柔性直流輸電技術(shù)在海上風(fēng)電中的應(yīng)用研究

高根男,張?zhí)m紅,陳小海

(1.鹽城工學(xué)院電氣工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051;2.江蘇金風(fēng)科技有限公司，江蘇 鹽城 224100)

0 引言

可再生能源的開發(fā)與利用是當(dāng)今全球研究熱點[1-4]。我國海上風(fēng)資源豐富，具有較大的開發(fā)價值，所以發(fā)展海上風(fēng)電已成為必然趨勢。從2010年到2020年，全球海上風(fēng)電裝機容量年均增長速度接近30%。到2020年底，全球已投運的海上風(fēng)電累計裝機容量達到35.2 GW。其中，2020年新增裝機容量為 6.07 GW，連續(xù)保持高增長態(tài)勢[5]。

然而，海上風(fēng)電的發(fā)展并不是一帆風(fēng)順的。隨著輸電容量、離岸距離的不斷增加，以及面臨著復(fù)雜多變的運行環(huán)境，海上風(fēng)電的技術(shù)問題日益嚴(yán)峻。這些問題包括輸電方式的選擇和并網(wǎng)方案等[6]。

現(xiàn)有風(fēng)電場接入陸上電網(wǎng)的方式主要有高壓交流輸電(high voltage alternating current ，HVAC)和高壓直流輸電(high voltage direct current，HVDC)。柔性直流輸電(voltage source converter HVDC，VSC-HVDC)是以電壓源換流器為核心的新型輸電方式，逐漸在海上風(fēng)電并網(wǎng)中受到青睞。

作為一種新型的直流輸電技術(shù)，VSC-HVDC可以獨立地調(diào)控有功功率和無功功率，為海上風(fēng)電場群供電。由于VSC-HVDC技術(shù)穿越故障能力較強，可以作為深遠海、大規(guī)模海上風(fēng)電場群輸電和并網(wǎng)的方式[7]。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀分析

1.1 國外柔性直流海上風(fēng)電項目

國外海上風(fēng)電柔性直流輸電工程主要集中在德國北海海域，計劃建設(shè)4個海上風(fēng)電場群，分別為Borkum 1、Borkum 2、Helgoland和Sylt。其中，Borkum 2最早開始建造。德國北海4個風(fēng)電場群規(guī)劃如圖1所示。

圖1 德國北海四個風(fēng)電場群規(guī)劃示意圖

國外已投運、在建的海上風(fēng)電柔直工程如表1所示。

表1 國外已投運、在建的海上風(fēng)電柔直工程

目前，德國已有多個投入運行和在建的大規(guī)模海上風(fēng)電柔性直流輸電工程。這些工程的電壓等級大多為320 kV。表1中：DolWin1是電壓等級達到320 kV的海風(fēng)柔直輸電工程；DolWin5是計劃不通過海上升壓站，66 kV風(fēng)電場直接接入海上換流站的海風(fēng)柔直輸電工程。

1.2 國內(nèi)柔性直流海上風(fēng)電項目

中國海上風(fēng)電柔性直流輸電的發(fā)展相較國外起步較晚。2019年7月，國內(nèi)開始多個海上風(fēng)電柔性直流輸電項目的建設(shè)，包括江蘇如東項目(亞洲首個海上風(fēng)電柔性直流輸電項目)、江蘇射陽項目等。

