段春明，朱永強(qiáng)

(1.國網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 西城 100038；2.新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實驗室(華北電力大學(xué))， 北京 昌平 102206)

波浪能、潮流能發(fā)電場電力系統(tǒng)研究

段春明1，朱永強(qiáng)2

(1.國網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 西城 100038；2.新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實驗室(華北電力大學(xué))， 北京 昌平 102206)

海洋能(波浪能、潮流能)發(fā)電場的電力系統(tǒng)是整個發(fā)電場的核心部分，因此電力系統(tǒng)拓?fù)涞脑O(shè)計應(yīng)能夠滿足海洋能發(fā)電裝置實海況并網(wǎng)發(fā)電、安全可靠輸送的要求。首先，分析了發(fā)電場電力系統(tǒng)的構(gòu)成，并從經(jīng)濟(jì)性和可靠性方面對幾種發(fā)電機(jī)組區(qū)內(nèi)集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，并給出2種區(qū)間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)合實際工程經(jīng)驗，提出了新的發(fā)電裝置集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。同時，對比分析交流系統(tǒng)、高壓直流以及柔性直流等3種海洋能發(fā)電場輸電系統(tǒng)的設(shè)計方案。分析表明，輸電系統(tǒng)和機(jī)組集電系統(tǒng)的設(shè)定受到建設(shè)環(huán)境、系統(tǒng)容量、離岸距離、技術(shù)方式等的影響，需進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性的綜合比較后確定。文章可為實現(xiàn)國內(nèi)海洋能發(fā)電場或測試場建設(shè)提供技術(shù)依據(jù)。

波浪能；潮流能；發(fā)電場；集電系統(tǒng)

0 引言

海洋能作為重要的可再生能源，其開發(fā)和利用已成為能源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)以及前沿技術(shù)，其中，波浪能和潮流能開發(fā)利用最廣泛，最成熟。我國海洋能資源豐富，沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、用電量高，海島地區(qū)缺電嚴(yán)重，這就需要加快開展我國海洋能發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，建設(shè)海洋能發(fā)電場勢在必行。

目前，歐洲一些海洋能開發(fā)領(lǐng)先的國家已經(jīng)建成了用于測試和驗證的海洋能測試場，文獻(xiàn)[1-2]介紹了這些測試場主要應(yīng)用于商業(yè)運(yùn)作的波浪能和潮流能能量轉(zhuǎn)換裝置及相關(guān)技術(shù)的海洋能測試，但海洋能測試場與海洋能發(fā)電場的電氣系統(tǒng)具有一定區(qū)別，海洋能發(fā)電場要求具有持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)電運(yùn)行、為岸上負(fù)荷提供電能的能力；測試場則主要對發(fā)電裝置進(jìn)行性能測試和驗證，往往只在測試時，電力系統(tǒng)才處于工作狀態(tài)。文獻(xiàn)[3]從經(jīng)濟(jì)性方面分析了幾種潮流能發(fā)電場的電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[4]給出了波浪能、潮流能試驗場方案的總體設(shè)計，并淺析了并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，然而，兩者都沒有給出具體的區(qū)內(nèi)和區(qū)間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

由于海洋能發(fā)電場的電力系統(tǒng)是整個發(fā)電場的核心部分，電力系統(tǒng)應(yīng)該能夠滿足海洋能發(fā)電裝置(主要指潮流能、波浪能發(fā)電裝置)實海況并網(wǎng)發(fā)電、安全可靠輸送的要求。目前，國內(nèi)還沒有海洋能測試場及發(fā)電場，本文借鑒國外海洋能發(fā)電測試場和成熟的海上風(fēng)電場電力系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗，同時考慮海洋特殊的環(huán)境因素和海洋能發(fā)電特性，通過對幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性及可靠性比較，設(shè)計和研究適用于波浪能、潮流能的海上發(fā)電場電力系統(tǒng)，以期為實現(xiàn)國內(nèi)海洋能發(fā)電場或測試場建設(shè)提供技術(shù)依據(jù)。

