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欧洲海上换流站分析介绍

高压直流输电技术趋于成熟,作为其关键设施的海上换流站已经开始在海上风电开发中发挥作用。目前,欧洲海上风电场换流站相关技术与工程应用处于全球领先位置,本文简要梳理欧洲海上换流站发展情况,与读者分享。

换流站

一,什么是海上换流站

图1 海上换流站

换流站是指在高压直流输电系统中,为了完成将交流电变换为直流电或者将直流电变换为交流电的转换,并达到电力系统对于安全稳定及电能质量的要求而建立的站点。海上换流站特指设置在海上的站点,目前主要用于远距离海上风电场的电力外输。

图2 换流阀

换流站的主要设备包括:换流阀、换流变压器、控制调节系统、保护系统、平波电抗器、交流滤波器、直流滤波器、避雷器等。其中,由换流阀和换流变压器组成的换流装置是其关键设备。

图3 换流变压器

换流站的主要功能:送、停直流功率,控制电力潮流方向,调节潮流及其他电气参量,处理和限制换流阀非正常运行和交、直流系统干扰影响,保护换流站的设备,以及监测换流站的各种参量。换流站及直流输电系统的运行性能和安全可靠程度与控制调节系统的性能和可靠程度密切相关,对整个电力系统的运行有重要影响。

二,换流站与变电站的区别

图4 变电站

变电站是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的电力设施,它通过其变压器将各级电压的电网联系起来。变电站包括各种电压等级的”升压、降压”变电站,通常,近发电设施端的为升压变电站,如为近海风电场电力外输服务的海上升压站,近用电设备端的为降压变电站。变电站的主要设备包括升/降压变压器、互感器、开关设备、防雷设备等。

由换流站和变电站的构成及功能可以看出,两者之间的一个最大的区别在于换流站能够将交流电和直流电进行相互变换。此外,换流站的设备多、技术更复杂。

三,高压直流输电的特点

伴随着电力电子技术的发展,高压直流输电系统应运而生。高压直流输电与其他事物一样具有两面性,有很多优点,同时也存在一些不足。

高压直流输电的优点:

输送相同功率时,线路造价低;

线路有功损耗小;

线路无磁感应,老化慢,适宜于海下输电;

发电机无需同步,系统稳定性好;

能限制系统的短路电流;

调节速度快,运行可靠。

高压直流输电的缺点:

设备多,结构复杂,造价和运行成本高;

谐波较大;

增加变压器噪声;

多端输电技术复杂。

由于在远距离、大容量输电,新能源分布式接入,以及特大型交直流混合电网等方面具有独特优势,高压直流输电在电力输送领域得到了广泛应用。

换流站技术发展

一,发展历程

1954年,连接Gotland与瑞典大陆之间的世界第一条高压直流输电线路建成,标志着以电流源换流器为基础的直流输电(LCC-HVDC)换流站进入商业化时代。

1990年,加拿大McGill大学提出使用脉宽调制技术(PWM)进行控制的电压源换流器直流输电(VSC-HVDC)概念。

1997年,ABB公司在瑞典中部的Hallsjon和Grangesberg之间建成首个VSC-HVDC试验工程。

20世纪90年代后期,以ABB、Siemens为代表的企业研究并发展了VSC-HVDC输电技术,VSC-HVDC输电技术开始进入大发展的商业应用阶段。

目前,欧美先进国家的换流站技术已经趋于成熟,已经建成上百个不同技术路线的VSC-HVDC工程。国内近几年也兴建了近十个VSC-HVDC示范工程,其中包括南汇、南澳海上风电VSC-HVDC项目,积累了一定的换流站技术经验。

二,欧洲换流站主要供应商

目前,欧洲的换流站供应商主要有ABB和Siemens两家公司,其相关产品情况具体如下。

1、ABB公司

ABB公司是电力和自动化技术领域的全球领先企业,也是高压直流输电(HVDC)相关产品的全球主要供应商。其主要产品包括:

常规高压直流输电(LCC-HVDC);

柔性高压直流输电(VSC-HVDC,ABB称之为“HVDC Light”,适用于风电场并网、地下电力连接、海上平台供电、连接异步电网等);

MACH 2控制和保护系统;

高压直流换流站;

高压直流输电系统、功能、升级和技术支持。

ABB公司的高压直流输电相关产品和技术在远程电站接入、电网互联、海上风电接入、交流电网直流连接、离岸供电、远程负荷连接等方面得到广泛应用。

2、Siemens公司

Siemens公司是全球电子电器工程领域的领先企业,也是高压直流输电(HVDC)相关产品全球主要供应商之一。其主要产品包括:

常规高压直流输电(LCC-HVDC);

柔性高压直流输电(VSC-HVDC,Siemens称之为“HVDC Plus”,适用于风电场并网、地下电力连接、海上平台供电、连接异步电网等);

高压直流换流站;

