海上风电场的发展：现状和挑战外文翻译资料

 2022-07-31 21:45:19

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海上风电场的发展：现状和挑战

海上风电场（OWF）由于其多项优势，有望成为全球主要的能源来源。OWF的主要用途在欧洲国家和美国部分地区非常明显。下一个十年

（即到2020年）的发电计划正在如火如荼地进行，并辅之以来自不 同机构的大量统计数据。它的安装和可靠运行面临巨大挑战。浅水 构成了主要的障碍物，因为它会增强结构，因为水不是很深，地下 室的结构可能不是固态的，这对初始安装等构成了主要障碍。

过去，负面影响已在美国引起了对第一批OWF提案的强烈反对，从 而推迟了其发展。在[1] 作者研究了海上风能的正面和负面影响。在此背景下，讨论了海上风电相对于陆上风电的成本因素和收益以及 传统的电力生产。

从今天的现状来看，风力发电被认为具有巨大的发展潜力。欧洲大陆是海上风能的领导者，1991年在丹麦安装了第一台OWF。在1990 年代后期，安装了额定功率小于数百千瓦的单台风力涡轮机（WT）， 但如今，OWF的容量甚至超过了1000兆瓦因此，可以说OWF的发电能力可与现有的常规发电厂媲美。

条形图中给出图。1 代表目前的全球风能装置及其预计的未来增长[2].从条形图中可以看出，到2020年，OWF的安装量将显着增加。 但是，估计发电量的增长少于陆上风电场。因此可以得出结论，OWF 的路线图更加光明，在全球范围内，其作为主要能源生产的实施必 将在未来成为主导。比较了1992年至2004年陆上海洋生物资源增长 的趋势与估计的OWF增长。图2.这表明在接下来的几年中，OWF的增 长潜力更大。

使用固定速度或变速发电机将风能转换为电能。为了最大程度地提取可用风力，可变速操作优于定速机器。变速机在变化的风力条件下保持稳定的输出。变 速风力涡轮机使用各种交流电机，例如双馈感应发电机（DFIG），绕 线转子感应发电机，同步发电机（SGs）或永磁同步发电机。然而， 在这些之中，DFIG由于其总体成本低廉，模块化，紧凑和标准化的结 构而被最广泛地使用。虽然，这台机器的传动系统很复杂，需要有效 的俯仰控制[3]，它的优点胜过缺点，并已成为可行的选择。这些机器基本上是绕线式转子感应发电机，其转子通过背靠背的转换器连接 到电网。变频器是机器额定值的三分之一。大多数OWF使用20 kV或33 kV电压水平互连各个风力涡轮机，然后提高到150 kV水平以通过一根或多根电缆向电网供电。连接到400 kV电网可能需要另一个变压器。直流系统技术有利于风能系统的大规模集成，因为大功率集中在

单个入口处，从而降低了成本并减少了对电网的影响。为了提高风电 场的渗透水平，电网连接规范对风电场的控制，设计，运行和开发提 出了新的挑战。因此，我们必须在海上位置放置大型的输配电系统技 术结构。由具有总功率潜力的数兆瓦风力涡轮机组成的大型风电场通 常具有数百个甚至更多个涡轮机。这些单元的互连由于其位置和所产 生功率的随机性而构成了技术挑战。今天使用的所有OWF，都通过使 用高压交流电或高压直流海底电缆径向连接到陆上电网。由于HVAC海 底输电方案对输电距离，高功率损耗和谐振问题有局限性，因此首选HVDC输电方案。由于这些交流电缆的主要电容效应，因此在技术上不 可行大距离和大量发射功率。连接距离大于50 km的相对较大的OWF

（500 MW及以上）的最经济的解决方案是使用HVDC链路。通过使用HVAC传输线，这对于克服海底电缆中的电容的不利影响以及相应的高 无功电流是有利的。通过HVDC链路的功率可以改变海上AC网络的电压，以便（i）避免使

用变压器分接开关，（ii）避免使用静态补偿器（STATCOM）或同步补偿器；（iii）使用不受控制的整流器陆上的 而不是受控的。由于二极管更便宜，不需要栅极驱动器并且损耗低，因 此在经济上也是有利的。另外，由于没有STATCOM和变压器抽头变换器， 因此提高了系统可靠性。当前，船用HVDC链路通常使用两种转换器技术， 即电压源转换器（VSC）或线路换向转换器（LCC）。VSC基于IGBT，GTO 或IGCT，而LCC基于晶闸管。LCC大约是50年前开发的，而LCC-HVDC在额 定功率和损耗方面显示出显着的优势。基于LCC的高压直流输电与大型 海上基于DFIG的风电场相集成，并连接到主要陆上电网，由STATCOM控 制

由于风电场的普及程度不断提高，其对电力系统组件运行的影响 被夸大了。因此，这导致了对各种问题的积极研究工作；规划设计， 安全性，保护性，稳定性，可靠性和电能质量。