1 海洋能發(fā)電場電力系統(tǒng)構(gòu)成

以波浪能和潮流能為研究對象的海洋能發(fā)電場電力系統(tǒng)由海洋能發(fā)電裝置、發(fā)電裝置集電系統(tǒng)、輸電系統(tǒng)、岸基配電系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)這5部分組成，如圖1所示。發(fā)電場的研究需兼顧可行性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，針對發(fā)電裝置集電系統(tǒng)、輸電系統(tǒng)部分進(jìn)行技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性評估，結(jié)合海上風(fēng)電場經(jīng)驗，形成一套海洋能發(fā)電場電力系統(tǒng)研究方案。

圖1 海洋能發(fā)電場電力系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Power system constitution of ocean energy power plant

海洋能發(fā)電場的一次系統(tǒng)包括發(fā)電場區(qū)、集電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)，如圖2所示。發(fā)電場區(qū)包括海洋能發(fā)電裝置、變流器、機(jī)載變壓器、海底電纜等；集電系統(tǒng)包括海底電纜、海上平臺/換流站等；岸基配電系統(tǒng)包括升壓變電站，陸上換流站，儲能設(shè)備等。二次系統(tǒng)主要是監(jiān)控設(shè)備及保護(hù)系統(tǒng)。

圖2 海洋發(fā)電場結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Construction of ocean energy power site

發(fā)電機(jī)組集電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每個發(fā)電裝置引出的交流輸電方式存在并聯(lián)約束問題。變流系統(tǒng)由AC/DC變換裝置、DC/DC變換裝置、并網(wǎng)逆變器這3部分構(gòu)成。波浪能、潮流能發(fā)電裝置發(fā)出的電能首先經(jīng)過整流環(huán)節(jié)將若干發(fā)電機(jī)在直流側(cè)聯(lián)接成發(fā)電機(jī)組，從而避免了頻率和相位不同的問題，也同時增大了能量的輸出。

AC/DC變換裝置主要是將海洋能發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電壓幅值和頻率波動不規(guī)則的交流電變換成直流電，保證潮流發(fā)電機(jī)組出口的功率流動通道；DC/DC變換裝置主要是平滑潮流能和波浪能出力波動與并網(wǎng)功率的偏差，實現(xiàn)系統(tǒng)功率的平滑調(diào)節(jié)；并網(wǎng)逆變器可進(jìn)行逆變側(cè)功率調(diào)節(jié)，實現(xiàn)有功功率和無功功率的獨(dú)立控制。

2 發(fā)電機(jī)組集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

海洋能發(fā)電場與傳統(tǒng)的大型火力發(fā)電廠及水電廠不同，其發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量較小，一般只有幾百kW至幾MW，其中，潮流能發(fā)電機(jī)組要比波浪能發(fā)電機(jī)組發(fā)電容量稍大。因此，要形成規(guī)?；Ｑ竽懿⒕W(wǎng)發(fā)電，需具有大量的潮流能或波浪能發(fā)電機(jī)組。集電系統(tǒng)的作用就是將每臺發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能按照一定的方式進(jìn)行集中。不同的集電方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)發(fā)電場規(guī)模，進(jìn)行可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面的分析來確定。

2.1 區(qū)內(nèi)集電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

當(dāng)發(fā)電場區(qū)內(nèi)多臺同類型海洋能發(fā)電裝置進(jìn)行并網(wǎng)時，需要對其進(jìn)行合理的布局，通過海上風(fēng)電場的建設(shè)經(jīng)驗可知，常見的形式有放射形布局、環(huán)形布局、星形布局等[5]。

2.1.1 放射形布局

圖3 放射形匯流方式Fig.3 Radial layout

放射形布局是最簡單的“串行”接線，將“一串”發(fā)電機(jī)組連接在同一條中壓海底電纜上，如圖3所示，電能通過若干條中壓海底電纜輸送到中壓匯流母線上。該布局結(jié)構(gòu)簡單、投資成本低，但可靠性不高，若海底電纜的某處發(fā)生故障，那么整條中壓電纜都將被迫切除，與其連接的所有海洋能發(fā)電機(jī)組都將停運(yùn)。

2.1.2 環(huán)形布局

環(huán)形布局有單邊環(huán)形、雙邊環(huán)形、復(fù)合環(huán)形這3種形式，比放射形布局需要規(guī)格更高、長度更長的電纜，因此成本較高，但其能實現(xiàn)一定程度的冗余，在某處電纜發(fā)生故障時，可以改變潮流分布而使得盡可能多的機(jī)組正常運(yùn)行。