2021年11月7日15時8分，三峽能源江蘇如東H6、H10海上風(fēng)電項目(簡稱如東項目)的2座海上升壓站倒送電成功。這標(biāo)志著如東項目柔直輸電工程的送電工作全部完成。該工程為采用柔性直流輸電的海上風(fēng)電項目，位于如東東部黃沙洋海域，離岸直線距離50 km，水深9～22 m。規(guī)劃總裝機容量為1 100 MW，共安裝225臺4 MW、40臺5 MW風(fēng)機(H6、H10風(fēng)電場各100臺4 MW風(fēng)機，H8風(fēng)電場 25臺4 MW、40臺5 MW風(fēng)機)，并配套建設(shè)3座220 kV海上升壓站、1座海上換流站與陸上換流站(換流器、換流變壓設(shè)備，換流電抗設(shè)備等)。全場投運后，所有風(fēng)機產(chǎn)生的電能在收集之后通過海上升壓站升壓，并由2回路220 kV交流海纜輸送至海上換流站。海上換流站匯集電能后，再轉(zhuǎn)換為直流電，由1回路400 kV直流電纜輸送至陸上換流站，最終逆變?yōu)榻涣麟娊尤虢K電網(wǎng)。如東項目換流站位置如圖2所示。

圖2 如東項目換流站位置示意圖

如東項目是電壓等級為400 kV的柔性直流輸電海上風(fēng)電項目，直流海纜輸電距離超100 km，是目前國內(nèi)電壓等級較高、輸送距離較長的柔性直流輸電海纜。項目年底全容量并網(wǎng)后，預(yù)計年上網(wǎng)電量可達24億千瓦時。與同等規(guī)模的火力發(fā)電廠相比，該項目每年可節(jié)約燃煤74萬噸、減排二氧化碳183萬噸，對江蘇省加快新舊動能轉(zhuǎn)換，助力“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)具有重要意義。

2 海上風(fēng)電柔直輸電工程的關(guān)鍵技術(shù)

海上風(fēng)電場通過柔性直流輸電接入電網(wǎng)如圖3所示[8]。風(fēng)機所發(fā)電能收集后通過海上升壓站升壓，經(jīng)由交流海纜輸送至海上換流站。匯集電能后，電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡ㄟ^直流電纜送至陸上換流站，最終逆變?yōu)榻涣麟姾蠼尤腙懮想娋W(wǎng)。

圖3 海上風(fēng)電場通過柔性直流輸電接入電網(wǎng)示意圖

2.1 風(fēng)機容量及離岸距離的技術(shù)發(fā)展

2.1.1 裝機容量

歐洲海上風(fēng)電的發(fā)展起步較早，是世界較大的海上風(fēng)電市場，以英國、德國、丹麥等國家為代表[9]。

文獻[8]～文獻[9]分別介紹了這3個主要歐洲風(fēng)電市場近些年海上裝機容量技術(shù)的發(fā)展，以及各國在未來海上風(fēng)電發(fā)展中的裝機容量規(guī)劃。

歐洲海上風(fēng)電單機容量變化如圖4所示。

圖4 歐洲海上風(fēng)電單機容量變化

單個風(fēng)機機組的功率大小是海上風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵性問題[10]。圖4給出了自2013 年以來，歐洲海上風(fēng)電新增裝機的平均單機功率的發(fā)展趨勢。2014年之后，單機容量年均增長率約為16% 。2020年，歐洲海上風(fēng)電機組的平均單機容量已達到8 MW以上。這是海上風(fēng)電發(fā)展的一個里程碑，標(biāo)志著在世界范圍內(nèi)，海上風(fēng)電機組已經(jīng)逐漸向大型化轉(zhuǎn)變[11-12]。

目前，中國的海上風(fēng)電技術(shù)也已進入大型化、規(guī)模化與商業(yè)化階段，并實現(xiàn)由小規(guī)模向大規(guī)模轉(zhuǎn)變。文獻[12]中提到，風(fēng)電平價上網(wǎng)政策落地之前(2017年)，中國單機容量為 4 MW 的海上風(fēng)電機組累計裝機容量為1.53 GW，占海上裝機容量的55%；5 MW機組累計裝機容量為2.00 GW。2017年之后，4～8 MW海上風(fēng)電機組已逐步實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化運行，直驅(qū)式和半直驅(qū)式永磁風(fēng)電機組這2種不同的技術(shù)路線在 8～10 MW海上風(fēng)電機組均有批量應(yīng)用或者試驗運行[13]。

