第39卷 第9期 电 网 技 术 Vol. 39 No. 9 2015年9月 Power System Technology Sep. 2015
文章编号：1000-3673（2015）09-2424-08 中图分类号：TM 614 文献标志码：A 学科代码：470·40
海上直流风电场研究现状及发展前景 江道灼，谷泓杰，尹瑞，陈可，梁一桥，王玉芬 （浙江大学 电气工程学院，浙江省 杭州市 310027）
Research Status and Developing Prospect of Offshore Wind Farm With Pure DC Systems JIANG Daozhuo, GU Hongjie, YIN Rui, CHEN Ke, LIANG Yiqiao, WANG Yufen (College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China)
ABSTRACT: Compared with offshore wind farm with AC collection system, offshore wind farm with pure DC system, including DC transmission and collection systems, eliminates heavy and bulky AC power frequency transformers and the needs for multiple power rectifiers, inverters and voltage boost. It shows some brilliant merits, such as smaller size and lighter weight of equipment, higher efficiency and lower cost. This paper firstly summarizes the topologies, control strategies, advantages and existing problems of offshore DC wind farm. Then a detailed discussion is made about high voltage, large capacity and high gain DC/DC converters, which are regarded as the key equipment of offshore DC wind farms. The advantages and disadvantages of different DC/DC converter topologies and their application prospects in offshore DC wind farm are pointed out. Then, the research situation of offshore DC wind farm fault protection is presented. Finally, this paper affirms the prospect of offshore DC wind farm application. The conclusion has value for utilization of ocean energy such as offshore wind.
KEY WORDS: offshore DC wind farm; DC/DC converter; fault protection; PMSG
摘要：与现有的海上风电场相比，采用直流技术汇集电能和并网的海上直流风电场无需使用笨重且体积庞大的工频交流变压器，也无需对电能进行多次整流、逆变和升压，因而在设备的体积和质量、系统损耗及建设成本等方面均具有明显优势。首先对串联升压型和辐射型2种主要类型的海上直流风电场进行了详细综述，包括其拓扑结构、控制策略、优势和存在的问题；然后详细分析了海上直流风电场的关键设备——高电压、大容量、高增益DC/DC变换器的研究现状，指出了各类DC/DC变换器的优缺点及其在海上直流风电场中的应用前景；最后对海上直流风电场的故障保护问题和经济性问题的研究情况进行了总结。所述内容对中国开展海上风电等海洋能的开发利用具有一定参考价值。
关键词：海上直流风电场；DC/DC变换器；故障保护；永磁直驱风力发电机 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2015.09.008
0 引言 作为一种技术最为成熟、应用前景最为广阔的可再生能源，风力发电近年来的增长十分迅速。截至2014年年底，我国的风电装机总容量已达到114 608.89 MW。然而，随着风电的迅速发展，陆上风电场的选址越来越困难，其对生态环境的影响也越发显现。与此同时，海上风电场因其风速稳定、不占用土地资源、基本不存在环境影响等优势，逐渐成为风电发展的新趋势[1-2]。
对于离岸距离近、容量较小的海上风电场，目前一般通过中压交流电网汇集电能，再经变压器升压后通过高压交流输电线路并入岸上交流主电网。然而，随着风电场容量越来越大、离岸距离越来越远，采用高压直流输电技术实现海上风电场并网成为必然的趋势[3]。现有的经高压直流输电线路并网
