近海风电场关键技术.pdf

第 35卷 第 2期2007年 2月华东电力East China Electric PowerVo.l 35 No.2Feb.2007近海风电场关键技术王志新,王承民,艾 芊,蒋传文,房鑫炎,武 黎(上海交通大学 电气工程系,上海 200240)摘 要:介绍了近海风电场特点、发展态势及关键技术,分析国外近海风电场建设实施案例,并围绕近海风电场优化配置与评估、近海风电场电气传输技术、近海风电场系统接入与稳定运行开展研究,提出了相应的实施及解决方案。关键词:近海风电场;电气传输技术;双馈风力发电机基金项目:中国博士后基金资助项目(2005038435);上海市教育发展基金资助项目(2006003)作者简介:王志新(1964-),男,博士,教授,博士生导师。主要研究风力发电及其控制,近海风电场技术等。中图分类号:TM614 文献标识码:A 文章编号:1001-9529(2007)02-0037-05Key technology for offshore w ind farm sWANG Zhi-xin,WANG Cheng-m in,AI Q ian,JIANG Chuan-wen,FANG Xin-yan,WU Li(Dept.ofElectricalEngineering,Shanghai Jiaotong Univ.,Shanghai200240,China)Abstract:The features,development trend,and key technology of offshore w ind far ms are presented,and overseasconstruction cases of offshore wind far ms are analyzed.Study of the offshorew ind far m is carried out in the aspects ofopti mal configuration and evaluation,electrical transm ission technology,system interconnection,and stable opera-tion.Relevant solution sche mes are proposed.K ey words:offshorew ind far m;electrical transm ission technology;doubly-fed wind turbine1 近海风电发展现状大型风电场正从陆地向海上发展,因为海洋风资源丰富,不占用土地,机位选择空间大有利于选择场地,受环境制约少,且海上风速高、湍流强度小、风电机组发电量多、风能利用更加充分,其能量收益比沿海风资源丰富地区陆地风机高20%40%。近海风电投资成本是陆地的一倍(达 2万元/k W),其中,风机(含塔架)占 58%,基础占 20%,电气系统占 16%,项目管理占 4%,其他占 2%。海上风力发电已引起世界各国重视。截止 2006年 8月,近海风电累计装机 798.2MW(见表 1所列),占全球风电总装机容量 1.5%。近海风电欧洲走在世界前列。其中,丹麦在 1991年建成世界上第一个海上风电场,2003年还在南海岸建成最大海上风电场(Nysted,装机 165.6MW),2006年计划新建 200MW 海上风电场,累计装机达到 416MW,规划至 2030年近海风电场装机 4 000MW;德国政府计划 2010年近海风电装机达 3 000MW,2030年装机 23 000MW;荷兰表 1 全球近海风电场装机容量MW国家年度机型台数容量累计丹麦1991Bonus-450k W111995Vestas V 39-500k W102000Bonus 2 MW202002Vestas V80-2.0MW802003Bonus 2.3 MW822004Bonus 2.3 MWVestas V90-3.0MWNordex N90-3.0 MW1+2+1409.9英国2000Vestas V66-2.0MW22003Vestas V80-2.0MW302004Vestas V80-2.0MW302005Vestas V90-3.0MW302006Vestas V90-3.0MW30Repower 5 MW2314爱尔兰2003GEW ind 3.6 MW725.2瑞典1997W indWorld 550kW52000ENRON 1.5 MW72001NEG M icon 2 MW523.3荷兰1994N edW ind 500Kw41996Nordtank 600Kw2818.8德国2004Enercon E1121NordexN8017合 计798.2政府计划 2020年近海风电装机 6 000MW;瑞典38(总 133)华东电力2007,35(2)计划 2019年近海风电装机 3 300MW。