圖4 單邊環(huán)形匯流方式Fig.4 Unilateral ring layout

單邊環(huán)形與放射形相比，通過增加1條冗余的電纜將電纜末端的機(jī)組連到中壓匯流母線上，如圖4所示。如果電纜某處故障，可以通過加裝在電纜上的開關(guān)設(shè)備切除，保證發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行。該布局能夠提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，但增加了開關(guān)設(shè)備導(dǎo)致操作復(fù)雜，增加了冗余電纜導(dǎo)致成本較高，所以需通過設(shè)計不同的開關(guān)配置方案，以減少復(fù)雜度和成本。

雙邊環(huán)形是經(jīng)1條冗余的電纜將2條相鄰電纜末端的機(jī)組連接，如圖5所示。由于同1條電纜連接的發(fā)電機(jī)組數(shù)量加倍，故電纜額定功率也加倍，使投資成本增加。

圖5 雙邊環(huán)形匯流方式Fig.5 Bilateral ring layout

復(fù)合環(huán)形是將相鄰幾條電纜末端的機(jī)組互聯(lián)，然后經(jīng)1條冗余的電纜將末端的機(jī)組連回到中壓匯流母線上，如圖6所示。該布局相比單邊環(huán)形減少冗余電纜的數(shù)量，相比雙邊環(huán)形可以降低電纜的額定容量，但增加了開關(guān)設(shè)備數(shù)量。

圖6 復(fù)合環(huán)形匯流方式Fig.6 Composite ring layout

2.1.3 星形布局

星形集電系統(tǒng)為圓形排布，如圖7所示。適合海水流向變化頻繁的海域，而一般海域海水流向基本穩(wěn)定，適合點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電機(jī)組布局，不適合潮流能發(fā)電機(jī)組布局。由于星形連接點(diǎn)處的電纜只與1臺機(jī)組相連，故其可靠性高于鏈形結(jié)構(gòu)，但低于環(huán)形結(jié)構(gòu)[6]。目前已建成的風(fēng)電場絕大多數(shù)采用星形結(jié)構(gòu)，每串星形接線上連接的最大風(fēng)機(jī)數(shù)量取決于電纜的最大額定容量。

圖7 星形匯流方式Fig.7 Star layout

2.2 區(qū)間集電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

一般情況下，波浪能發(fā)電的海況與潮流能發(fā)電的海況不同，因此二者的發(fā)電場區(qū)不應(yīng)部署在同一海域，區(qū)間集電方案必須兼顧上述2種情況。

2.2.1 集中接入方式

當(dāng)波浪能發(fā)電裝置和潮流能發(fā)電裝置存在于相近海域時，為了有效利用海底電纜通道，通過引入?yún)R流母線實現(xiàn)集中接入輸送。

波浪能和潮流能發(fā)電場區(qū)分別通過中壓電纜接入海上匯流母線后，統(tǒng)一送至岸上變電站、配電系統(tǒng)，如圖8所示。該方式的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約海底電纜，充分利用海底電纜的輸送容量；缺點(diǎn)是當(dāng)交流匯流時，需要嚴(yán)格滿足并聯(lián)約束條件，否則將會在各區(qū)域間形成功率環(huán)流，此刻需設(shè)置海上換流站；當(dāng)直流匯流時，并聯(lián)條件只需保證直流電壓一致即可。

圖8 集中接入方式Fig.8 Centralized access

2.2.2 分散接入方式

圖9 分散接入方式Fig.9 Decentralized access

波浪能發(fā)電場區(qū)和潮流能發(fā)電場區(qū)不建設(shè)海上匯流母線，各自直接與岸基配電系統(tǒng)相連，如圖9所示。該方案的優(yōu)點(diǎn)是不必考慮并聯(lián)約束條件，故交流輸電方式、直流輸電方式均適用于此方案。確實是海底輸電電纜無法共用，造成了輸送容量的浪費(fèi)。