回顾用于以下方面的重要建模技术

给出了开发灵活的交流输电系统（FACTS）控制器的信息[5].作者还研究了高压直流输电在开发海上风能资源中的作用风电场集热器系统有不同的布置，并且电网可以设计为交流，直流或交流和直流两种。邵等人。[6] 从损失和经济角度讨论布局。径向布局提供了较低的电缆成本和简单的控制算法，而环形布局从可靠性和正常运行期间的功率损耗方面来看是首选。单回路布局为在不可预测的故障期间输出功率提供了替代路线，另一方面，星形布局可用于降低电缆额定值并提供高级别的安全性。具有多集线器环布局的网络用于通过高电压收集功率来实现低损耗。

海上多层电力电缆也是高压直流输电系统的重要组成部分。聚乙烯

（PE）HVDC电缆具有显着的优势，例如高传导温度，轻型防潮层和简单 的连接方法。聚合绝缘HVDC电缆的缺点是极性反转时电缆会击穿。为了 解决直流电缆中的主要问题，先进的半导体器件（如基于VSC的HVDC传 输中使用的IGBT）是可行的选择[6].直流输电中的另一个重要因素是直 流断路器。对于中压应用，应使用具有适当设计的缓冲电路的机械系统， 而对于高电压应用，则首选固态断路器。

尽管最近已经出版/实施了许多研究出版物/项目，但仍然存在许 多技术挑战，引起了我们的注意。因此，对OWF的发展进行的全面审 查是试图解决其在能源领域可靠增长的关键问题。这些挑战中的一些 挑战包括特定的中间设备，其集成拓扑，保护，操作和维护，以及最 后但并非最不重要的环境和生态方面。

最近，在海上风电场领域发表了一些评论。该调查[6] 描述了布局

/组件的配置，而没有过多地强调相关问题或不同研究人员报告的工 作，而参考文献[7] 致力于风电场所在地的福利经济成本。

这次审查还试图讨论重要问题；与海上风电场发展有关的电气，土木，机械，管理，政策甚至生态方面。技术在能源领域的成功发展解决了技术，未来范围或挑战方面的当前趋势。

海上风电开发

2.1OWF安装

包括在OWF中安装的风力涡轮发电机在内的塔架结构安装在海底。 并且由于技术原因，将塔架结构直接锚定在深水海床中变得困难，因 为深海中存在更高的发电潜力。过去，具有固定支持平台的OWF的开发是基于从陆上获得的经验风力涡轮机的安装。然而，在这种固定平台类型中，由于旋转叶片和 塔架柔性引起的高频激励导致共振在其固有频率处发生。结果，当水 深增加时，可能会显着缩短其疲劳寿命[8].最近，在2009年，挪威国 家石油公司（Statoil-Hydro）和西门子公司（Siemens）在挪威卑尔 根港口附近的卡莫伊（Karmoslash;y）海岸安装了第一台浮式海上风力发电 机。浮动支撑结构具有更大的施工和安装程序灵活性。同样，它们可 以轻松地从OWF系统中删除。通常，浮动OWF在设计和安装上被认为更 加复杂。在浮式支撑结构中，最重要的问题是风力发电机的推力和由 于海浪而产生的载荷，尤其是由于单个波浪而引起的动力分量。上风 偏航稳定性也是控制浮动WT时必须考虑的重要因素。有许多原型正在 计划中，用于Blue Blue TLP等浮动式海上风力发电机。这是离网示范原型，已在意大利和德国的Arcadis TLP安装[9].将来，有望开发出具有抵抗气动载荷和流体动力载荷的能力的浮式结构。

2.2电网互联和电力疏散

过去传统上，假设风力发电的规模和影响较小，则其仍然保持与电网的连接。这导致连接要求不那么严格。通常，风电场对稳定或调 节交流电网没有帮助，在许多情况下，没有进行详细的暂态或稳定性 研究。但是，近年来，由于风力发电的渗透能力高达数百兆瓦，已在 主机电网上观察到了它们的影响，因此需要仔细研究相互作用问题。 因此，在寻求新的集成解决方案时，要考虑到交流系统的特性，包括 稳定性，调节性，故障穿越能力（FRT）等。同时，还应选择具有成本效益的风电场拓扑，动态，瞬态和效率也进行了检查。现在要求风 电场遵守严格的连接要求，包括；无功功率支持，瞬态恢复，系统稳 定性和电压/频率调节，电能质量，同时还要考虑调度和备用可用性。 基于DFIG的常规风力发电概念可能难以满足上述所有互连要求

从电网互连的角度来看，OWF与陆上风电场不同。已经认识到，如果风能连接点包括转换器系统，则可以消除许多上述网络连接问题， 甚至可以增强交流系统的稳定性。另一方面，与AC网络（陆上电网） 的互连将需要使用SVC / STATCOM来支持无功功率和电压。图3 显示海上风电场互联的框图通过VSC-HVDC转换器拓扑连接到陆上电网。但是，这些仍然无法解 决与低惯量，交流系统的功率和频率控制/稳定有关的问题，而对于 大型风电场互连而言，这变得尤为重要。