欧洲规划到 2020年,近海风电装机达到 240 000MW,年发电量 720 TW#h,可以满足 1/3的欧洲用电量 1。我国 2004年已批准在广东南澳建设首个 20MW 海上风电场,2005年规划在上海东海大桥(上海侧)建设 100 MW 海上风电场,2006年 12月 22日,由中国大唐集团公司等四方联合体已中标该中国首个海上风电项目。此外,还规划在浙江慈溪、临海、岱山,江苏盐城、山东青岛建设海上风电场,累计装机超过 1 000 MW。2006年,国家科技支撑计划设置了 4个近海风电课题。(1)近海风电场建设关键技术。围绕近海风电机组基础结构、环境载荷对基础作用力计算、基础强度设计、基础损伤检测与评价技术、近海风电场选址、近海风电场电力输送技术、近海风电机组的选型、安装、运行和维护技术等开展研究。(2)近海风电机组安装及维护专用设备的研制。围绕近海风电场建设的专用安装及维护设备和专用工具的研制,近海风电场建设所需设备的运输、安装及维护技术开展研究。(3)近海风电场技术、经济分析及对环境的影响评估。针对近海风电场建设作技术、经济分析,对近海风电场对当地生态环境的影响进行评估。(4)近海风电场建设技术手册。针对近海风电场选址,近海风电场基础施工方法,近海风电场风电机组设计技术、选型原则、安装方法,近海风电场电力传输方法开展研究。2 近海风电场关键技术及发展态势2.1 近海风电场关键技术2.1.1 基础结构方面(1)承受水动力、空气动力双重载荷作用,需要综合考虑风及波浪载荷、支撑结构和风电机组机头的动力学特性以及风电机组控制系统的响应等因素。(2)基础类型:1)重力基础,如钢筋混凝土重力沉箱,建造、安装技术成熟,属塔筒基础,适合0 10 m水深,不足是需要整理海床、体积和重量大、拆除困难;2)单桩基础,无需整理海床,制造相对简单,适合 0 30m水深,不足是需要专用安装设备;3)多脚架基础,无需或只需少量整理海床,适合大于 20 m 水深场合,不适合浅海域,同时,因增加了冰载荷,船只难以靠近。(3)依据为 IEC61400-3(海上风电机组的设计要求)。2.1.2 场址选择时考虑的因素风资源情况;项目建设许可;获得场址海域使用权;附近电网基本情况,包括陆地变电站位置、电压等级、可接入的最大容量以及电网规划等;场址基本情况,包括范围、水深、风能资源及海底地质条件;环境制约,包括当地旅游业、水中生物、鸟类、航道、渔业和海防等负面影响等。2.1.3 测风风资源初步评价:借助气象站、石油钻井平台、卫星以及船只的观测资料,初步估算发电量;在场址安装 50 80m 高测风塔,或 10m 高浮标测风设备,通过综合浮标测得的长期数据与测风塔测得的短期数据,经相关性分析,减少风能资源评估的不确定性。另外,还可以采用超声波雷达测风仪、激光雷达测风仪测风,特点是安装在低平面、流动平台上测量高空风能资源。2.1.4 现场勘查采用声纳计全面测量场址和拟定送出电缆路线等区域的水深,绘制等水深地图,为微观选址和送出路线的设计提供依据;收集场址各处的海底表层土壤数据;海底钻孔勘查,深度在 20 40m,了解海底地质情况;现场测量波浪、潮汐和海流等数据,用于计算基础等水下建筑物的水动力学载荷。2.1.5 海上风电机组同等额定功率机组的风轮直径更大,降低额定风速;风速随高度的变化率小,轮毂高度降低;叶尖速比高,因不受噪声限制,机组转速提高10%35%,增加发电量,降低转矩、减少传动系统的重量和成本;提高防腐保护标准,如内部采用密封措施,齿轮箱和发电机的空冷系统的空气通过再循环来实现热交换,避免外界空气的进入,同时在机舱和塔架内安装除湿装置。通过增加塔架壁厚、采用电极防护和镀层措施加强外部防腐保护;新型结构形式,包括二叶片、下风向、柔性叶片,高压发电机(输出电压 10 kV)和高压输电,如由直流取代交流以减少损耗。