2.1.2 離岸距離

離岸距離和風(fēng)電機組安裝水深是海上風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的又一關(guān)鍵問題。通常認為，離岸距離大于50 km或水深50 m以上的為深遠海風(fēng)電場[14]。 歐洲海上風(fēng)電場平均水深與離岸距離如圖5所示。自2011年起，歐洲風(fēng)電開始向更遠、更深的海域拓展。

圖5 歐洲海上風(fēng)電場平均水深與離岸距離

中國目前已投運和計劃在建的風(fēng)電場平均離岸距離在50 km左右，裝機項目平均水深在25 m 以內(nèi)。中國未來在25～50 m 水深的深遠海域中具有較大的發(fā)展?jié)摿Γ蚣夹g(shù)問題目前的工程大多還是在水深20 m左右的近海海域。

2.2 海底集電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

海底集電系統(tǒng)是連接前端風(fēng)電機群和后端輸電系統(tǒng)的重要部分，其設(shè)計的優(yōu)化和可靠是海上風(fēng)電場正常運行的重要保證。

文獻[15]～文獻[17]介紹了現(xiàn)有的2種集電方式，即交流集電系統(tǒng)和直流集電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并分別分析了各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。交、直流集電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)分別如圖6、圖7所示。

圖6 交流集電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

圖7 直流集電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

交流集電系統(tǒng)已經(jīng)形成了成熟的理論體系。其拓撲結(jié)構(gòu)主要有鏈形、環(huán)形和星形[16]。

與交流集電系統(tǒng)相比，直流集電系統(tǒng)的功率損耗更小，使風(fēng)電場功率和換流器電壓的擴展更加容易，無需進行無功補償，且海上工作平臺體積更小。直流集電系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和串并聯(lián)型[17]。

當(dāng)前，主要的海上風(fēng)電工程均采用交流集電系統(tǒng)，而直流集電系統(tǒng)尚未在實際工程中應(yīng)用。未來，直流集電方式也將成為不錯的選擇。

2.3 海上換流站的相關(guān)技術(shù)

海上換流站是風(fēng)電場收集電能經(jīng)升壓站升壓后集中換流的平臺。該平臺存在建設(shè)成本高、運輸困難等問題，尚需解決。

針對現(xiàn)有的集中換流技術(shù)方式存的問題，文獻[18]提出1種新型海上風(fēng)電中頻匯集和分布式串聯(lián)直流輸電系統(tǒng)，將集中式模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)拆分為多個小型MMC安裝于升壓站中，無需要再建集中式換流平臺，大幅縮減了現(xiàn)有集中換流的成本。文獻[19]提出1種多電壓等級混合級聯(lián)型直流送出系統(tǒng)，從技術(shù)性、經(jīng)濟性2個方面解決了現(xiàn)有輸電系統(tǒng)的靈活性低、可行性差等問題。文獻[20]提出1種混合型換流器拓撲，將送端MMC換流器替換為二級管整流器與輔助換流器混合的新型混合型換流器。

現(xiàn)有實際工程中，大多采用海上換流站進行集中換流。國內(nèi)外學(xué)者提出了多種改進措施。雖然尚未在實際工程中有所實踐，但這些改措施對解決海上換流平臺現(xiàn)存的問題(如：降低建設(shè)成本、向小規(guī)模化發(fā)展、減小運輸難度等)具有很強的理論指導(dǎo)意義。

2.4 輸電方式的選擇技術(shù)

輸電方式和并網(wǎng)方案的選擇關(guān)系到系統(tǒng)的運行效率[21]。文獻[22]、文獻[23]通過分析HVAC、傳統(tǒng)HVDC、VSC-HVDC等方式的優(yōu)缺點，對多種方案的技術(shù)性和經(jīng)濟性進行對比研究，并給出了建議。

綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟型、可靠性等指標(biāo)，本文建議采用以下海上風(fēng)電場輸電送出方案。

