1、 第 36 卷 第 14 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.36 No.14 Jul. 20, 2016 3758 2016 年 7 月 20 日 Proceedings of the CSEE 2016 Chin.Soc.for Elec.Eng. 编 者 按 海上风电代表着风电技术领域的前沿和制高点，将成为未来风电市场的发展重心，也是我国战略性新兴产业的重要内容。我国可供开发的海上风能资源丰富，场址靠近负荷中心，海上风电的开发利用不仅是风电产业向纵深发展的关键一环，也是带动我国相关海洋产业协调发展的有效途径，具有重要的战略意义。面对复杂特殊的海况和气候环境，目前我国尚缺乏成熟的海
2、上风电场设计和电力输送技术，同时海上风电开发规模大、布局集中，考虑到海上风电的特殊性，其大规模接入电网，将对电网的无功电压调节、暂态稳定控制、电能质量等方面带来巨大挑战。 为此， 2013 年国家立项了高技术研究发展计划 (863 计划 )课题“海上风电场送电系统与并网关键技术研究及应用” 。在 863课题的资助下，国内的高校、科研院所和电力企业在海上风电送电系统与并网关键技术方面开展了大量的研究和实践。本刊特邀请 863 课题负责人迟永宁总工与其他参与课题的专家学者共同总结了近期的研究成果，以专栏形式刊出。本期共刊出相关 5篇论文，内容涉及海上风电并网关键技术研究综述、海上风电场升压站设计要
3、求、海上风电场经 MMC-HVDC 并网的阻抗建模及稳定性分析、大型海上全直流风场中基于 MMC 的风力发电变流器及其控制，以及基于方位角和载荷联合反馈的独立变桨距控制策略研究。希望此次专栏对本学科的研究起到推动作用。 DOI： 10.13334/j.0258-8013.pcsee.152756 文章编号： 0258-8013 (2016) 14-3758-13 中图分类号： TM 614 大规模海上风电输电与并网关键技术研究综述 迟永宁1，梁伟2，张占奎1，李琰1，靳双龙1，蔡旭3， 胡君慧4，赵生校5，田炜6(1中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192； 2华中科技大学电气与电子工
4、程学院， 湖北省 武汉市 430074； 3上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海市 闵行区 200240； 4国网北京经济技术研究院，北京市 昌平区 102209； 5中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江省 杭州市 310014； 6国电南瑞科技股份有限公司，江苏省 南京市 210061) An Overview on Key Technologies Regarding Power Transmission and Grid Integration of Large Scale Offshore Wind Power CHI Yongning1, LIANG Wei2, ZHAN
5、G Zhankui1, LI Yan1, JIN Shuanglong1, CAI Xu3, HU Junhui4, ZHAO Shengxiao5, TIAN Wei6(1. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China; 2. College of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei Province,
6、 China; 3. School of Electrical and Electronic Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Minhang District, Shanghai 200240, China; 4. State Power Economic Research Institute, Changping District, Beijing 102209, China; 5. Power China Huadong Engineering Co. Ltd., Hangzhou 310014, Zhejiang Province,