2.1.6 吊装吊装船目前主要采用改装船,投入运行的有A2SEA改装船,五月花/决意 0号,/跳爆竹 0号。王志新,等 近海风电场关键技术39(总 134)其中,五月花/决意0号是世界首艘海上风电机组吊装船,由中国山海关造船厂建造,有 6条可以伸缩的支架,作业水深可以超过 35 m,还可以安装基础,无需其他船只协助,1次可以装载 10台风电机组到达指定地点。也有采用机组整体提升和安装的方法。2.1.7 电气传输技术海上风电机组按一定规律排布,串联在一起形成若干独立的组,分别与海上升压变电站相连接,如 35 kV/150 kV,开发专用的硅树脂冷却变压器,密封性好,无需特殊外壳就能够在恶劣环境(潮湿和盐雾)中运行;采用 HVDC联网,降低网损耗,改善电能质量等。2.1.8 系统接入与运行近海风电场电网接入和并网技术,包括电网稳定性、可靠性等,以及风电场并网控制策略。2.2 风资源评估利用 RisoWAsP,该软件主要基于欧洲地形条件设计。需要结合我国近海或海上风资源作大量的研究工作。2.3 近海风电场极限穿透功率计算该数学模型是当前研究热点,但需要结合电网结构、负荷水平和入网方式等开展相关研究。2.4 风力发电机组并网供电方式采用交流联网、直流联网。其中,前者主要目标为实现风电场和电网频率一致、动态无功补偿器、防止电缆电容和电网电抗之间出现谐振现象;避免电网故障影响风电场运行,输电电缆等电气接入系统投资费用高(占 16%),网损大。当风电场规模较小时,接入电网主要以地区低压配电网为主,当然,现在也逐步开始接入 110 kV和 220k V电网,输电系统导线较细,其 R/X 比值较大,表明与系统联系紧密程度的短路容量较低,严重影响风电场的供电质量,并制约风电场规模的进一步发展。风电场的总体规模与系统连接点三相短路的短路容量之比,与风电场电压的波动密切相关,即,为了保证电网的电压质量,风电场的装机容量不能超过联接点短路容量的某一百分值。直流联网方式需要配置大容量电力变换器,固定资产投资高,适合长距离输电,与交流输电相比,其高容量的电缆投资和损失都比较小。采用轻型高压直流(HVDC Light)输电技术,针对风力发电特点,满足输送近海风电到公共电网的要求。2.5 近海风电场系统接入与稳定运行研究近海风电场电网接入和并网技术,分析风电场对电力系统的影响,尤其是分析在单机和装机容量不断增加的情况下,风机系统较频繁地切入和切出对电力系统的影响,如,电网稳定性、可靠性、电能质量,涉及频率稳定性、功角稳定性、电压稳定性等。先后采用电容器组提供无功功率补偿方式,可控静态无功补偿装置提供可变的无功补偿,可控静态无功补偿装置与蓄电池储存装置的组合方式,以及变速恒频双馈风力发电机,能够快速地向电网输出无功补偿,与可控静态无功补偿装置与蓄电池储存装置的组合方式相比较,所需变频器容量仅为双馈电机额定输出值的 0.3倍,具有价廉、高次谐波也很少等特点。此外,研究风电场对电能质量的影响等,针对并网风电场对系统电压、频率、可靠性等的影响,以及并网控制策略研究,旨在提高风力发电机组运行可靠性、并网成功率,减轻并网时对电网的冲击,实现风电场系统接入与稳定运行经济、安全和可靠 2,7。3 近海风电场系统优化设计关键技术 主要研究内容包括近海风电场优化配置与评估,近海风电场电气传输技术和近海风电场系统接入与稳定运行。相应的技术关键 8,10包括:(1)采用数据挖掘及智能聚类处理技术,综合多种预测方法建立风速组合预测模型。(2)研究建立近海风电场极限穿透功率计算最优数学模型,采用高效子群优化技术求解该模型,并定量研究风电穿透功率极限与电网结构、负荷水平和入网方式之间的关系。(3)研究近海风电场可靠性及经济性指标,建立风资源对风电场可靠性影响的数学模型,在考虑电网结构、入网方式等前提下利用蒙特卡罗仿真,研究风能参数对风电场可靠性及经济性影响。(4)建立多种发电形式并存时风电最佳比例计算的数学模型,确定风电比例不当对电网造成影响的量化指标。(5)建立考虑近海风资源分布与电网结构的近海风电场最优规划的数学模型。40(总 135)华东电力2007,35(2)(6)综合研究交流并网、基于轻型 HVDC的发电机集中控制并网和基于轻型 HVDC 的发电机分散控制并网三种并网方案,结合经济、技术比较,提出近海风电场电气设计方案。为了提高风能利用率,综合考虑性价比,选用 3MW 级双馈变速恒频大型风力发电机组。