的海上风电场，其内部均为交流系统，与陆上风电场完全相同，并未针对海上风电场自身的特性进行设计。以由永磁直驱风力发电机(permanent magnet synchronous generator，PMSG)组成的海上风电场为例，由PMSG发出的电能要依次通过发电机侧变流器、电网侧变流器、低压到中压变压器、中压到高压变压器、整流器后才能送入高压直流输电线路，最后经逆变器送入岸上交流系统。多次的整流、逆变、升压不仅造成了大量的能量损耗，增加了投资，也降低了整个海上风电系统的可靠性。此外，体积和重量都十分庞大的工频交流变压器的使用，意味着风电场内部用于支撑风力发电机和换流站的海上平台的投资将会大大增加。 鉴于现有海上风电场中存在的诸多缺陷，以及柔性直流技术的不断发展，不仅使用直流技术进行风电场的并网，在风电场内部也使用直流技术汇集电能的海上直流风电场成为近年来的研究热点。研究资料表明，使用直流技术汇集电能可以有效简化第39卷 第9期 电 网 技 术 2425 海上风电场从发电到并网的整个过程，避免对电能进行多次的整流、逆变和升压，从而减少系统投资、降低损耗，更为重要的是，海上直流风电场中不需要笨重的工频交流变压器，可以使用重量更轻、功率密度更高的DC/DC变换器进行升压。因此，海上直流风电场在设备的体积和重量、系统损耗、建设成本等方面均优于现有的海上交流风电场。 本文首先对已有文献中海上直流风电场的拓扑结构及相应的控制策略进行详细综述；然后对海上直流风电场中的关键设备——高增益大容量DC/DC变换器的研究现状进行归纳，并对海上直流风电场故障保护和经济性问题的研究情况进行总结；最后指出海上风电场未来的发展方向和亟需解决的主要问题。
1 海上直流风电场的拓扑结构及其控制策略 目前的海上直流风电场拓扑根据其抬高直流电压的方式大体可以分为2类，即通过风力发电机的串联连接抬高直流电压的方式和通过DC/DC变换器抬高直流电压的方式。下面针对这2类海上直流风电场的拓扑结构和控制策略进行阐述。 1.1 串联升压型海上直流风电场 1.1.1 串联升压型海上直流风电场的拓扑结构 最基本的串联升压型海上直流风电场拓扑如图1所示，1台风力发电机和1台AC/DC变换器构成1个发电单元，发电单元的直流输出端串联连接形成足够高的直流电压以传输电能[4-6]。因此，图1
所示海上直流风电场不需要任何升压设备，也不需要在海上建设换流站，从而大大简化了系统结构，有效降低了成本。
...... 图1 串联升压型海上直流风电场结构 Fig. 1 Offshore DC wind farm with series connection
文献[4-6]对图1所示拓扑进行了研究：文献[4]中的AC/DC变换器和DC/AC变换器均采用基于晶闸管的换流器；文献[5]中采用基于绝缘栅双极型晶体管(insulated-gate bipolar transistor，IGBT)的电流源型换流器作为AC/DC变换器；为进一步降低系统成本，文献[6]中采用由三相不控整流桥和buck
电路组成的AC/DC变换器。 串联升压型海上直流风电场存在的最大问题是位于顶部的发电单元要承受与高压直流输电线路相同的对地电压，这给风力发电机的绝缘设计带来了很大困难，严重限制了该拓扑的实用性。为解决这一问题，文献[7-8]提出了图2所示的发电单元拓扑，通过使用电隔离的高频变压器，可以将风力发电机的绝缘问题转移到高频变压器上，从而使普通PMSG在串联升压型海上直流风电场中的应用成为可能。文献[9]中通过将图2中的单相高频变压器替换为三相高频变压器，进一步提高了此类拓扑的功率密度，减小了发电单元的体积和重量。 PMSG三相AC/单相ACAC/
DC
高频变压器
图2 带隔离变压器的发电单元 Fig. 2 Power unit with isolated transformer
应该指出的是，因为每个风力发电单元均需要1台高频隔离变压器，随着串联发电单元数量的增加，势必增加高频隔离变压器及其绝缘的投资。所以，无论有没有使用带隔离变压器的风力发电单元，串联升压型海上直流风电场的直流传输电压都不可能达到很高，这在一定程度上限制了该拓扑在远距离大容量海上风电场中的应用。 在一个实际的海上风电场中，风力发电机的数量可能会达到上百台，因此不可能将所有的风力发电机全部串联在一起。一些文献提出通过将风力发电机进行分组以解决这一问题。通过分组方式连接的海上直流风电场拓扑共有3种，即先并联后串联型[10]、先串联后并联型[11-12]和矩阵型[12]，分别如图
3(a)(b)(c)所示。矩阵型拓扑的主要优势是可以克服先串联后并联型拓扑在某1台风力发电机发生故障时，组内其余风力发电机出现严重过电压的问题，其缺陷在于增加了海上直流电缆的长度并且需要使用大量的直流断路器，导致系统的复杂程度和投资都明显增加。 1.1.2 串联升压型海上直流风电场的控制策略 文献[4-9]中对海上直流风电场的控制策略进行了研究，这些控制策略具有一定的相似性，一般均通过岸上的DC/AC变换器将高压直流输电线路的电流控制在参考值，由各个发电单元分别调节其输出的直流电压来实现对PMSG的最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)控制。针对各文献中的不同发电单元结构，其控制输出电压的方式各有不同，这里不再逐个进行分析。