7、 China; 6. NARI Technology Development Co. Ltd., Nanjing 210061, Jiangsu Province, China) ABSTRACT: Wind power is one of the most mature power generations which is with reliable potential for commercial deployment in the field of renewable energy utilization. Large-scale offshore wind power grid int
8、erconnection issues are now becoming the focusing topic in the field of wind power 基金项目： 国家 863 高技术基金项目 (2013AA050601)。 The National High Technology Research and Development Program (863 Program)(2013AA050601). developments and grid interconnection researches, because of the abundant wind resources
9、of and the urgent engineering practices requirements to offshore wind power. Several key technologies regarding power transmission and grid interconnection were presented, including offshore wind power transmission, design for offshore wind farm substation and collection system, forecasting technolo
10、gy for offshore wind power, active/reactive power control technology of offshore wind farm cluster and stability control technology. The 第 14 期 迟永宁等：大规模海上风电输电与并网关键技术研究综述 3759 research status and key finding of the above mentioned technologies were summarized. The development trend and the research d
11、irection for further study of offshore wind power were also figured out, which provides a reference for the development of offshore wind power grid interconnection. KEY WORDS: offshore wind power; power transmission; offshore substation; wind power forecast; cluster control 摘要： 风力发电是可再生能源利用领域中技术最成熟，
12、最具商业化发展潜力的发电方式之一。 由于海上具有风资源丰富的特点，且目前全世界海上风电开发工程应用的需求迫切，大规模海上风电的输电与并网问题成为风电发展和研究的热点方向。 文中对大规模海上风电输电及并网的关键技术进行了介绍，包括海上风电传输技术，海上风电场升压站、集电系统设计技术，海上风电功率预测技术，海上风电集群有功 /无功控制技术和安全稳定控制技术等，并对这些技术的研究现状及成果进行了分析和总结。最后，指出了海上风电的发展趋势及需要进一步研究的方面， 为海上风电并网的发展提供了参考。 关键词： 海上风电；功率传输；海上变电站；风电功率预测；集群控制 0 引言 风力发电是新能源发电中技术最成
