Economic Grid-connected Planning of Offshore DC System Considering Transmission Capability of  Onshore Power Grid

HUANG Lingling; XUE Yu; LIU Yang; BIAN Yajie; FU Yang

doi:10.7500/AEPS20240929002

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Economic Grid-connected Planning of Offshore DC System Considering Transmission Capability of Onshore Power Grid

Key Technologies for Offshore Wind Power System | 更新时间：2025-09-25

- Economic Grid-connected Planning of Offshore DC System Considering Transmission Capability of Onshore Power Grid
- Automation of Electric Power Systems Vol. 49, Issue 17, Pages: 56-67(2025)
- 作者机构：
  
  1.海上风电技术教育部工程研究中心（上海电力大学），上海市 200090
  2.上海电力大学电气工程学院，上海市 200090
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52177097);Major Natural Science Project of Shanghai Municipal Education Commission(2021-01-07-00-07-E00122)
- DOI：10.7500/AEPS20240929002
  CLC：
- Received：29 September 2024，
  
  Revised：2025-01-20，
  
  Published Online：10 July 2025，
  
  Published：10 September 2025
- 稿件说明：
移动端阅览
黄玲玲,薛禹,刘阳等.计及陆上电网外送能力影响的海上直流系统经济并网规划[J].电力系统自动化,2025,49(17):56-67.

HUANG Lingling,XUE Yu,LIU Yang,et al.Economic Grid-connected Planning of Offshore DC System Considering Transmission Capability of Onshore Power Grid[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(17):56-67.
黄玲玲,薛禹,刘阳等.计及陆上电网外送能力影响的海上直流系统经济并网规划[J].电力系统自动化,2025,49(17):56-67. DOI： 10.7500/AEPS20240929002.

HUANG Lingling,XUE Yu,LIU Yang,et al.Economic Grid-connected Planning of Offshore DC System Considering Transmission Capability of Onshore Power Grid[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(17):56-67. DOI： 10.7500/AEPS20240929002.

摘要

当前柔性直流(VSC-HVDC)输电系统已逐渐成为大规模远海风电集群并网的主要方式之一。然而，由于换流站与高压直流海缆等建设成本高昂的问题，海上VSC-HVDC系统的经济并网规划一直是海上风电集群并网规划的核心问题之一。考虑到风电功率波动导致海上传输系统设备利用率不高，大规模海上风电并网下陆上电网因外送能力不足而导致海上风电弃风的现象逐渐凸显，以及电压源型换流站灵活有功-无功控制能力等，构建了一种融合“N+”原则与多回直流并网下公共耦合点有功-无功灵活运行域的海上风电场集群VSC-HVDC系统双层嵌套并网规划模型，通过对“N+”原则下的设备选型与海上VSC-HVDC系统换流站选址定容及拓扑的优化，从节省VSC-HVDC系统并网投资成本与改善陆上电网对海上风电消纳能量两方面，实现海上风电集群全寿命周期收益最优。

Abstract

Current voltage source converter based high-voltage direct current (VSC-HVDC) system has gradually become one of the main ways for the grid-connection of large-scale offshore wind power clusters. However

due to the high construction costs of converter stations and high-voltage direct current submarine cables

the economic grid-connected planning of offshore VSC-HVDC systems has always been one of the key issues in the grid-connected planning of offshore wind power clusters. Considering the low utilization rate of equipment for offshore transmission system caused by wind power fluctuations

the phenomenon of offshore wind power curtailment due to insufficient external transmission capacity in the onshore power grid under grid-connection of large-scale offshore wind power

and the flexible active-reactive power control capability of VSC stations

this paper constructs a bi-layer nested grid-connected planning model of VSC-HVDC system for offshore wind farm clusters that integrates the “N+” principle with the active-reactive power flexible operation region of the common coupling point under multiple DC integration. By optimizing the equipment selection under the “N+” principle and the siting

sizing and topology optimization of converter stations for the offshore VSC-HVDC system

from two aspects of saving investment costs in grid-connection of VSC-HVDC system and improving the energy consumption of offshore wind power by onshore power grids

the optimal life cycle benefits of offshore wind power clusters can be achieved.

关键词

Keywords

references

路来军 . “十三五”山东滨州开启高质量发展新征程［J］. 经济与社会发展研究， 2021 （ 5 ）： 167 .

LU Laijun . “ Thirteenth Five-Year Plan” Shandong Binzhou opens a new journey of high-quality development ［J］. Economic and Social Observation ， 2021 （ 5 ）： 167 .

廖圣瑄，陈可仁 . 能源岛：深远海域海上风电破局关键［J］. 能源， 2021 （ 5 ）： 46 - 49 .

LIAO Shengxuan ， CHEN Keren . Energy island： the key to the failure of offshore wind power in far-reaching waters ［J］. Energy ， 2021 （ 5 ）： 46 - 49 .

杜云飞，沈欣炜，郦洪柯，等 . 考虑微观选址的分布式海上风电制氢容量优化配置［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 21 ）： 61 - 70 .

