海上风电电能输送技术 - 海洋电力发电技术

杜文章 · 发表于海洋科普 2024-5-28 04:50:45

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面对目前全球环境污染与气温不断升高的困境，我国提出力争于2030 年前实现“碳达峰”，努力争取2060 年前实现“ 碳中和” 的战略目标。大力发展风电等清洁能源是实现“双碳”目标的重要途径，截至2022 年年底，我国陆上风电装机容量达到3.6亿kW。近年来，海上风电开发成为风能领域进步的制高点。海上风电风能稳定、不占用陆地面积，适宜大规模开发；且其靠近电力负荷中心，便于电网就地消纳，避免了风电的长距离运输，因此海上风电的开发利用受到广泛关注。目前主流的风电输送方式为高压交流输电(high voltage alternating current，HVAC)、电网换相型高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current，LCC-HVDC)和柔性直流输电(voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC)，与陆上风电输送的不同在于采用海底电缆，而非架空电线。

现阶段，海上风电正面临着新的机遇和挑战：（1）在“双碳”目标下，海上风电必将担负大任，迎来大好的发展形势，但消纳问题又给海上风电的发展带来前所未有的挑战；（2）海上风电由近海向深远海拓展是客观现实和必然趋势，但面临着柔性直流输电高额成本压力；（3）国家对海上风电“退补”政策已经明朗，海上风电将迎来“平价时代”。在此背景下，找到降本增效的有效措施是保证海上风电可持续发展的首要任务。风电的规模化应用及其自然特性决定了风电市场必须走多元化发展道路，非并网风电系统开发则是一个探索风电多元化发展的方向。

传统海上风电送出方案

传统远距离传输电能的方式包括高压交流输电方式、基于晶闸管的高压直流输电方式、基于电压源换流器技术的柔性直流输电方式。

高压交流输电方式是海上风电场并网的常规方式，其结构简单，造价低，是目前输电方式中最成熟的一种技术。典型高压交流输电方式拓扑结构如图1(a)所示，目前输电工程中的最大输送容量可达200 MW/150 kV与350 MW/245 kV。

高压直流输电方式采用无关断能力的低频晶闸管构成的电流型换流器，并采用电网换相换流技术。此方式因技术成熟、功耗小而被广泛研究，但是由于连接弱网时易引发换相失败，并可能加重系统谐波污染，限制了其应用与发展。典型高压直流输电方式拓扑结构如图1(b)所示，其中滤波装置用来吸收换流站设备产生的谐波，并向换流站提供无功功率。

柔性直流输电方式是基于电压源换流器(voltage source converter，VSC)技术和全控型功率器件的一种新型直流输电技术，其核心为工作在500~2000 Hz的全控型功率器件，通过脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)技术，输出电压可根据系统需要自动调节。目前，世界上已有多个在建或建成的柔性直流输电技术项目。典型柔性直流输电方式拓扑结构如图1(c)所示，该方式可控性强、对环境影响小，是国外大型远海输电的主要并网技术。

图1 海上风电送出方式拓扑结构

海上风电送出关键技术

1集电系统设计

集电系统是连接风电机组和放置升压换流设备的海上平台之间的中压电气网络。当前集电系统分为交流集电系统和直流集电系统。交流集电系统拓扑结构主要有链形、星形、单边环形、双边环形和复合环形等，直流集电系统拓扑结构主要有并联形、串联形、并联串行和MI（矩阵互联）形。已有研究以集电系统拓扑结构的经济性和可靠性为目标，从优化角度出发，利用改进遗传算法和改进模糊聚类算法对集电系统展开优化设计。已有文献比较了不同规模海上风电场环形和链形集电系统并综合考虑网损、可靠性和投资，结果表明大型海上风电场环形系统更具优势。

除集电系统拓扑外，断路器配置方案也是集电系统优化的重要方向。断路器配置方案可分为传统配置、完全配置和部分配置3 种方案，其成本、可靠性和断路器数量对比如表1 所示。一般来说，断路器数量越多，其成本越高、可靠性越高。对于大型深远海风电场，需要采用完全配置方案；对于中小型风电场，传统配置或者部分配置即可满足要求。以环形拓扑结构为例，在部分开关配置的可靠性模型下，利用NSGA-Ⅱ算法实现可靠性及成本的Pareto 最优，并可设计出最优开关配置方案。

表1 断路器配置方案对比

由于海上运行环境恶劣，风电设备受盐雾、台风、海浪等因素影响，故障率高且维修时间长、成本高，故障损失更严重，因此集电系统可靠性不容忽视。完成预期发电量的几率或相关某一变量均可作为可靠性指标，可大致分为概率指标和频率指标，具体到集电系统，常用的指标有平均故障率、平均停电时间、平均停电持续时间、平均停电频率、平均修复时间、电量不足期望值等。海上集电系统常使用蒙特卡洛模拟法进行可靠性评估，抽样次数越多，得到的结果就越精确。已有文献面向环形集电系统给出集电系统分区、优化、评估一体化方案，在可靠性评估上采用序贯蒙特卡洛模拟法，综合考量经济性和可靠性并得出最优方案。