2.3 推薦拓?fù)浞治?/h3>

放射形布局和星形布局為無備用接線方式，其余全為有備用接線方式，冗余備用線路能提高發(fā)電場的發(fā)電可靠性，但需要較多價格昂貴的海底電纜，投資成本較高，若無特殊需求一般不予考慮。為了提高穩(wěn)定性，可通過適當(dāng)減少單條電纜線路的機(jī)組并聯(lián)數(shù)。

由于潮流能比較穩(wěn)定，潮流流速方向基本不變，所以潮流能發(fā)電機(jī)組集電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以線性排列為主，并考慮經(jīng)濟(jì)性，采用放射形匯流方式最合適[7]。由于波浪存在波峰波谷現(xiàn)象，能量變化率更大，而且波浪能裝置種類繁多，若波能裝置為垂蕩系統(tǒng)裝置，則不需考慮波向，排列較為簡單，星形匯流方式即可；若波能裝置為振蕩水柱式，則發(fā)電機(jī)組布局需重點(diǎn)考察波浪的傳播方向，減少相互干擾，多為迎波向排列，可考慮放射形布局。備選方案如圖10所示，將星形布局與放射形布局結(jié)合，海洋能機(jī)組通過海底電纜像“字符串”一樣串連起來，在首段和中間通過兩條饋線連接到中壓匯流母線上，電纜上加裝必要的開關(guān)設(shè)備，如斷路器、隔離開關(guān)等。

圖10 發(fā)電裝置推薦拓?fù)浞桨窮ig.10 Recommended topology of generation device

根據(jù)國外海洋能測試場的研究分析可知，圖10中，海洋能發(fā)電場區(qū)離岸距離為1～4 km，最遠(yuǎn)可達(dá)20 km。機(jī)組之間的距離L為0.5～1 km，每組發(fā)電機(jī)組相距S，L、S的值應(yīng)根據(jù)實際海況的波浪波長、潮流流速、流向變化等考慮設(shè)計。設(shè)L=0.5 km，則不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下所需的電纜長度及斷路器數(shù)目，如表1所示，其成本與可靠性對比如圖11所示。

表1 發(fā)電場集電拓?fù)潢P(guān)鍵設(shè)備數(shù)目Table 1 Key equipment number of farm electricity acquisition topology

圖11 接線方案對比Fig.11 Comparison of different kinds of layout

該接線方案在一定程度上增加了開關(guān)設(shè)備數(shù)量，增大了電纜長度，但是提高了輸電可靠性，相比環(huán)形接線，更省電纜。

3 輸電系統(tǒng)方式分析

對于規(guī)模較小的海洋能發(fā)電場，一般可以采用基于交流輸電技術(shù)的電氣接線方式，并加裝無功補(bǔ)償裝置。對于容量達(dá)到百M(fèi)W級的大型海洋能發(fā)電場，由于受到交流電纜充電電流的影響，如果采用交流輸電并網(wǎng)，則傳輸距離和傳輸容量都會受到限制，可以采用基于電壓源型換流器的輕型高壓直流輸電的電氣接線方案或者基于傳統(tǒng)相控?fù)Q流器的電氣接線方案[8]。

交流輸電與直流輸電方式相比，省去了整流器和逆變器，故成本相對較小，但存在并聯(lián)約束條件，必須經(jīng)過處理，統(tǒng)一頻率和電壓后才能并聯(lián)接入；且交流輸電，海底電纜會產(chǎn)生很大的電容，這種容性充電電流會產(chǎn)生大量的無功功率，故需要在岸上進(jìn)行無功補(bǔ)償。同時，隨著海洋能發(fā)電裝置裝機(jī)容量的加大以及離岸距離逐漸變遠(yuǎn)，交流的傳輸容量將會逐步減小，最終將無法滿足發(fā)電場輸電和并網(wǎng)的需求，如圖12所示。

圖12 交流輸電距離容量關(guān)系曲線Fig.12 Relationship of transmission distance and capacity of AC line

在長距離輸電中，直流輸電同交流輸電在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較時有一個等價經(jīng)濟(jì)距離問題。隨著電力電子器件和高壓直流輸電設(shè)備的發(fā)展，這一距離在逐漸縮短。圖13為交直流輸電成本比較。圖14為三類輸電方式指標(biāo)綜合比較[9-10]。可此看出，隨著輸電距離的增加，直流輸電的優(yōu)勢更加明顯。