通过HVDC链路与地面电网的OWF互连不同于传统的HVDC链路。主要区别在于单向功率流以及利用风力涡轮机灵活的控制特性的可能性。 传统上，HVDC链路提供交流频率稳定[11] 或交流电压调节。高压直流输电系统中的VSC功能更广泛，并提供更快的控制[12,13]，可在风电场互连点使用。VSC转换器可实现独立的电压，频率和功率控制。因此，与HVDC链路互连的风电场有潜力提供类似于常规发电机的电网控制功能。作者在[14] 提出了一种变流器配置概念，旨在通过利用变速运行来降低其在HVDC线路实施中的成本。逆变器调节所有转换器站通用的直流电压。每个整流器在其自己的分支中调节直流电流。如果采用了VSC，则可以调节发电机的转速，电压并以不同的频率运行每个VSC，并为每个涡轮机组提供最佳的速度调节。

过去，风电场并网代码没有任何具体要求，在本文档的后面部分中将对此进行详细讨论。最近，一些欧洲国家，例如丹麦，德国和西班牙[15–17] 已经在输电和配电层面发布了针对风电场的电网互连代码。已经提出了许多用于收集功率并馈入电网的OWF配置。因此， 产生的电能通过交流变压器以及交流/直流和直流/交流转换器经历许多转换阶段。从初始成本和系统效率的角度来看，最小化转换级数的配置都是有利的。这导致了在直流集电极电网领域的大量研究工作[18–20].作者在[20] 提出了一个有源桥式转换器（升压）以减少损耗。结论是，一个主（公用）升压转换器为长距离传输提供了最佳解决方案，但是，这反过来又需要在海上安装一个平台。另一种方法 通过电流源逆变器（CSI）实现风力涡轮机的串联连接。每个转换器承载相同的电流，直流母线电压为转换器电压的总和。此配置将风力涡轮机重新分组为小集群，每个集群由四个单元组成， 以抵消CSI的成本。形成多端子直流电网。然而，这种配置不能使每个风力涡轮机独立运行，而是按集群进行分组。同样，一个转换器的故障将迫使所有四个单元关闭。

选择用于互连的任何经济配置

不应包括平台的建设，还应减少昂贵的电力电子组件的数量和变压器的数量。Veilleux等。[23] 提出了在风力涡轮机之间的分布式转换器模块的串联互连。这形成用于传输目的的直流电压。降压型降压转换器为直流母线电流提供连续的传导路径。拟议的拓扑结构消除了发送端的所有变压器，并且不需要整流站的海上平台。这大大降低了成本。一些研究人员[24,25] 据报道，通过将OWF与波浪能转换器集成到单个海上海洋可再生能源农场中，可以获得巨大优势。这种组合可减少零功率输出的小时数 并且减少了小时间的可变性。合并的农场减少了海上输电系统的容量。用于计算统计指标的工具风力场和风电场联合设计的相关信息，研究了这两种能 源之间的电力基础设施共享的研究[28,29].据报道，联合农场的发电 概况与任何一个农场的运营完全不同。建议使用最佳配置[30] 输电线路的等级取决于风能和波浪能联合发电场的发电组合。随着VSC- HVDC配置的可用性，针对各种离岸距离的风能和波能的给定混合，确 定了优化的传输线容量。这项调查是针对加州海岸三个地点的1000兆 瓦发电厂进行的，距离为30至60公里[31].100％的风电场，100％的 风电场及其组合的功率输出曲线的差异导致选择降低的输电容量。该 方法从开发人员的角度考虑了最佳选择。

2.3转换器

就像在OWF中一样，功率传输是通过长距离完成的，在这种情况下， 直流传输是可行的。因此，HVDC转换器在将电力从海上电网传输到陆 地电网中扮演着重要角色。早先使用的HVDC传输技术主要是通过使用 电流源转换器（CSC）换向晶闸管开关实现的，称为传统HVDC或经典HVDC。但是，自从1997年首次安装50兆瓦海上VSC以来，就将OSC的HSC高压直流输电技术的优势用于OWF的电网集成目标，因为VSC是在2000年从海岸带到海上油气平台上的。 2005年。现在，高达900 MW 的OWF连接处于建设阶段，每个转换器的损耗不到1％。VSC使用绝缘栅双极晶体管（IGBT）阀和脉冲宽度调制（PWM）来产生所需的电压波形。VSC-HVDC传输系统由两个VSC，变压器，相电抗器，AC滤波器， DC链路电容器和DC电缆组成。两个VSC如图所示。3 可以看作是这种传输系统拓扑结构的核心。其中一个VSC用作整流器，另一个VSC用作逆变器，并且两个均基于IGBT功率半导体。两个VSC通过直流传输电缆连接。主要，在HVDC传输系统上使用VSC的两种基本配置。在高整流容量，无功功率消耗，由于交流欠压引起的换向失败等方面，在线 换向转换器（LCC）中使用晶闸管存在一些严重的缺点。VSCHVDC拓扑 从其控制点来看具有明显的优势。并在过去几年中不断提高功率水平。 但是，LCC-HVDC仍显示出明显的优势，尤其是在400 MW及

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