當(dāng)輸送容量小于400 MW、離岸距離小于50 km時，采用HVAC輸電。當(dāng)輸送容量大于400 MW、離岸距離大于50 km時，采用VSC-HVDC。當(dāng)輸送容量大于400 MW、離岸距離小于50 km，以及輸送容量小于400 MW、離岸距離大于50 km時，根據(jù)實際情況計算分析，選取最優(yōu)的輸電方案。

對于更大規(guī)模的遠海風(fēng)電場，隨著輸送容量和傳輸距離的增加，VSC-HVDC海纜線路成本低、損耗費用少的優(yōu)勢逐漸凸顯，成為遠海風(fēng)電送出的主要選擇。三峽能源股份有限公司、中廣核風(fēng)力發(fā)電有限公司共同建造的江蘇如東海上風(fēng)電項目即采取該方案。

2.5 換流器的選擇技術(shù)

電壓源換流器(voltage source converter,VSC)是柔性直流輸電系統(tǒng)的核心部分。在橋臂中使用新型的可控硅電力電子器件(insulated gate bipolar transistor,IGBT)代替了傳統(tǒng)的晶閘管。通過控制橋臂中各個開關(guān)元件的導(dǎo)通與關(guān)斷來實現(xiàn)交、直流電間的相互變換[24]。目前，VSC有多種類型的拓撲結(jié)構(gòu)，如三相兩電平結(jié)構(gòu)、二極管鉗位式三電平結(jié)構(gòu)、模塊化多電平結(jié)構(gòu)。文獻[25]指出3種換流器的優(yōu)缺點。其中，模塊化多電平換流器因具有高度的模塊化、能夠輸出高質(zhì)量的多電平電壓、開關(guān)器件的開關(guān)頻率低以及具有公共的直流側(cè)等優(yōu)點，提升了VSC-HVDC系統(tǒng)的運行特性。這使得模塊化多電平換流器在VSC-HVDC領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。3種換流器優(yōu)缺點比較如表2所示。

表2 3種換流器的優(yōu)缺點比較

2.6 海上風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響

隨著海上風(fēng)電的不斷發(fā)展，其并網(wǎng)時對陸上電網(wǎng)的影響也成為了不可忽視的問題[26]。

文獻[27]、文獻[28]通過對VSC-HVDC系統(tǒng)有無調(diào)頻控制的情況分析發(fā)現(xiàn)，有調(diào)頻控制的風(fēng)電系統(tǒng)可以有效地增加系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。與陸上風(fēng)電場接入電網(wǎng)相同，采用VSC-HVDC方式的海上風(fēng)電場也同樣面臨著諧波諧振問題。文獻[29]通過建立風(fēng)電場內(nèi)部各元件的諧波阻抗模型，得出海上風(fēng)電場內(nèi)部的諧振頻率點主要受無源元件參數(shù)影響，可采用在諧振頻率的主要激勵母線處加裝濾波器的方式對風(fēng)電場內(nèi)的諧振頻率點進行抑制。文獻[30]提出，在海上風(fēng)電場規(guī)劃設(shè)計階段合理選擇接入點和設(shè)備參數(shù)可有效預(yù)防諧波諧振放大，建議采用長距離交流海纜接入的海上風(fēng)電場應(yīng)采用雙回路獨立海纜。

目前，以上這些基于VSC-HVDC用于解決并網(wǎng)影響的技術(shù)措施均停留在理論分析階段，能否在實際工程中應(yīng)用實現(xiàn)還有待進一步深入研究。

3 結(jié)論

我國提出“30/60計劃”(即2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和)后，可再生能源的開發(fā)與利用成為國內(nèi)重點關(guān)注的問題。發(fā)展海上風(fēng)電已經(jīng)是大勢所趨，并且未來海上風(fēng)電必定朝著深遠海、大規(guī)模的方向發(fā)展。VSC-HVDC由于具有傳統(tǒng)HVAC、HVDC不具有的獨特優(yōu)勢，未來必將成為海上風(fēng)電的主要輸電方式。將VSC-HVDC運用到海上風(fēng)電中是非常重要的舉措，將為我國海上風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展提供可靠的途徑。