13、熟、最具规模开发条件的发电方式之一。由于海上风电具备资源条件稳定、距离负荷中心较近等优势，近年来成为世界各国风电发展的重要方向。 2015 年上半年欧洲 (主要为德、英、荷三国 )新增海上风电装机容量达 2.34GW，同比增长 200%。截至 2015 年 6 月 30日，欧洲共有 3072 台海上风电机组并网发电，总装机容量达 10.4GW，占全球海上风电装机容量的91%1。从 2010 年 4 月第一座海上风电场上海东海大桥项目一期工程并网发电开始，到 2014 年底，我国已建成的海上风电项目装机容量共计657.88MW2。为了促进我国海上风电的发展，落实风电发展规划，国家能源局印发了全国
14、海上风电开发建设方案 (20142016) ， 今明两年将有 44 个，共计 1053 万千瓦的海上风电项目开始建设3。 相对于陆上风电而言，我国海上风电的研究工作明显滞后，海上风电并网的影响、功率预测、远程集群控制等还处于研发初级阶段，相关技术标准和规程规范等还在制定中；随着海上风电的大规模开发，亟需对海上风电开发设计、并网运行等方面的相关技术进行深入研究。本文主要介绍海上风电输电与并网方面的若干关键技术，从海上风电的电力传输、集变电设计以及运行控制等方面入手，涵盖海上风电高压交流 /直流输电技术、 集变电系统优化设计、功率预测、远程集群控制等内容，并对海上风电未来的技术发展趋势进行了展望。
15、 1 海上风电输电技术 海上风电输电技术理论上可采用高压交流输电技术 (high voltage AC， HVAC)、高压直流输电技术 (high voltage DC， HVDC)以及其他输电技术，不同的输电技术适用于不同的工程情况。 1.1 高压交流输电技术 根据相关研究显示4，风电场额定容量在400MW 以内， 离岸距离在 70km 之内可考虑采用高压交流输电传输方式，但 HVAC 对于长距离、大容量输电存在以下问题5： 1）传输相同有功功率，交流输电线路的工程造价和功率损耗比直流输电线路增长的快； 2）海底电缆的电容效应会产生大量的无功功率，降低了电缆的有效负荷能力，并抬升了电网电压，
16、且难以在海底输电电缆中间进行无功补偿； 3）采用交流传输方式后，海上风电场和陆上电网任何一方的故障都会直接影响到另一方，对系统的安全运行不利。 海上风电场采用交流输电技术需要考虑海上风电并网的电能质量问题，主要包括电压波动与闪变、谐波、电压三相不平衡、频率偏差、电压偏差等5。此外，由于电网和风电场之间的影响是相互的，当电网电压发生跌落或骤升时，也会对海上风电场的安全运行造成影响，这就要求海上风电场必须具备故障穿越能力。 1.1.1 电能质量问题及其治理技术 对于海底电缆的充电功率引起的电压升高以及过电压等问题，常采用高抗等无功补偿装置对电缆进行一端补偿、两端补偿6或采用改变风电场功率因数三种方
17、法解决。为了避开输电线非全相运行谐振区，高抗补偿容量一般不大于 80%补偿度 (并联电抗器容量与空载海缆线路电容无功功率之比 )，通常在输电海缆侧加装 60%70%补偿度的高抗容量，以满足输电电压层的无功平衡需求。当过电压较严重时，可考虑在相关位置加装避雷器7。 在海上风电场正常运行及故障过程中，运行环境和风电机组的特性会引起一定的电能质量问题。风力发电机组本身配备的变流器会产生不同次序的谐波8，传统的治理方法是安装 LC 滤波器 (无源滤波器 )，但只能滤除指定次序的谐波，且补偿特性3760 中 国 电 机 工 程 学 报 第 36 卷 受电网阻抗和运行状态的影响，易和系统发生并联谐振。 有
18、源滤波器 (active power filter, APF)相较于无源滤波器是一种主动性的补偿装置，具有较好的动态性能并能降低有功损耗9，根据接入电网的方式不同， APF 可分为串联型、并联型和串 并联型 3大类，但有源滤波器造价较高且容量较小，在实际工程中常采用无源滤波器。此外，由于海上风电输出功率的波动，会对风电场并网点电压质量造成影响，常采用 SVC、 STATCOM 等动态无功补偿设备维持电压稳定10。 1.1.2 海上风电的无功补偿技术与电压分布特性 目前， 海上风电场通常采用二级升压方式 (少数采用三级 )，即风力发电机输出电压 690V，经箱变升压至 35kV 后，分别通过 3
