海上風電柔性直流輸電技術研究

周 敏 陳志偉 蔡璐璇 陳偉翔

1.上海電氣風電集團股份有限公司廣東分公司 廣州 510000 2.廣東電網有限責任公司汕頭供電局 廣東汕頭 515000

1 發展現狀

1.1 國內

2011年,上海南匯風電場柔性直流輸電工程建成,直流電壓為±30 kV,額定功率為18 MW,這一工程是亞洲首個柔性直流輸電工程。經過12 a的發展,柔性直流輸電的電壓等級從±30 kV發展到了±160 kV、±320 kV、±420 kV,以及最高的云南烏東德電站±800 kV。接線方式從對稱單極發展到對稱雙極,連接方式從單端發展到特高壓多端,器件使用從模塊化多電平換流器發展到大容量模塊化多電平換流器與線性整流換流器組成的混合雙饋入直流換流器。國內柔性直流輸電工程經過不斷嘗試和創新,技術已逐漸成熟。

2021年12月,國內第一個海上風電柔性直流輸電工程——如東海上風電場工程成功投入并網運行,這標志著我國海上風電柔性直流輸電的正式開啟。

1.2 國外

1997年3月,ABB公司首次在瑞典中部的赫爾斯揚進行了高壓柔性直流輸電試驗。隨著海上風電向深遠海發展,國外海上風電輸電工程也逐步采用柔性直流輸電技術。德國海上風電柔性直流輸電工程建設情況見表1。

表1 德國海上風電柔性直流輸電工程

2 柔性直流輸電接線方式對比

目前,海上風電柔性直流輸電常用的接線方式有對稱單極和對稱雙極兩種。柔性直流對稱單極接線如圖1所示,對稱雙極接線如圖2所示。

圖1 柔性直流對稱單極接線

圖2 柔性直流對稱雙極接線

以下對對稱單極接線和對稱雙極接線的優缺點進行對比。

2.1 設備

使用同種功率器件時,對稱雙極接線的功率模塊參數和數量與對稱單極接線基本相同。對于海上換流站,對稱雙極接線橋臂電抗器數量是對稱單極接線的兩倍。對稱雙極接線的換流閥交流側主設備承擔直流偏置電壓,需使用換流變壓器。對稱單極接線的換流閥交流側主設備不承擔直流偏置電壓,可使用普通電力變壓器。對稱雙極接線的直流設備要考慮運行方式的變化,需增加相應連接回路開關和轉換開關等設備,而對稱單極接線則不需要考慮上述設備。對稱雙極接線需要增加一條直流中性線海纜,作為雙極運行的接地極。對稱單極接線不需設置專門的接地極。

另外,兩種接線方式中的閥控系統、閥冷裝置、控制保護系統配置也存在較大差異。

2.2 運行故障

對稱雙極接線情況下,發生直流側單極故障,可轉為單極運行方式來輸送一半有功功率,可靠性較高。對稱單極接線發生直流側故障,將導致整個直流系統跳閘,無法輸送功率,可靠性較低。

2.3 占地與造價

對稱雙極接線情況下,換流閥和直流側接線復雜,設備數量多,直流側占地空間大。另外,海上換流站采用對稱雙極接線,相比采用對稱單極接線更大一些,這將增加海上換流站的造價,提高海上換流站的施工難度。

基于目前海上風電的輸出容量及技術經濟性考慮,對稱單極接線被更多應用和接受。隨著海上風電輸送容量的增大,出于整體風電場安全可靠性的考慮,加之海上換流站輕型化設計越來越成熟,對稱雙極接線將得到更多的應用。據預測,2029年及以后的歐洲海上風電場項目,柔性直流輸出方案將選擇±525 kV、2 000 MW對稱雙極標準方案。

3 優化方向

海上風電柔性直流輸電工程受限于海上施工困難、作業風險大、吊裝船只噸位等多方面原因,海上換流站輕型化是工程發展的方向。筆者探討從系統接線、設備選型、換流站輕型化緊湊化設計等方面來優化海上風電柔性直流輸電工程。

隨著海上風電大容量風電機組的應用,集電線路采用66 kV電壓等級,同時可對海上升壓站與海上換流站進行一體化設計,以減少海上升壓站的建造費用。

基于在絕緣配合和高壓領域豐富的理論和實踐經驗,可以適當降低設備絕緣水平。絕緣水平優化后,將帶來設備空氣凈距減小,各個房間體積縮小,海上換流站的空間和質量可進一步減小。

在換流閥選型中,提高子模塊電壓利用率,采用動態冗余策略。考慮直流耗能裝置對暫態過電壓的限制作用,同時兼顧海上換流站的高可靠性要求,可以選取陸上站/海上站子模塊平均工作電壓為2.2 kV,實現絕緣柵雙極型晶體管換流閥子模塊數量同比減少10%。降低子模塊電容值,通過采取環流注入策略,對電容電壓波動進行限制,適度提升子模塊電容電壓波動率,以減小子模塊尺寸,降低成本。適當減少冗余子模塊數量,基于國內目前采用的絕緣柵雙極型晶體管閥運行經驗,可以考慮將冗余數量減少至3%。

考慮風電場年利用小時數,結合變壓器過負荷情況下的壽命特性分析,充分挖掘單臺故障退出后另一臺的急救過負荷能力,對變壓器的容量進行合理優化,進而減小變壓器的尺寸、質量,降低成本,為海上風電研發小型化、輕型化變壓器。采用防爆油箱等高可靠性設計,可以降低海上換流站消防系統的復雜性。

通過提高閥控過流保護動作的速度,在保證換流閥暫態安全特性前提下,降低橋臂電抗器電感值。

通過如采用輕型電抗器、優化散熱器位置等一系列操作,進一步對海上換流站進行輕型化緊湊化設計,以減小海上換流站的質量和尺寸。

4 結束語

柔性直流輸電技術具有非常強的遠距離輸電能力,以及靈活的有功功率和無功功率控制能力。隨著柔性直流輸電技術的不斷發展,柔性直流輸電技術會逐漸成為海上風電場遠距離輸電的主流輸送方式。在后續的研究過程中,還需要對柔性直流輸電技術暫穩態性能、對電網影響、供電可靠性等進行深入研究,并不斷優化海上換流站平臺的體積和質量,改善海上平臺對海洋環境的影響。

相信未來我國海上風電柔性直流輸電技術一定會越來越成熟,為國民經濟的發展及海洋經濟的崛起提供重要幫助。