(7)风电场最大安装容量和风电机组的控制方式、功率因数、并网点电压等级等相关,通过稳态分析及暂态分析,针对不同近海风电场,辅助确定风电机组运行控制方式、并网点电压等级。研究包含风电场动态优化潮流,确定最优潮流模型。以有功网损最小为目标,并假设分析周期由 n个时段组成,确定目标函数;建立等式约束,对于动态优化潮流,需要满足各时段节点潮流方程;建立不等式约束,包括发电机出力、节电电压、支路功率,以及风电场无功补偿容量等约束,还考虑发电机组爬坡速率约束;内点法具有收敛迅速、鲁棒性强、对初值不敏感等特点,因为包含风电场的优化潮流计算是一个多时段优化问题,对计算的精度和计算速度都有较高的要求,为弥补以前算法的不足,考虑将现代内点算法进行改进来求取最优潮流。(8)风电场电压波动、闪变和谐波等电能质量问题一直存在。通过对无功、电压控制方式以及风电场方式的研究,改善风电场并网运行的电能质量。提高近海风电场电能质量,研究 FACTS设备在并网风电场稳定运行中的应用,风电场输出可变功率会影响电力系统运行,引起系统不稳定、带来许多问题,包括线路传输容量越限,频率和电压不稳定、发电量和用户耗电量不平衡等。并网系统的功率不仅与近海风电场的注入功率有关,还与系统运行方式、风电场与系统联络线的电抗与电阻的比值大小有关。改变风电场与系统联络线的电抗与电阻比值能改变注入并网系统的功率,特别是在风速变化时,同步改变线路电抗与电阻的比值可以保持并网系统功率的恒定。研究静止同步串联补偿器(SSSC)在并网系统中抑制风电场功率波动等。(9)研究近海风电场电网接入和并网技术。分析近海风电场对电力系统的影响,包括电网稳定性、可靠性等。研究风电场的电压稳定性,根据所研究的扰动大小及时域范围,将电压稳定性分为小干扰、暂态和长期电压稳定性。风电场并网运行的电压稳定性属于小干扰电压稳定性问题,通常作为静态问题来分析,采用基于潮流分析的电压稳定分析方法 P-V、Q-V曲线法。(10)风电场并网控制策略研究,变速恒频风电机组对改善风电场并网运行电压稳定性有一定作用。通过研究风电场的无功及电压调节、频率控制策略及方法,实现风电场并网运行,确保电压稳定、可靠,并提高并网成功率、风电场故障穿越能力。近海风电场功率由风速决定,可调度性差,需要研究风电场系统调度问题,结合负荷变化情况以及气象预报等信息,合理、科学安排风电场发电,预测风电场出力、研究风力发电机组组合等问题,采用非线性控制、模糊控制、神经网络等智能控制算法,基于 DigSilent、PSCAD/EMTDC、PSS/E、M atlab/Si mulink软件建立近海风电场并网模型,研究风电场并网控制策略等。4 结论(1)节能、提高能源效率、新型能源开发和利用、进一步发现能源的多元化,尤其是大规模发展可再生能源已成为我国能源战略主要内容之一。(2)风能的规模化、低成本利用,需要切实解决大功率风电机组与近海风能规模化利用中的关键科学问题,实现高效率、高可靠性和低成本。近海风能利用潜力极大,将成为以火电占主导的能源结构的重要补充。(3)掌握近海风电场关键技术,优化设计近海风电场系统,确保近海风能高效利用、安全、经济、稳定运行,并结合上海东海大桥 100MW 海上风电场实际需要,提出基于轻型 HVDC的发电机分散控制的并网方案。近海风电机组容量大,现已商业运行海上风力发电机组单机容量 5MW,并需要解决防腐(盐雾引起)、海上风机基础建设等。随着近海风电规模化发展,建设与运行经验的丰富,大型风电机组和基础设计建造以及吊装等技术的成熟,近海风电成本可降低 20%以上。参考文献:1刘 颖,高 辉,施鹏飞.近海风电场发展的现状、技术、问题和展望 J.中国风能,2006,(3):41-46.2Wu L,i W ang Zhixin.W ind Generator Stabilization w ithDAS M C.Proceeding of IPEMC 2006,Shangha:i 520-525.3Wu L,i W ang Zhixin.A Basic Study of Fuzzy-Logic-BasedPower System StabilizationW ith Doubly-Fed A synchronous第 35卷 第 2期2007年 2月华东电力East China Electric PowerVo.l 35 No.2Feb.2007华东电网公司无线局域网设计与应用陈小潮(华东电网有限公司 科技信息部,上海 200002)摘 要:从分析无线局域网技术入手,分析和总结华东电网公司无线局域网设计和建设经验,介绍了如何设计和建设先进、安全、方便的无线网络,为企业提供一个安全便捷的网络环境。