19、5kV 海底电缆汇流至110 或 220kV 升压站，最终通过 110 或 220kV 线路接入电网。图 1 所示为海上风电场典型布局图。 图 1 海上风电场接入系统拓扑结构 Fig. 1 Diagram of offshore wind farm 由于海上变电站与岸上变电站通常有数十公里的距离，而长距离交流海缆带来的充电无功问题不容忽视。为合理配置海上风电场的无功补偿，需要对风电场的无功特性进行分析。在海上风电场无功特性分布方面，国内的研究较多，分析也较为全面，但在无功补偿方面，由于缺乏相应的标准，同时国内目前实际投运的海上风电场也都处在摸索阶段，处理方式不尽相同。 目前， 中国电力科学研究
20、院依托国家 863 项目，针对实际示范工程，开展了海上风电场电压分布特性和无功配置及电压控制技术研究，并编制了国家电网公司企业标准海上风电场接入电网技术规定 (以下简称规定 )，对海上风电场无功容量确定、无功补偿装置配置以及电压控制等做出了相应规定。 为便于实现电压控制和调度管理，海上风电场的并网点应设在陆上开关站出线侧。海缆产生的充电功率应通过装设并联电抗器基本予以补偿。 规定同时要求，海上风电场要充分利用风电机组的无功容量及其调节能力；当风电机组的无功容量不能满足系统电压调节需要时，应在风电场集中加装适当容量的无功补偿装置，必要时加装动态无功补偿装置。 1.1.3 海上风电交流故障穿越技术
21、 基于交流输电系统的海上风电故障穿越技术可分为低电压穿越和高电压穿越。目前国标 GB/T 199632011 对风电场的低压穿越技术要求做出了规定，但对风电场高电压穿越11，国内还没有相关的运行标准。总的来说，当电网电压故障程度较轻时，可通过改进风机变流器的控制策略实现不脱网运行；当电网故障程度较重时，可通过增加辅助的硬件设备 (如 Crowbar、 Chopper 等 )与改进控制策略相结合的方式实现风电机组的故障穿越。对于风电场的故障穿越，相关文献进行了详细的梳理与总 结12-14，这里不再赘述。在海上风电穿透功率逐渐增大的背景下，风机自身及相关设备的控制及其与系统之间的相互影响等方面的相
22、关研究还有待进一步深入。 1.2 高压直流输电技术 当海上风电的离岸距离超过 70km 甚至更远，采用高压交流输电将不能满足大容量、远距离海 上风电输送的需求。高压直流输电具有输送距离远、运行调控灵活等优点，适用于输电距离更远的海上风电的并网，成为未来海上风电输送的研究 热点15。 1.2.1 高压直流输电在海上风电中的应用 HVDC 输电技术主要分为基于晶闸管电网换相器的 LCC-HVDC 技术 (传统直流输电技术 )和基于电压源换流器的 VSC-HVDC 技术 (柔性直流输电技术 )。与 LCC-HVDC 技术相比， VSC-HVDC 技术不存在换相失败问题，可为无源系统供电，独立调节有功
23、功率和无功功率，谐波水平低，适合构成多端直流输电系统。目前世界上采用直流输电的海上风电场均采用 VSC-HVDC 技术。 文献 16提出了采用混合直流输电技术 (Hybrid HVDC)，即海上变电站采用 VSC，岸上变电站采用 LCC 技术，该技术不但可以保留柔性直流输电技术的绝大部分优势，而且可以优化工程造价，对于海上电网的并网具有很大优势。 基于柔性直流输电技术的海上风电换流站有多种拓扑结构，通常采用两电平和三电平技术。这种换流站主要用于单输入单输出的两端口 VSC- 第 14 期 迟永宁等：大规模海上风电输电与并网关键技术研究综述 3761 HVDC 系统，所适用的风电场规模较小，是目
24、前海上风电场普遍采用的应用方案17。但这种结构存在谐波含量高、开关损耗大、中点电压平衡问题等缺陷。模块化多电平换流器 (modular multilevel converter， MMC)技术通过多个开关模块叠加得到较高的直流电压，避免了开关器件的直接串联，降低了输出电压的谐波含量。 MMC 输电技术已在HelWin2、 BorWin2 等多个海上风电项目中应用，目前的研究主要集中在 MMC 调制方法、 MMC 子模块电容电压均衡控制以及 MMC 交直流故障保护等方面。 MMC 的调制方法总体上可分为载波 PWM调制、多电平电压空间矢量调制以及多电平阶梯波调制三种。 而对于 MMC 子模块电容
25、电压均衡控制，目前主要有两种解决思路：一是 MMC 调制策略与子模块电容均压策略相互独立，通过外部控制电路来实现子模块电容均压；二是子模块电容稳压策略叠加到 MMC 调制策略中，参与构成 MMC 子模块调制电压。近年来，随着研究的不断深入，相关研究人员还针对海上风电场经 MMC 输电方式并网的次同步振荡问题以及多个海上风电场经 MMC 并网的协调控制问题进行了研究。上述问题的解决将进一步促进 MMC 输电技术在海上风电领域的应用。 大规模远距离海上风电场群由于受到环境因素的限制，分布较为分散。另外，陆上功率受端由于受负荷中心地理位置的影响，也多分布在不同的区域。因此，采用多端直流 (MTDC)
