海上风电并网接线方式技术分析蔡国鹏

海上风电并网接线方式技术分析蔡国鹏

蔡国鹏

河北大唐国际新能源有限公司河北承德067000

摘要：风力发电的波动性、间歇性和随机性导致了目前风电功率预测准确程度普遍偏低，同时大规模的风电并网会导致系统潮流、有功频率特性、无功电压特性等的变化，特别是网架结构比较薄弱的电网集中并入大规模风电时，系统的安全稳定运行将受到影响。为减少海上风电带来的不利影响，可以通过加强地区间电网和陆上电网的网架结构，提高电网输送能力和系统的安全可靠。

关键词：海上风电；并网接线方式；技术

1海上风电场的并网方式

海上风电采用ＨＶＤＣ方式后，不需要与陆上电网保持同步，因此，海上风电场系统频率的允许变化范围较大，电网的每个联络终端都具有很强的独立性，可以依照自己的控制策略运行。长距离的交流电力电缆受充电电流的影响，电力传输能力受限，而ＨＶＤＣ电缆的充电电流则非常微小，因此，输电距离可以不受限制。能够隔离海上风电系统和陆上电网的故障，某些情况下，ＨＶＤＣ系统还可以参与故障后的状态恢复。可以设定和控制直流传输系统的潮流。

传输同样容量的功率ＨＶＤＣ方式损耗低，整个直流系统的运行损耗将低于等效的ＨＶＡＣ系统。在相同的运行条件下，单根ＨＶＤＣ电缆的传输容量高，三相交流线路的传输容量仅为同样规格的一对直流电缆的６０％。高压直流方式主要有两类，常规直流输电方式（ＬＣＣ－ＨＶＤＣ）和柔性直流输电技术（ＶＳＣ－ＨＶＤＣ）。常规直流输电采用基于线换相换流器，柔性直流输电采用基于自换向的电压源换流器。ＬＣＣ－ＨＶＤＣ并网方式下为确保换流器正常换相，需要交流侧电网提供连续的换相电压，风电出力的不稳定性会导致发生换相失败故障的概率较高，海上风电场安全稳定运行的能力大大降低。

2项目概况

海上风电场装机容量为12万千瓦，年上网电量约为2700万kWh，风电场年等效满发小时数为2300h，离距离大约为20公里。主变型号：SZ11-110000/110，容量为：110MVA。升压站35kV母线采取单母线分段接线方式，中间设有母联开关。35kV分段母线所带各35kV集电海缆回路功率均衡分布。

3海底电缆接线方式分析

3.1单回海底电缆（104MVA）+单台主变压器（110MVA）线变组接线方式

3.1.1运行方式

35kV母线I段母线、II段母线联络运行，#1主变通过110kV海底电缆联接外网。

3.1.2电量损失计算

（1）输送容量匹配不足导致弃风电量损失。根据风电机组出力特性曲线可知，风电机组在3m/s以上启动发电，在12m/s达到满发，切出风速为25m/s。根据风机出力特性与该区域风力资源情况得知，风速分布主要集中在4.0m/s～11.0m/s风速段；风机满发时，占全年有效发电时间的10%。风电场全年有10%的有效发电时间处于满发状态，大约876小时，110kV海底电缆输送容量为104MVA，按装机容量120MW，取功率因数cosΦ=1进行电量损失估算。则电缆输送容量与装机容量匹配不足将导致全年弃风电量损失约1401.6万kWh。

（2）110kV主设备检修期间电量损失。根据《DLT596-2005电力设备预防性试验规程》规定变压器、GIS开关等电气主设备检修周期为1~3年。假设升压站110kV主设备按每年进行一次预防性试验、检修，由于预防性试验、检修所需要时间无相关具体规定，借鉴国内容量10万千瓦陆上风电场年度预防性试验及检修时间大约在5-10天，假设海上风电场110kV主设备预防性试验、检修时间按7天来进行电量损失估算。则由于升压站110kV主设备预防性试验、检修期间将导致全年电量损失约529万kWh。

（3）110kV海底电缆故障时电量损失。单回海缆因故障或检修退出运行，以海缆检修时间三个月来计算弃风电量。在海缆维修期间内无法送出电量，海缆故障时间带有不确定性，假设按月平均发电量计算，装机容量120MW，按风电场年等效满发小时数为2300h来估算电量损失。则由于110kV海缆故障或受损修复导致电量损失6900万kWh。

3.2两回不同容量海底电缆（110MVA+20MVA）+两台不同容量主变压器（110MVA+20MVA）

3.2.1运行方式

35kVI段母线、II段母线分段运行，#1、#2主变分列运行；#1主变（110MVA）带35kVI段母线独立运行，经#1海底电缆输出；#2主变（20MVA）带35kVII段母线独立运行，经#2海底电缆输出。在设备正常运行情况下能够满足风电机组装机容量12万kW满负荷运行。该方式不能满足《工业与民用配电设计手册》变压器并列运行条件的要求，#1主变与#2主变不能并列运行，只能分列运行。

3.2.2电量损失计算

110kV主设备检修期间电量损失。a.#1主变检修。#1主变检修检修时，假设#1主变及相应的GIS开关预防性试验、检修时间为7天，装机容量120MW，海上风电场年等效满发小时数为2300h，按#2主变额定容量（20MVA）输出估算电量损失，则由于#1主变检修导致全年电量损失约454万kWh。b.#2主变检修。#2主变（20MVA）检修时，假设#2主变及附属设备预防性试验、检修时间为7天，假设按#1海底电缆额定输出容量（104MVA）计算，风电场全年有10%的有效发电时间处于满发状态，大约876小时，则由于#2主变检修导致全年电量损失约26.88万kWh。

110kV海底电缆故障时电量损失。a.#1海底电缆（104MVA）故障时电量损失。假设#1海底电缆故障修复需要3个月，海上风电场年等效满发小时数为2300h，按#2主变额定容量（20MVA）输出估算电量损失，则由于#1海底电缆故障或受损修复导致电量损失约5750万kWh。b.#2海底电缆故障时电量损失。假设#2海底电缆修复时间需要3个月，风电场全年有10%的有效发电时间处于满发状态，大约876小时。按#1海底电缆额定输出容量（104MVA）估算电量损失，则由于#2海底电缆故障导致电量损失约350.4万kWh。

3.3电量损失计算

主变检修电量损失。由于两台主变和两回海底电缆技术参数一样，单台主变的容量为110MVA，单回海底电缆输出容量为104MVA，假设单台主变及相应的GIS开关等设备预防性试验、检修时间为7天，风电场全年有10%的有效发电时间处于满发状态，大约876小时。则由于两台主变检修导致全年电量损失约53.76万kWh。海底电缆故障时电量损失。单回海底电缆输出容量104MVA，其中一回海底电缆故障，另一回海底电缆正常运行，假设故障海底电缆修复时间需要3个月，风电场全年有10%的有效发电时间处于满发状态，大约876小时。则由于海底电缆故障或受损修复导致电量损失约350.4万kWh。

结论：

综上计算分析，选用两回海底电缆作为出线，虽然在前期建设可能经济投入会比较多，但考虑设备的安全稳定性，海上风电场运行环境的恶劣情况下，海底电缆发生故障时维护维修时间及电量损失，选用双回路海底电缆送出接入大电网是最安全可靠的。

参考文献：

[1]郭宇星.我国海上风电的发展现状及对策建议[J].产业与科技论坛，2014，09：15-16.

[2]王锡凡，卫晓辉，宁联辉，王秀丽.海上风电并网与输送方案比较[J].中国电机工程学报，2014，31：5459-5466.