DU Yunfei ， SHEN Xinwei ， LI Hongke ， et al . Capacity optimal configuration of distributed offshore wind power to hydrogen considering micro-siting ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 21 ）： 61 - 70 .

张天龙，陈海焱，姜海博，等 . 海上风电柔性直流技术研究进展与展望［J］. 电力勘测设计， 2024 （ 5 ）： 25 - 31 .

ZHANG Tianlong ， CHEN Haiyan ， JIANG Haibo ， et al . Development and prospect of VSC-HVDC offshore wind power transmission technology ［J］. Electric Power Survey & Design ， 2024 （ 5 ）： 25 - 31 .

姜崇学，马秀达，邹强，等 . 柔性直流输电系统的高频谐波保护方法与工程实践［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 3 ）： 150 - 158 .

JIANG Chongxue ， MA Xiuda ， ZOU Qiang ， et al . High-frequency harmonic protection methods and engineering practice for flexible DC transmission systems ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 3 ）： 150 - 158 .

饶宏，周月宾，李巍巍，等 . 柔性直流输电技术的工程应用和发展展望［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 1 ）： 1 - 11 .

RAO Hong ， ZHOU Yuebin ， LI Weiwei ， et al . Engineering application and development prospect of VSC-HVDC transmission technology ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 1 ）： 1 - 11 .

贺之渊，杨杰，吴亚楠，等 . 能源转型下的未来交流和直流联合运行模式及发展趋势探讨［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 1 ）： 99 - 113 .

HE Zhiyuan ， YANG Jie ， WU Yanan ， et al . Investigation on the future AC and DC combined operation form and development trend under energy transition ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 1 ）： 99 - 113 .

杨明扬，王晗，蔡旭，等 . 基于二极管分散整流的风电机组中压直流汇集直接送出系统［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 2 ）： 9 - 19 .

YANG Mingyang ， WANG Han ， CAI Xu ， et al . Medium-voltage DC collection and DC transmission system of wind turbines based on distributed diode rectifiers ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 2 ）： 9 - 19 .

徐政，程斌杰 . 不同电压等级直流输电的适用性研究［J］. 电力建设， 2015 ， 36 （ 9 ）： 22 - 29 .

XU Zheng ， CHENG Binjie . Applicability study on DC transmission with different voltage levels ［J］. Electric Power Construction ， 2015 ， 36 （ 9 ）： 22 - 29 .

王菲，李晖，杨林，等 . 考虑大规模新能源接入的柔性直流电网容量规划方法［J］. 电力系统及其自动化学报， 2018 ， 30 （ 12 ）： 53 - 59 .

WANG Fei ， LI Hui ， YANG Lin ， et al . Capacity planning method for flexible DC power grid considering access of large-scale new energy ［J］. Proceedings of the CSU-EPSA ， 2018 ， 30 （ 12 ）： 53 - 59 .

黄玲玲，王启国，符杨，等 . 考虑电力系统静态稳定增强的海上多端直流系统规划优化［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 19 ）： 43 - 51 .

HUANG Lingling ， WANG Qiguo ， FU Yang ， et al . Planning and optimization of offshore multi-terminal DC system considering enhancement of power system static stability ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 19 ）： 43 - 51 .

CIGRE WG B 3 . Guidelines for the design and construction of AC offshore substations for wind power plants ［M］. UK ： CIGRE ， 2011．

CLAY R ． Sharing lessons learned and good practice in offshore transmission ［R］． DNV GL Energy Renewable Advisory ， 2014 ．

王振帅，黄玲玲，王启国，等 . 计及电压稳定性约束的海上风电场集群VSC-MTDC组网优化方法［J］. 电测与仪表， 2024 ， 61 （ 4 ）： 141 - 148 .

WANG Zhenshuai ， HUANG Lingling ， WANG Qiguo ， et al . Optimization method of VSC-MTDC network for offshore wind farms cluster considering voltage stability constraints ［J］. Electrical Measurement & Instrumentation ， 2024 ， 61 （ 4 ）： 141 - 148 .

代倩，吴俊玲，秦晓辉，等 . 提升局部区域新能源外送能力的储能容量优化配置方法［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 3 ）： 67 - 74 .

DAI Qian ， WU Junling ， QIN Xiaohui ， et al . Optimal configuration method of energy storage capacity for improving delivery ability of renewable energy in regional area ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 3 ）： 67 - 74 .

李琦，王碧阳，迟方德，等 . 受端不同步系统交直流通道外送能力耦合特性分析［J］. 电力自动化设备， 2021 ， 41 （ 7 ）： 152 - 159 .

LI Qi ， WANG Biyang ， CHI Fangde ， et al . Analysis of maximum transmission capacity coupling characteristics between AC and DC lines connected to asynchronous receiving-end systems ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2021 ， 41 （ 7 ）： 152 - 159 .

符杨，刘阳，黄玲玲，等 . 海上风电场集群接入系统组网优化［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 12 ）： 3441 - 3450 .