26、输电技术相对 于传统的两端直流输电技术具有明显的技术及经济优势18。 MTDC 输电系统有多种接线方式，目前已运行的多端直流输电工程均采用并联接线方式。其中，并联接线方式又可分为放射式和环网式19，如图 2 所示。 (a) 放射式 (b) 环网式 图 2 多端直流输电并联接线方式 Fig. 2 Parallel connection diagram of multi-terminal HVDC 针对 MTDC 输电系统， 上海交通大学结合国家863 计划课题对传统的直流电压控制方法 (如主从控制、电压下垂控制等 )的优缺点进行了分析，提出了一种新型的基于协调直流电压控制 (coordinate
27、d DC voltage control， CDCV)的有功功率动态分配控制策略，如图 3 所示。该控制策略可以在风功率突变的情况下保持直流电压的稳定，同时可以按照最优潮流或者其他功率分配原则控制潮流流动。 PIVd*cVdcid*调度中心岸上变换器 1岸上变换器 3岸上变换器 i全局层面 局部层面根据最优潮流设置功率分配系数 KiPWMabc /dqdq/abcPLLPIPIPIK1idK2idK3idKiidLuabcIqIdIdQQrefIq*VgdiabcL IqL Id图 3 基于协调直流电压控制的有功功率分配原理图 Fig. 3 The distribution principle
28、 of active power based on coordinated DC voltage control 多端直流输电技术的发展不仅对于海上风电并网具有重要意义，同时也是对于未来电网发展模式影响最大的先进 /前瞻性技术之一20。除此之外，在拓扑结构、运行方式、潮流计算、故障保护和包括高压直流断路器在内的关键设备研制等方面仍需进一步的研究17。 1.2.2 海上风电直流故障穿越技术 基于 VSC-HVDC 联网的海上风电场的故障穿越方法大致可分为 2 种： 一种是附加直流耗能电阻；另一种是通过直接控制风电机组或调节风电场电压和频率的方式降低风电场出力，实现故障穿越。文献 21提出可采用在
29、直流线路上投入耗能装置的方式消耗过多的能量，保证系统中流入和流出的能量均衡，但由于该方案需要额外配置开关器件和耗能电阻，增加了系统成本。为了不增加硬件投资，有文献 22提出了降低风电场交流电压和改变风电3762 中 国 电 机 工 程 学 报 第 36 卷 场频率两种协同控制策略。其中降低交流电压响应速度快， 但可能会触发保护， 影响风电场正常运行；而改变风电场频率需对风电场中风机原有的运行策略进行调整，且响应速度较慢，不适合低电压穿越场合。 随着海上风电场规模的不断增大， MMC 输电技术将更适用于这种大输送容量的场合。如果 MMC 采用半桥结构，由于故障电流会通过半桥中的反并联二极管流通，
30、因此它没有故障电流阻断能力。文献 23-24提出，采用半桥加全桥子模块混合式 MMC 在不闭锁的情况下穿越直流短路故障的控制策略，但主要应用于连接稳定大电网的场合，未涉及海上风电场并网过程中协同控制问题，且全桥子模块的使用增加了系统的成本。文献 25提出在允许的风电机组转速和直流电压变化范围内，通过改变海上风电场频率及一系列协调控制增加系统惯量。但该方案响应速度较慢，在有功功率降低到0 之前子模块电压即发生严重过压。文献 26提出利用子模块电容储能模拟传统发电机的惯量时间常数，但目前工程上子模块电容不能提供足够的电能存储容量，故该策略所提供的惯量有限。 1.3 其他输电技术 常见的可用于海上风
31、电的输电技术除了 HVAC和 HVDC 外， 理论上还有分频输电技术以及多相输电技术等。分频输电技术在不提高电压等级的前提下通过降低输电频率 (如从 50Hz 降低至 50/3Hz)来实现电能的传输，具有提高线路传输能力，减小输电回路数和出线走廊以及延长海底电缆使用寿命的优点，但会使低频侧变压器的体积和造价增大，且交交变频器需要考虑无功补偿和滤波，此外，当分频风力发电系统中全部风机按照某个全场最优频率运行时，难以保证每台风力发电机都可以捕获最大风能。 多相输电是指相数多于 3 相的输电技术，理论上具有提高线路输电功率和热稳定极限功率等优点，但随着相数的增多，多相输电线路故障组合类型迅速增加，断
