柔性直流輸電技術在海上風電中的運用分析

于浩格

（上海上電新達新能源科技有限公司，上海 200010）

0 引 言

我國具有豐富的海上風能資源，近年來，全球海上風電的發展規模呈現出高水平的增長趨勢。但就目前而言，海上風電在運行環境、離岸距離以及輸電容量等方面仍有一定的問題，導致輸電與并網工作無法順利完成。然而，在海上風電中使用柔性直流輸電技術能夠將有功、無功功率進行單獨控制，并且該技術具有較強的故障穿越能力，能夠實現深遠海域風電的大規模輸電與并網。

1 柔性直流輸電技術在海上風電中的應用

柔性直流輸電技術在海上風電中的應用如圖1所示，風機所發出的電能經過收集后，經過海上升壓站使電壓升高，并通過交流海纜將電力傳輸到海上換流站。當電能經過聚集后會轉化為直流電，直流電經過直流電纜輸送到陸上換流站，并在逆變為交流電后與陸上電網進行連接。

圖1 柔性直流輸電技術在海上風電中的應用

1.1 海底集電技術

在海上風電系統中，風電集群與輸電系統需通過海底集電系統進行連接，為保障海上風電系統的穩定運行，就要對海底集電技術進行可靠性設計。如圖2與圖3所示，當前主流的海底集電技術有直流集電技術與交流集電技術2種。其中，直流集電技術包括串聯型、并聯型、串并聯型以及矩陣互聯型等，其功率損耗相對較小，因此更加方便進行換流器電壓與風電場功率的擴展。同時，直流集電技術在海上作業時無需較大的平臺體積，且沒有無功補償方面的需求，因此將得到廣泛應用。而交流集電技術主要包括鏈型、復合環型、單邊環型、雙邊環型及星型等，因該技術較為成熟，在當前的海上風電系統中使用較為普遍[1]。

圖2 直流集電技術

圖3 交流機電技術

1.2 離岸距離與裝機容量相關技術

首先，在離岸距離方面，業內普遍認為，離岸距離在50 km以上或水深大于50 m的海上風電場為深遠海風電場。對于風電技術較為先進的歐洲國家而言，近年來，其風電場的離岸距離與水深的平均值呈增加趨勢，深遠海風電逐漸成為歐洲國家的主流。而對于我國而言，目前已經投入使用的海上風電場與在建風電場的離岸距離普遍在50 km上下，且風電系統的水深普遍＜50 m。同時，我國海上風電的未來發展方向為25～50 m深的水域，然而由于當前的技術儲備不足，且發電工程量較大，使得我國仍在建設并使用近海風電項目[2]。其次，在裝機容量方面，歐洲國家的海上風電新增裝機的平均單機功率在近年來呈現出增加的趨勢，目前，歐洲海上風電機組的平均單機容量已經超過8 MW，實現了風電機組的大型化發展。對于我國而言，我國的海上風電機組正處于大規模發展的過程中，其中4～6 MW級的風電機組仍為主流，8 MW左右的風電機組正處于大規模商業化發展的初級階段。同時，在8 MW風電機組的應用中，通常應用到直驅式永磁風電機組與半直驅式風電機組，且這2類風電機組處于試驗運行或規模化應用的過程中[2]。

1.3 輸電方式的選擇

輸電方式與并網方案的合理選擇能夠有效提升海上風電系統的運行效率，對于交流輸電方式、傳統直流輸電方式以及柔性直流輸電方式而言，其在技術方面、應用的可靠性方面以及經濟性方面均有所不同。如果輸電的容量在400 MW以下，離岸距離在50 km以下，則選擇交流輸電方式；如果輸電的容量在400 MW以上，離岸距離在50 km以上，則選擇柔性直流輸電方式；如果輸電的容量在400 MW以下，而離岸距離在50 km以上，或輸電的容量在400 MW以上，離岸距離在50 km以下，則要通過實地考察與計算，選用最佳輸電方案。當風電場處于遠海區域，規模較大的情況下，電力的傳輸距離與傳輸容量得到增加的同時，相較于其他輸電方式，柔性直流輸電方式具有較少的損耗，且海纜線路鋪設結構相對簡單，因此該技術可以作為遠海區域風電輸送的主要技術[3]。

1.4 換流器的選擇

在海上風電項目中，海上換流站能夠將風電場中收集的電能通過升壓站進行升壓操作，再進行集中換流。隨著技術的發展，傳統換流器中的晶閘管逐漸被可控硅電力電子器件所取代。其能夠對橋臂中的各個開關進行控制，使得交流電與直流電之間能夠互相轉換。目前，基于柔性直流輸電技術有多種形式的換流器可供選擇，如二極管鉗位三電平換流器、兩電平換流器以及模塊化多電平換流器等[4]。其中，二極管鉗位三電平換流器具有較小的占地面積，換流時產生的損耗較小，且輸出諧波的含量也相對較少，然而此種換流器消耗的資源較大，且無法簡單調制脈寬，因此成本較高。2電平換流器也具有占地面積較小的優點，成本較低，且內部結構較為簡單，但是不具有較強的穩定性，換流時的損耗較大，電壓在輸出時不具有較高的質量。模塊化多電平換流器能夠輸出安全性強的優質電壓，并且輸出諧波的含量更低，然而該換流器僅能應用于距離短、容量少的場景中，且環流期間會產生較大的損耗。因此，選擇換流器時要根據海上風電的實際情況[5]。