关键词:无线局域网;安全;网络通信作者简介:陈小潮(1963-),男,处长,高级工程师,主要从事信息管理和网络安全研究。中图分类号:TP393.17 文献标识码:B 文章编号:1001-9529(2007)02-0041-04Design and application ofw ireless intranets for EastChinaGridCHEN Xiao-chao(EastChinaG rid Company Ltd.,Shanghai200002,China)Abstract:The wireless intranet technology is analyzed,and experiences ofdesign and construction of thew ireless in-tranet for EastChinaG rid Co mpany Ltd.are summarized.Themethods for designing and constructing an advanced,secure,and easy-to-use wireless intranet are recommended.K ey words:w ireless intranet;security;network communication 1M achine C.Proceeding of IPE MC 2006,Shangha:i 1492-1496.4Wu L,iW ang Zhixin,JunjiTamura.Smoothing Control ofW indFar m Output Fluctuation w ith Doubly-fed A synchronous M a-chine C.Proc.of I EEE PEDS Malaysia,2005:495-500.5W uL,i W ang Zhixin.W ind GeneratorStabilizationw ith Dou-bly-fed AsynchronousM achine.W SEAS Transaction on Pow-er System,2006,1(2):12-16.6戴,王志新.变速恒频风力机桨叶电液比例控制系统研究 J.机电一体化,2006,12(1):16-20.7乐 斌,王志新.兆瓦级双馈感应风力发电机变频器调制方法分析与仿真研究 J.昆明理工大学学报,2006,31(4B):21-25.8王志新,王承民,艾 芊,等.近海风电场系统优化设计关键技术 C.中国风能发展论坛报告,2006年 9月 21)22日,北京.9叶杭冶.风力发电机组的控制技术 M.北京:机械工业出版社,2006.1.10谈 健,陆 燕.江苏风电接入系统的若干问题 J.华东电力,2006,34(7):32-34.收稿日期:2006-11-30本文编辑:杨林青 传统的有线网络受到布线和空间的限制,往往不能满足实际需要。在有线网络的基础上构建高效快捷、组网灵活的无线网络作为有限网络的延伸,正成为高速移动数据业务的发展方向。无线局域网能够扩大有线网络的覆盖范围,确保安全、迅速、可靠地接入企业内部网络,实现快速联网,资源共享,提高生产效率,节约办公成本,为华东电网公司实现/一强三优 0现代公司的发展目标提供更加广泛、更加灵活的通信手段和网络平台。1 无线局域网技术分析无线局域网(W ireless LAN,简称 WLAN),利用电磁波在空气中发送和接受数据,不需要通过物理线缆连接,通过无线电波实现计算机网络,减少了电缆连接,增加了网络适应性和网络接入的地域性,扩充了网络应用的可能性。无线局域网是在有线局域网的基础上通过无线访问节点无线信号发射接受器(Access Poin,t简称 AP)、无线网卡等设备实现了无线网络通信。无线电波在空气中进行传播,只要在 AP 信号覆盖的范围内,所有的无线终端都可以接收到无线信号。AP主要的功能是将有线网络信号转换为无线网络信号并发送传播。目前,无线网络主要用于移动性较强的笔记本电脑。1.1 无线局域网的优点