32、路器结构更加复杂，给故障分析计算，继电保护的设计及整定带来了困难。综合考虑技术实用性、成熟度以及经济性等各方面的因素， HVAC 和 HVDC 输电技术仍将是未来海上风电建设所采用的主要输电技术。 海上风电资源的逐步开发，将使未来海上风电场向容量更大、离岸距离更远的方向发展，海上风电直流输电相较于交流输电的优势将更加明显。而电力电子器件、计算机控制等技术的不断进步，柔性直流输电的输送容量、电压等级将不断提高，系统损耗和成本将逐渐下降，这些因素将会使得柔性直流输电技术更广泛地应用在工程实际中。 2 海上风电集电与变电设计技术 海上风电场集电与变电系统是海上风电场电气系统的重要组成部分，其电气设备
33、繁多、连接方式各异，存在很大的优化空间。海上风电场集电与变电系统的设计主要包含两个方面： 1）海上风电场集电系统的优化设计； 2）海上升压站的集成设计。 2.1 海上风电集电系统设计技术 由于海上风电场运行条件十分恶劣，集电系统一旦发生故障，其维护、检修工作难度更大，耗时更长。因此，海上风电场集电系统的优化设计关系着整个海上风电场的安全与经济运行，成为工程技术人员关注的焦点之一。集电系统的优化设计主要包括集电系统的拓扑优化、设备选型等方面，目前相关研究成果较多，但还需结合工程实际来检验和改进。海上风电场集电系统任务是将各风电机组输出的电能通过中压海底电缆汇集到海上变电站的汇流母线。海上交流风电
34、场常用的集电系统拓扑结构有如下几种：放射形结构、星形结构、单边环形、双边环形及复合环形。 近年来有不少学者从设计、优化及评估等方面对集电系统的拓扑结构进行了初步研究，并提出了集电网络优化模型。文献 27-28使用标准遗传算法对海上风电场电气系统进行了优化设计，得出了若干风电场电气系统整体配置的优化方案，文献 29对前述算法特性进行了分析，文献 30在海上风电场基本电气结构确定的基础上给出了冗余设计方法，并以成本最低为目标利用不同的算法对风电场内部电气连接进行了优化。此外还有基于最小生成树算法的优化方法以及基于模糊 C 均值聚类 (Fuzzy C Means)的优化方法等31。相关优化算法以集电
35、系统拓扑结构的经济性或可靠性为优化目标，得出满足相关条件的优化结果。 2.2 海上风电变电系统设计技术 自 2000 年发展海上风电以来，国外陆续有二十余座海上升压站 (换流站 )投入运行32，已建成的海上升压平台主要集中在丹麦、英国、德国等欧洲地区。我国首座 220kV 海上升压站于 2015 年 5 月在青岛开工建设， 10 月 16 日在江苏响水海上风电第 14 期 迟永宁等：大规模海上风电输电与并网关键技术研究综述 3763 场完成海上吊装，如图 4 所示。在实际工程中，设计人员一般会根据风电场位置、装机规模、离岸距离、接入系统方案、海洋环境、地形地质条件、海底管线 (缆线 )、场内外
36、交通情况，综合考虑设计、施工、运维、投资、建设用海等因素对海上升压变电站选址进行优化33。对于只有一个海上升压站的风电场来说，升压站的位置通常倾向于位于风电场中心或者风电场靠近并网点侧的某个位置。 在海上升压站内部建设过程中，合理的电气主接线方案和设备选型对提升变电站的可靠性，减少 图 4 江苏响水海上风电场升压站 Fig. 4 Offshore wind farm substation in Xiangshui, Jiangsu 施工运维工作量及降低工程总造价具有重要作用，二者也是海上变电站优化设计的主要内容。其中，电气主接线的设计应综合考虑风电场总体规模、线路变压器连接元件总数、接入系统要
37、求、设备特点等因素，并同时满足供电可靠、运行灵活、操作检修方便、投资节约和便于扩建等要求。在我国，海上升压站高压侧电压等级一般采用 220kV，电气接线方案推荐采用扩大单元接线方案或单母线接线方案；低压侧电压等级为 35kV，可采用双绕组变压器接线或双分裂变压器接线。同时，在低压侧应采用小电阻接地方式，防止故障引发大面积脱网34。此外，海上升压站内电气设备的选择与布置对升压站的安全稳定运行也十分重要。电气设备主要包括：主变压器、无功补偿装置、高压侧和低压侧配电装置设备和二次系统设备等35。海上升压站布置的典型设计是采用钢结构的三层建筑形式，电缆层兼辅助设备安装场地放置在底层甲板；一层放置主变、