圖13 交直流輸電成本比較Fig.13 Cost comparison of AC transmission and DC transmission

圖14 3類輸電方式比較Fig.14 Comparison of three transmission modes

由于海洋能發(fā)電場固有的分散性、小型性、遠(yuǎn)離負(fù)荷中心等特點(diǎn)，需要對經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、可控性等多方面因素進(jìn)行綜合比較，以確定采用交流輸電技術(shù)還是直流輸電技術(shù)。當(dāng)前，海洋能發(fā)電場需經(jīng)歷從無到有，從小到大的過程，所以目前發(fā)展將是輸電距離較短、電壓等級和輸送容量較低，可采用交流輸電系統(tǒng)。各類輸電方式的特性對比情況如表2所示。

表2 潮流能發(fā)電場不同輸電方式的特性對比Table 2 Different transmission modes features comparison of tidal current energy power plant

續(xù)表

4 結(jié)論

在實際工程中，海洋能發(fā)電場選擇何種方式的輸電并網(wǎng)系統(tǒng)，需要根據(jù)當(dāng)前海域海況，結(jié)合發(fā)電場的建設(shè)規(guī)模和離岸距離來考慮，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性的綜合比較后確定。輸電系統(tǒng)和機(jī)組集電系統(tǒng)的成本受到系統(tǒng)容量、離岸距離、技術(shù)方式等的影響?？偟膩碚f，星形布局和推薦拓?fù)涠季哂幸欢▋?yōu)勢，星形布局是當(dāng)前海上風(fēng)電場的常用形式，區(qū)間分散接入方式適合小容量系統(tǒng)，區(qū)間集中接入方式適合大容量系統(tǒng)。而交流輸電并網(wǎng)方式技術(shù)最成熟，結(jié)構(gòu)最簡單，成本也最低，卻受制于傳輸距離和容量，所以這種方式適用于小容量、近距離輸電。傳統(tǒng)的HVDC 輸電并網(wǎng)方式不受輸電距離的限制，但換流站的成本較高，可考慮在特大型發(fā)電場中采用。VSC-HVDC 輸電并網(wǎng)方式受到絕緣柵雙極型晶體管發(fā)展水平的限制，最大傳輸容量受限以及換流站成本較高，適用于中大型潮流能發(fā)電場。

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PowerSystemforWaveEnergyandTidalEnergyGenerationSite

DUAN Chunming1, ZHU Yongqiang2

(1. State Grid Jibei Electric Economic Research Institute, Xicheng District, Beijing 100038, China; 2. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Changing District, Beijing 102206, China)

Power system of ocean energy (wave energy and tidal energy) power generation is the core part of the whole power generation field, so the design of power system topology should be able to meet the requirements of rid connected power generation under real-time conditions, safe and reliable transportation of ocean energy power generation device. This paper firstly analyzes the structure of the power system in the power plant, compares the topologies of the energy acquisition system in several gensets from the aspects of economy and reliability, and gives two kinds of interval topologies. Based on the practical engineering experience, this paper proposes a new topological structure of energy acquisition system for generation device. At the same time, the design schemes of transmission systems of three kinds of ocean energy fields including AC system, HVDC and flexible DC are comparatively analyzed. The analysis shows that the setting of the power transmission system and the unit energy acquisition system are affected by the construction environment, the system capacity, the offshore distance, the technical mode, etc., which needs to be economically and technically comprehensively determined. The analysis results can provide technical basis for the realization of domestic ocean energy generating electric field or test site construction.

wave energy; tidal energy; power plant; energy acquisition system

國家海洋局科研基金(GHME2012ZC02)

TK 01; P 741

A

2096-2185(2017)06-0031-07

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.06.006

段春明

段春明(1988-)，男，通信作者，碩士，工程師，主要從事海洋可再生能源發(fā)電技術(shù)研究、電網(wǎng)工程建設(shè)管理，809296632@qq.com；

朱永強(qiáng)(1975—)，男，博士，副教授，主要研究方向新能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)、微電網(wǎng)運(yùn)行與控制、海洋可再生能源發(fā)電。

2017-09-18

(編輯 蔣毅恒)