FU Yang ， LIU Yang ， HUANG Lingling ， et al . Optimization of grid integration network for offshore wind farm cluster ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 12 ）： 3441 - 3450 .

杨玉龙，李军徽，朱星旭 . 基于储能系统提高风电外送能力的经济性研究［J］. 储能科学与技术， 2014 ， 3 （ 1 ）： 47 - 52 .

YANG Yulong ， LI Junhui ， ZHU Xingxu . Economic assessment on the use of energy storage to improve clustered wind generation transmission ［J］. Energy Storage Science and Technology ， 2014 ， 3 （ 1 ）： 47 - 52 .

周保荣，李选平，杨健，等 . 向无源电网供电的MMC-HVDC稳态运行区域分析［J］. 智慧电力， 2020 ， 48 （ 6 ）： 98 - 104 .

ZHOU Baorong ， LI Xuanping ， YANG Jian ， et al . Analysis of steady operation region of MMC-HVDC connected to passive network ［J］. Smart Power ， 2020 ， 48 （ 6 ）： 98 - 104 .

王炳辉，黄天啸，吴涛，等 . MMC柔直换流站稳态无功能力研究［J］. 现代电力， 2021 ， 38 （ 2 ）： 164 - 170 .

WANG Binghui ， HUANG Tianxiao ， WU Tao ， et al . Research on steady-state reactive power capacity of flexible MMC-HVDC converter station ［J］. Modern Electric Power ， 2021 ， 38 （ 2 ）： 164 - 170 .

刘莹，吴林林，徐曼，等 . 考虑新能源集群孤网接入的柔直换流站稳态运行区间研究［J］. 华北电力技术， 2017 （ 6 ）： 8 - 13 .

LIU Ying ， WU Linlin ， XU Man ， et al . Study on steady-state operation region of VSC-HVDC converter station connecting new energy cluster by isolated network ［J］. North China Electric Power ， 2017 （ 6 ）： 8 - 13 .

GAO S L ， CHEN Y ， HUANG S W ， et al . Efficient power flow algorithm for AC/MTDC considering complementary constraints of VSC’s reactive power and AC node voltage ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2021 ， 36 （ 3 ）： 2481 - 2490 .

黄林宏，宋丽莉，周荣卫，等 . 大型风电基地风电波动特征分析［J］. 中国电机工程学报， 2017 ， 37 （ 6 ）： 1599 - 1610 .

HUANG Linhong ， SONG Lili ， ZHOU Rongwei ， et al . Characteristics analysis of wind power fluctuations for large-scale wind farms ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2017 ， 37 （ 6 ）： 1599 - 1610 .

甘慧辰，肖晃庆，黄莹 . 用于海上风电的DRU-MMC混合换流器控制策略和容量选取［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 21 ）： 28 - 37 .

GAN Huichen ， XIAO Huangqing ， HUANG Ying . Control strategy and capacity selection of DRU-MMC hybrid converters for offshore wind power ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 21 ）： 28 - 37 .

Matpower user’s manual ［EB/OL］. ［ 2024-09-01 ］. https：//matpower.org/documentation/users-manual/index.html https://matpower.org/documentation/users-manual/index.html .

李贤育，姚良忠，程帆，等 . 海上风电多类型直流送出系统拓扑经济性分析［J］. 全球能源互联网， 2021 ， 4 （ 5 ）： 476 - 485 .

LI Xianyu ， YAO Liangzhong ， CHENG Fan ， et al . Economic analysis of multi-type DC system topologies for offshore wind power transmission ［J］. Journal of Global Energy Interconnection ， 2021 ， 4 （ 5 ）： 476 - 485 .

要金铭，赵书强，韦子瑜，等 . 基于场景分析的电力系统日前调度及其快速求解方法［J］. 电力自动化设备， 2022 ， 42 （ 9 ）： 102 - 110 .

YAO Jinming ， ZHAO Shuqiang ， WEI Ziyu ， et al . Day-ahead dispatch and its fast solution method of power system based on scenario analysis ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2022 ， 42 （ 9 ）： 102 - 110 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Capacity Configuration of Grid-forming-Grid-following Wind Turbines in Diode Rectifier Unit-High Voltage DC Offshore Wind Power Transmission System

Analysis and Optimization of Resonance Stability for MMC-HVDC and LCC-HVDC Hybrid Infeed System of Offshore Wind Power

Multi-terminal Flexible DC Transmission System for Offshore Wind Power and Its DC Fault Clearance Scheme

Fractional Frequency Transmission Planning for Offshore Wind Power Considering Resonance Stability and Operation Reliability of System

Related Author

YU Lujie

WANG Zhiyuan

ZHU Jiebei

TONG Wenhao

LI Rui

YE Baixian

WANG Xuemei

LIU Hang

Related Institution

School of Electrical and Information Engineering, Tianjin University

Georgia Tech Shenzhen Institute, Tianjin University

School of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology

School of Electric Power, South China University of Technology

EHV Power Transmission Company of China Southern Power Grid Co., Ltd.

⁰