38、高低压配电装置及无功补偿装置等；二层设计为二次设备室、交流配电室、无功补偿装置室及蓄电池室等；顶层根据实际需求，有选择地布置直升机平台。其典型设计方案如图 5 所示。 底层甲板布置 一层甲板布置二层甲板布置 顶层甲板布置图 5 海上变电站典型设计 Fig. 5 The typical design of offshore substation 海上风电场集变电系统作为海上风电场电气系统的重要组成部分，其优化设计关系着整个海上风电场的安全与经济运行，需要重点研究安全可靠、经济合理的海上风电场集电系统拓扑结构优化设计技术和适用于大型海上风电场的海上变电站主要设备选型和电气系统主接线方案集成设计技术
39、。 3 海上风电功率预测技术 3.1 区域海气耦合模式研究 相关研究显示，海上不受地形和植被、建筑物等地貌特征的影响，湍流强度较小，风电机组尾流影响距离长、范围广；同时海上存在台风、海浪、盐雾、浮冰等机组运行的不利因素。这些特点使得 3764 中 国 电 机 工 程 学 报 第 36 卷 海上风电功率预测适用的数值天气预报模式也不同于陆上。海上环境十分复杂，海洋和大气之间会相互影响，它们的相互作用是通过海 气界面的热力过程和动力过程等物理过程来实现的。基于海洋海浪 大气模式耦合的区域数值模式，不但可以改善低层风场以及水汽输送的模拟能力，而且可以通过海 气界面的热力和动力等物理过程来实现台风天气
40、的预报。海上风电功率预测的研究相较于陆上风电起步较晚，预报和预测结果精度较低，还不能满足实际工程的需要。 目前，中国电力科学研究院依托国家 863 计划课题针对海上风电预测技术开展了研究，建立了区域海气耦合模式：大气分量选择新一代中尺度大气模式 WRF，海浪模式为 WAVEWATCH-III 第三代海浪模式，海洋分量是普林斯顿大学开发的 POM模式。耦合模式交换的信息主要包括大气模式地面层、海洋模式表层和海浪的有关物理参量，这些参量包括 WRF 每个积分时步计算的海面风应力、感热通量、潜热通量、净长波辐射通量和净短波辐射通量以及降水率和蒸发率； POM 每时步计算的海温插值到海表后而形成的海表
41、气温 SST； WW3 计算的海面粗糙度等，最终得到考虑了海气相互作用的气象要素预报，支撑海上风电功率预测。 3.2 台风预测技术 基于海气耦合模式，结合卫星资料同化和快速循环更新技术，针对 2014 年 17 号台风北冕的过境路径， 课题组设计了一组模式试验， 包括控制试验、单次同化及循化同化试验，如图 6 所示。预报试验结果表明，控制试验 48h 预报路径偏差为 121km，单次同化及循环同化 48h 路径预报偏差分别为 97和 85km。受海上常规观测资料不足的限制，循环同化卫星遥感资料是实现台风路径准确预报的有 经度 /(E) 纬度/(N)14104 182622108 112 120
42、116 实况 循环同化 控制同化 单次同化 图 6 台风北冕路径预报试验 Fig. 6 The track forecast test of typhoon Kammuri 效方法。风电功率预测方法36在应用到海上风电场时，需要结合海上风电的特点做出相应的改进，以提高预测结果的准确度。其中，物理模型预测法的建立及改进需要设计人员对选址海域风速分布和该海域风能特点有充分的了解，而基于统计观点的外推模型法、组合预测法以及概率性预测法不需要为了设计合适的预测算法而对海上的状况有准确的了解。事实上，这些方法可用给定的气象条件进行训练，以便对风电场功率输出进行预测，避免中间的物理建模步骤。 提高风电功率
43、预测精度是增强风电并网安全与稳定性最有效的手段之一，除了提高气象预报的精度与时空分辨率外，提高预测模型及参数的自适应能力，采用概率区间技术应对不确定性是可能的突破口。 4 海上风电集群控制技术 海上风电远程集群控制的目的，是将地理上毗邻、特性上相关且拥有 1 个共同接入点的风电场集群进行一体化整合、集中协调控制，有效平抑出力的波动性和间歇性，以形成在规模和外部调控特性上都与常规电厂相近的电源，具备灵活响应电网调度与控制的能力。海上风电集群控制技术按照功能可分为有功控制技术、无功控制技术及安全稳定控制技术。 4.1 海上风电有功控制技术 海上风电场远程有功控制技术主要用于调节海上风电出力，使风电