1.5 并網方案的選擇

在柔性直流輸電技術的應用場景下，主要的并網方案包括點對點輸電并網、多饋入直流輸電并網、多端直流輸電并網以及多電壓等級直流輸電并網等。首先，關于點對點輸電并網，其能夠將單一電網或風電場群作為單位，進行集中式并網，并以兩端點對點的方式，通過柔性直流輸電技術將功率輸送至陸地電網[6]。點對點輸電并網方式主要應用于1 000 MW左右風場總裝機容量的海上風電系統中，是國內外的主流并網方式。其次，關于多饋入直流輸電并網，其應用于2 000 MW以上的更大規模的海上風電系統，由于其總額定功率大于單個柔性直流輸電系統的額定容量，因此將風電場群進行拆分，并對各組風電場建立單獨的柔性直流輸電系統，從而保證輸電的可靠性[7]。再次，由于陸地電網分布于各個區域，因此風電場群與陸地電網可以利用換流站與公共直流母線，實現多端直流輸電并網，從而保證輸電系統的穩定性。最后，多電壓等級直流輸電并網為實驗性技術，其通過在直流電網中使用直流斷路器與功率高、電壓大的直流變換器，從而使直流輸電端發生故障時實現有效隔離，并實現多層級電壓的轉換[8]。

2 柔性直流輸電技術在海上風電的發展趨勢

2.1 海上全直流風電場

在海上風電場中，直驅風電機組與半直驅風電機組的使用較為普遍，并且機組的全功率變流器大多使用2級電能變換方式。如果使用了直流耗能裝置以及點對點、多饋入輸電并網方式，則電能經過發電機輸出后，需通過4級電能變化才能夠輸至陸上電網，導致海上風電的傳輸效率不高。因此，可以建設海上全直流風電場，利用串聯升壓型以及輻射型拓撲結構，提升電能的傳輸效率。其中，在串聯升壓拓撲結構方面，由整流裝置與機組構成發電單元，并通過串聯的方式將直流輸出端進行連接，形成高壓，使得功率得以傳輸。在輻射型拓撲結構方面，主要分為3種方案。首先，機端升壓主要指風機的輸出電壓經過交流 /直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）轉換后，分別通過自身的直 流 / 直 流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）變換器使電壓得到升高，并通過高壓直流線路將功率進行輸出。其次，集中升壓主要指的是所有的風機輸出電壓均通過AC/DC變換，于低壓直流母線處匯入，并通過DC/DC變換器轉換為直流高壓電，進行大功率的電力傳輸。最后，2級升壓主要指的是風機的輸出電壓分別進行AC/DC的轉換，形成直流電壓。之后，通過DC/DC變換器進行升壓，并入中壓直流母線，同時在其中設置高功率的DC/DC轉換器，從而形成高壓直流電，進而能夠進行大功率的電力傳輸。海上全直流風電場結構簡單、且不需要海上換流站，因此其成本較低。然而，由于最高位發電單元需要較高的耐受能力以應對直流對地電壓，因此為了保障該技術在未來能夠得到應用，需要開展風機的絕緣設計相關工作[9]。

2.2 模塊化緊湊型海上換流站

為了能夠進一步減少海上風電的度電成本，各大風電公司均設計了單機容量增加的風機，比較典型的有西門子Gamesa 10 MW機組、東方風電10 MW機組等，而風機單機容量的增加使得海上風電集電系統提高了其電壓等級。目前，66 kV的集電系統已經得到了海上風電的廣泛使用，其能夠有效減少集電損耗，且無需大量的海上升壓站，因此可以應用于深遠海類型的風電項目。而在這類集電系統的加持下，模塊化緊湊型海上換流站成為了發展趨勢，其內部經過模塊化劃分，如交流設備模塊、換流器模塊以及連接變壓器模塊等，減小海上風電項目占據的平臺面積，從而起到節省投資成本的作用。因此，未來模塊化緊湊型海上換流站將替代原有的換流站設計，成為主流項目[10]。

3 結 論

本文主要在海底集電、離岸距離、裝機容量、輸電方式、換流器以及并網方案等方面分析了柔性直流輸電技術在海上風電中的應用，與傳統的輸電方式不同，柔性直流輸電技術能夠用于深遠海的風電系統中。隨著海上風電朝著更深更遠海域的逐漸發展，該技術將在未來成為主流技術發展趨勢。同時，基于柔性直流輸電技術，本文提出了多方面的展望，為我國海上風電事業的進一步發展提供新思路。