-50%，在海上的效率为70-80%。在海上能源的使用中看不到基本的技术问题，延迟只是由于恶劣的天气条件，运输和放置平台和风力涡轮机的船只等设备不可用，以及港口设施和劳动力的限制。这导致了一些技术和经济上的挑战。

将海上风电场与陆上电网整合的两种主要技术，即HVAC和HVDC。暖通空调是已经安装和使用的系统，而高压直流是即将进入市场的系统。高压直流互连基本上是LCC和VSC连接。其中，Line换向HVDC (lc -HVDC)已经运行了30多年，具有很高的可靠性。高压直流技术的使用涉及四个因素，这些因素可以大大增加其未来的使用;HVDC线路投资成本的显著降低，风力涡轮机容量的增加，开发具有高风力发电潜力的孤立地点的可能性以及更大的电力流动能力。

本文研究了这三种互连模式，以便建立合适的系统模型。

2论文调查

论文(1)-作者讨论了欧洲日益增加的海上风电场安装。作者认为，通过改进叶片和机房的电气设计，风力收集的效率不断提高。欧洲主要在北海和波罗的海的发展表明，大型风力发电场计划在离海岸线很远的地方建设。此外，需要在陆地上覆盖几公里才能找到合适的电网接入点。本文讨论了电网接入的两种可能性:高压直流输电和暖通空调，并对两种方法给予了同等的关注。

交流/直流解决方案的选择主要取决于风电场到海岸的距离及其与电网的连接点。交流电缆的解决方案在总长度和最大传输能量上是有限的。当海上风电距离海岸线较近，并网点也较近时，采用交流连接。根据电缆类型和功率要求，总长度限制在50km以内。然而，直流解决方案的长度是无限的，并且主要用于将海上风电场连接到远在陆地内部的电网连接点的较长距离(50- 100公里)。此外，由于人口和工业少，大多数国家在海岸线上很弱，因此电网接入点可能距离海岸线50-100公里。

交流海底电缆的传输能力受最大额定电压的限制，其传输范围为150kv-170kv，最大功率传输范围为300- 400MW。采用晶闸管技术的直流变换器具有3000MW以上的功率传输能力。但是，海上换流站需要巨大的设备为晶闸管换向过程提供无功功率。此外，采用VSC在技术和经济上都有优势，可以在可接受的成本水平上连接大型海上风电场，并在北海用于高达400MW的电力容量。此外，VSC结构紧凑，具有自换流和黑启动能力，而传统的HVDC使用线换流电流源转换器的原理，具有仅具有导通能力的晶闸管，只有在电流过零时才能关断。

本文比较了海上集成中使用的三种技术，但在给出系统设计的清晰视图方面滞后。

本文提出了经济和技术分析，评估了电网通过直流链路连接海上风电场的利弊。它介绍了各国可能的输电方案，描述了暖通空调和高压直流输电的优点和缺点。本文研究了海上风力发电集输系统的刺簇结构。列举了HVAC相对于HVDC的缺点，如电容充电问题、海上和陆上电网之间发生谐振导致电压畸变、电缆成本和电网之间的故障传播。

通过对100MW风电场的案例研究，证明了在离岸和陆上电网距离为90km时，高压直流输电的可靠性。对于60km的距离，考虑损耗敏感性，从经济分析来看，HVDC的成本比HVAC高20%。成本的增加是由于VSC-HVDC的整体安装和功率损耗。

论文(3)提出了一种将大型海上DFIG风电场与STATCOM控制的公共采集总线集成到陆上电网的解决方案，使用线路换向HVDC连接。所研究的电力系统包括一个基于DFIG的海上风电场，一个用于高压直流整流站和辅助设备的岛式平台，交流滤波器和STATCOM单元。电容式交流滤波器补偿HVDC变流器的无功吸收，STATCOM提供精细的无功控制。STATCOM是一个电压源，提供HVDC链路所需的换流电压，并在干扰和故障情况下为网络提供动态无功补偿。STATCOM的这一特性与LCC相结合，使其成为比vcs - hvdc(电压源转换)更好的选择。