44、集群既可运行在最大出力跟踪状态，也可参与系统调峰、调频以及紧急情况下对电网的响应。为了规范风电并网技术，我国的风电并网国家标准 GB/T 199632011风电场接入电力系统技术规定37和国家电网公司制定的风电调度运行管理规范38技术标准，都明确要求风电场能根据电网调度部门指令控制其有功功率输出。 国内外学者关于风电功率控制的研究多集中在单个场站，其中有功控制研究大都聚焦于风电机组频率响应以及单个场站 AGC 子站的设计39-40。现有的风电场有功功率分配算法大致可分为加权算法和数学规划算法。加权算法包括平均分配、按风电场容量比例分配和按预测值比例分配等41-43，其算法本身比较简单、易于实现
45、。数学规划算法则根据不同的需求选取相应的技术指标作为优化目标和约束条件，并建立优化分配模型进行优化调度44。 第 14 期 迟永宁等：大规模海上风电输电与并网关键技术研究综述 3765 实现风电集群的有功控制，关键在于控制系统的架构设计和控制策略设计。控制系统架构的设计应综合考虑现有信道条件、可用设备资源和允许投资总额等条件，保证系统的可靠性，同时还需考虑系统在未来一段时间内的可扩展性，相关文献针对不同情况提出了多种方案39,41,45。控制策略设计的研究主要集中在对风电集群的各风电场有功指令分配算法上。这类算法大致包括加权算法46、数学规划法44以及计划排队法47等。 通常风电集群有功分配策
46、略应充分考虑风电场装机容量、实际风况、调节性能等差异，在保证系统安全的前提下合理安排限电功率，充分利用电网的风电接纳能力。 4.2 海上风电无功控制技术 目前，在海上风电无功功率控制方面，研究主要集中在风电场内和含风电的配电网的无功优化48以及故障切除后的无功过补偿问题。在海上风电的无功优化中，主要问题是如何处理风机出力的波动性对无功优化的影响；在海上风电场无功控制方面，可分为恒功率因数控制模式和恒电压控制模式49。恒功率因数模式控制应用较为广泛，只是简单地使风机出力保持恒功率因数状态，该模式一定程度上发挥了 DFIG 等风机的无功潜能，但并没有发挥其无功可灵活控制的优势。许多学者尝试将不同控
47、制策略应用到风电场恒电压模式的无功协调控制中，通过采用神经网络控制、等比例分配控制50、模拟退火算法控制等方式，对各风电机组进行无功分配。此外，还可考虑将风机和无功补偿装置之间进行协调配合，通常的做法是在升压站装设动态无功补偿设备51-53，如静止无功补偿器 (SVC)和静止同步补偿器 (STATCOM)。 海上风电场集群无功电压协调控制系统主要用于维持区域内的电压稳定，包括控制架构和控制策略的设计。针对系统无功优化控制，比较典型的是采用 3 级电压控制体系45,54-55，风电集群是 3 级电压控制的第 2 级，接收系统无功优化给出的设定值，在集群内再实现分层分区协调控制，给出各场站无功出力
48、指令，各场站控制其无功源设备实现反馈控制。关于控制策略，研究的热点集中在如何实现无功补偿在场群与并网点之间的协调控制，如何合理分配各单场之间无功补偿任务等方面49。在 分配各单场之间无功补偿任务的控制策略中，主要包括数学规划算法 (基于遗传算法的改进算法49,56， 基于过滤集合的内点算法 (interior point filter algorithm)57以及基于预测的一般优化算法44，基于风电场容量比例分配、线路潮流分布分配和等网损微增率分配58等算法。 4.3 海上风电安全稳定控制技术 海上风电的发展使得部分电网中风电渗透率不断提高，当系统发生大扰动时，如何在给定的时间内完成常规发电机
49、组、风电机组及负荷的紧急协调控制已成为当前必须解决的问题。紧急控制是电力系统二、三道防线的核心内容，主要包括切机切负荷、低频 /低压减载和失步解列等手段。文献 59在假设所有常规机组都是直调机组的前提下，提出了基于快调序列 (机组快关气门、风电场切机 )和切机序列 (常规机组切机、风电场切场 )的多电源集群的有功分配策略。文献 60对火电机组切机量的方案进行了研究，但没有考虑风电和火电机组切机对系统影响的差异。文献 61则提出基于改进支路暂态能量函数法建立了考虑风电的最优切机模型，实现从能量角度对风电和火电机组的解耦。此外，也有文献采用扩展等面积法62对紧急控制下切机控制措施进行研究。在对风电和其他可调电源进行紧急协调控制时应注意，同步机组切除比例应适当，避免故障后同步机组不能有效控制系统频率和电压。风电机组的高频保护定值一般高于一些水火电机组，当风电集群的电能送出通道发生故障，可能会导致风电基地的有功过剩，电网出现高频问