SIMADYN D控制和保护系统;

高压直流输电全生命周期解决方案和技术服务(咨询、融资、项目管理、设计、采购、施工、测试、升级、拆除等)。

Siemens公司的高压直流输电相关产品和技术在远程电站接入、电网互联、海上风电接入、交流电网直流连接、远程负荷连接等方面得到广泛应用。

欧洲换流站工程应用

一,Gotland工程

1999年,ABB公司承建了瑞典Gotland岛风电场直流输电工程,该项目目的是将Gotland岛风电场并入瑞典内陆电网。该项目是世界第一条商业运营的HVDC Light输电线路,输送功率为54MW,直流电压±80kV,线路长度70km。

二,Tjaereborg工程

2000年,为了解决风力发电的无功功率和电压问题,丹麦投建了Tjaereborg示范工程。ABB公司承建了该项目,采用直流输电技术将Tjaereborg风电场的电站与交流主网相连。该项目的输送功率为7.2MW,直流电压±9kV,线路长度4.3km。

三,BorWin1工程

BorWin1工程是德国第一个海上风电VSC-HVDC输电项目,由ABB公司承建,目的是将Borkum2 风电场群的交流电输送至换流站BorWin Alpha,升压后由高压直流电输送至Diele,然后接入德国内陆电网。该工程相关技术参数如下:

图5 BorWin1工程

BorWin1工程2009年11月开始试运营,2010年12月正式运营,解决了一系列技术和建设难题,验证了大规模远距离海上风电安全接入内陆电网的可行性,为海上风电开发提供了工程借鉴。

四,DolWin1工程

DolWin1工程是ABB公司使用VSC-HVDC输电技术在德国建设的第二个海上风电场接入项目,目的是将Borkum1 风电场群、Borkum WestⅡ风电场及周边几个即将建造风电场的电力输送到海上高压直流换流站,升压后将高压直流电输送至Dorpen陆上换流站,然后接入德国内陆电网。该工程相关技术参数如下:

图6 DolWin1工程

DolWin1工程2013年建设完成投入运营。

五,BorWin2工程

BorWin2工程是Siemens承建的德国海上风电VSC-HVDC输电项目,目的是将Borkum2 风电场群中Veja Mate风电场和Global Tech1风电场的交流电输送至换流站BorWin Beta,升压后由高压直流电输送至Diele,然后接入德国内陆电网。该工程相关技术参数如下:

图7 BorWin2工程

BorWin2工程2013年建成投入运营。

六,HelWin1工程

HelWin1工程是Siemens承建的德国海上风电VSC-HVDC输电项目,用于Helgoland 风电场群中Nordsee Ost风电场的并网,将Nordsee Ost风电场连接至Brunsbuttel的换流站。该工程相关技术参数如下:

图8 HelWin1工程

HelWin1工程2013年建成投入运营。

七,SylWin1工程

SylWin1工程是Siemens承建的德国海上风电VSC-HVDC输电项目,用于北海Sandbank、DanTysk、Butendiek风电场群的并网,将风电场连接至SylWin Alpha换流站,升压后将高压直流电输送至陆上Buttel变电站,最终并入德国内陆电网。该工程相关技术参数如下:

图9 SylWin1工程

SylWin1工程2014年建成投入运营。

八,DolWin2工程

DolWin2工程是ABB公司使用VSC-HVDC输电技术在德国建设的海上风电场接入项目,目的是将Gode 1和2号风电场的交流电输送到海上高压直流换流站,升压后将高压直流电输送至Dorpen陆上换流站,然后接入德国内陆电网。该工程相关技术参数如下:

图10 DolWin2工程

DolWin2工程2015年建设完成投入运营。

九,HelWin2工程

HelWin2工程是Siemens承建的德国海上风电VSC-HVDC输电项目,用于Amrumbank West 风电场群的并网,将风电场交流电变换为直流电后升压输送至Buttel变电站,最终并入德国内陆电网。该工程相关技术参数如下:

图11 HelWin2工程

HelWin2工程2015年建成投入运营。

十,BorWin3工程

BorWin3工程是Siemens承建的德国海上风电VSC-HVDC输电项目,目的是将EndBw Hohe See风电场和Global Tech1风电场的交流电输送至换流站BorWin Gamma,升压后由高压直流电输送至Emden/East,然后接入德国内陆电网。该工程相关技术参数如下:

图12 BorWin3工程

BorWin3工程2019年8月建成投入运营。

总结与展望

综上所述,欧洲的海上换流站基本被ABB、Siemens所垄断,这是因为大容量换流器、控制系统等换流站核心技术目前仅掌握这两家公司手中,短期内其他公司难以与之抗衡。

随着海上风机容量不断增大、海上风电开发向深远海迈进,海上换流站已经崭露头角,可以预料,海上换流站在未来的海上新能源开发、海上资源开发中具有广阔的舞台。

来源: 千尧科技

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