本文重点介绍了一种控制系统的设计方法，使控制系统能够调节海上交流母线的电压和频率，同时通过控制高压直流来调节潮流。该控制系统为海上交流电网提供高性能控制，并保证将风力发电转移到主要的陆上电网。

通过PSCAD的仿真，讨论了STATCOM定尺的工程问题，并对控制系统的改进提出了建议。

本文(4)概述了有关欧洲输电系统的连接和一体化扩展的主要问题。本文首先讨论了海上风电场的连接解决方案。本文以某100MW海上风电场为例，采用150KV交流和vdc - hvdc连接。经济评估考虑了投资、运行和维护成本，证明了交流电缆上的直流直流输电系统的可靠性。

第二个重点问题是加强陆上输电系统，以容纳承担系统安全的风电场产生的电力。在此，考虑到目前欧洲系统的发展海上风电场的前景。

第三个问题讨论了促进输电投资的选择，这表明高压直流输电的成本高于交流电缆。

本文讨论了各种输电系统的维护、安装和运行所涉及的总成本。研究表明，VSCHVDC具有更高的可靠性和效率。

论文(5)利用Dig SILENT电厂仿真包对大型海上风电场进行建模。采用的风力技术是主动失速调节风力发电机驱动固定转速同步发电机。本文对两种不同类型的互联进行了建模和比较，即直流直流和交流电缆互联。迄今为止，在大型海上风电场中使用的风力涡轮机技术选项有:1)变速节距调节风力涡轮机驱动双馈异步发电机;2)定速主动失速调节风力机驱动异步发电机。本文的研究涉及第二种选择，因为它简单、坚固、维护要求低，这对海上应用至关重要。

所进行的工作的目的是调查大型海上风电场与输电系统的互连，特别关注电网规范的电压和故障穿越要求。

故障研究比较了基于VSC的HVDC互联系统、HVAC互联系统和传统同步发电机的性能。研究表明，在故障持续时间为100ms时，系统全部恢复，但在故障持续时间为625ms时，VSC和同步发电机恢复，而HVAC互连没有恢复。

所示为陆上输电电压，220kv站测得的CKM。交流线缆的故障恢复速度比其他两个系统慢得多。

由于工作还在进行中，论文还不完整。

论文(6)提出了一种采用适当离岸电路设计的多端高压直流连接，便于使用传输变流器控制涡轮转速，从而避免了单个涡轮的变流器系统。仿真结果证实了风电场在不同频率下运行每个VSC变流器的能力。这使每个涡轮组的最佳速度调节成为可能，即使在不同的速度下，单个涡轮组也不会失去同步性。

本文提出了一种想法，如果采用VSC变流器，发电机的速度和电压的调节是可能的，从而使使用简单的永磁发电机。

所提模型的各种仿真结果如下

论文(7)旨在找出大型海上风电场在变频运行条件下，以vdc - hvdc输电方式接入特高压电网的发电机技术的最佳选择方案。在这类发电机中，a)鼠笼式感应发电机(SCIG) b)双馈感应发电机(DFIG)进行变频运行比较。

这里考虑的是VSC-HVDC输电系统，因为它允许变频运行，以增加风电场的整体产量。

试验结果表明，SCIG可以保证与更昂贵的DFIG工厂布局相当的性能。DFIG比SCIG更昂贵，但提供了更好的操作灵活性。

3结论

该论文显示，大型海上风力发电场越来越受到关注，因为它们确保了更大的可用性、更好的风力资源和更小的环境影响。

对论文进行的调查证实，每个系统都有自己的可行性，最可行的互联来自高压直流。如果降低成本，使用基于VSC的HVDC将是一个完美的解决方案，或者如果将STATCOM安装为通用总线系统，则使用基于LCC的HVDC更可靠。随着陆上电网与海上电网距离的增加，电容器会发生充电，导致交流电缆的可靠性降低。在PSCAD上进行了仿真，得到了最好的结果。

在调查文件中进行的工作是在欧洲系统中进行的;这项工作也可以在印度系统中处理，这是即将开展的工作。

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