常规海上风电场单台风机通过就地升压变将电压升至35 kV汇集再输送至岸上，但随着深远海风的推进和海上风电单机容量逐渐增大，35 kV海缆的通流能力将制约集电系统，66 kV海上风电集电系统将成为发展趋势。通过对35 kV和66 kV集电系统进行系统性对比分析，结果表明：相较于35 kV 集电系统，66 kV集电系统有效减少了集电电缆长度，减少了低压侧开关等电气设备投入；66 kV集电系统取消海上升压站，极大地降低投资和运维成本；66 kV集电系统电压等级更高，因而有功损耗和无功损耗均更低。海上风电中压直流汇集拓扑利用风机串大容量直流升压变换器代替若干机头直交变换，若干簇风电机组分别经中压直流汇集后接入直流升压变压器。

2工频交流并网方式改进

海上风电场通过常规高压交流并网的工程经验丰富，但是受到交流电缆充电电流影响，传输距离和传输容量受到限制，一般适用于离岸小于70 km、容量小于400 MW的近海风场。随着海缆长度增加，对地及相间电容逐渐增大，使得线路传输有功功率的容量迅速减少。一般在海缆两侧增设无功补偿装置能在一定程度上延长海缆输送距离，但对于更远距离的传输，在传输路径中增设海上无功补偿站是一种有效手段。如图2所示，以英国的Hornsea Project One海上风电场为例，该风电场装机容量1218 MW，采用三回220 kV线路送出，单回线路总长度142 km，建设3座220 kV海上升压站和1座海上无功补偿站。

图2 英国Hornsea Project One 海上风电场输电

通过高压交流电缆输电时，空载线路的电容效应和不对称接地故障引起的工频过电压不容忽视。通常采用高抗等无功补偿装置对电缆进行一端补偿或两端补偿，从抑制电容效应来看，两端同补的补偿容量大，效果也更佳。也有学者对比了不同规模、不同传输距离海上风电场采用两端补偿和陆上单端补偿2种方案时输出海缆导体损耗，结果表明：在风电场低出力水平及长距离传输时，两端补偿损耗更低。有文献提出一种基于工频过电压保护的无功配置方案，案例中在海上升压站装设固定高抗，在陆上装设动态补偿装置。海上风机本身也具有无功容量和调节能力，应充分发挥风电机组的无功控制能力。如图3所示，通过调整网侧变流器与机侧变流器控制结构，使网侧变流器由直流电压控制和定无功控制，转化为对直流电压控制并增加电压控制环路。该控制环路可以利用机组无功控制能力，参与电网电压的调节。当电网电压波动时，使直驱风机受控、向电网输送或吸收一定的无功功率。

图3 改进的网侧变流器控制

海上风电场工频交流送出系统故障穿越方面，短路故障暂态过程可以分4个阶段：电压跌落阶段、低电压持续阶段、电压恢复阶段、电压恢复正常。通过优化海上风电机组硬件保护电路和控制策略，可改善电网故障下机组暂态应力特性，提升对电网的支撑作用。海上风电场的故障特性，由风电机组故障的电气特性和动态无功补偿的暂态响应特性共同决定。因此，改善动态无功补偿装置的控制策略，提升补偿装置快速响应能力，可以为电网电压迅速提供无功支撑，增强风电场故障穿越能力。

3新型并网送出方式

1、HVDC（高压直流）送出方式或FFTS（分频输电）送出方法

工频交流送出方式的最大缺陷是无功功率导致的过电压问题以及远距离下电缆可用载流量急剧降低的问题。为了避免无功功率的不良影响，海上风电可采用HVDC（高压直流）送出方式或FFTS（分频输电）送出方法提升并网性能。基于LCC（电网换相换流器）的HVDC和基于VSC（自换相的电压源换流器）的HVDC是HVDC的2种基本拓扑结构，两者结构如图4和图5所示。相比于LCC -HVDC，VSC-HVDC 技术具有谐波成分少、不存在换相失败问题、可为无源系统供电、能够有效隔离系统故障等优势，因此目前世界上大多数海上直流输电采用的VSC-HVDC技术，其建设成本高、换流站损耗大等问题也催生更多新技术的发展。MMC（模块化多电平换流器）技术通过多个子模块的叠加，容易实现较高的直流电压，进一步降低VSC-HVDC开关损耗和谐波含量，提高故障穿越能力，使其更适合海上风电送出。德国深远海VSC-HVDC送出走在世界前列，目前已经建成包括BorWin 1-3，DolWin 1-3等9 座海上高压直流换流站，容量从400MW到900 MW，目前DolWin5和DorWin6 2座900 MW海上直流换流站订单已被ABB 和西门子接入，预计分别将在2024 年和2023 年投产。总装机容量3.6 GW的Dogger Bank也是英国首个采用高压直流方式将海上风机所发电能传输回陆地的项目。

图4 LCC-HVDC结构

图5 VSC-HVDC结构

2、海上混合直流输电

海上混合直流输电是将LCC-HVDC和VSC-HVDC两者结合的技术，即海上变电站采用VSC技术，岸上变电站采用LCC技术，该技术不但可以保留柔性直流输电技术的绝大部分优势，而且可以优化工程造价，对于海上电网的并网具有很大优势。为了节省海上换流站的投资（减轻重量，降低运维成本，提升可靠性），有学者提出将直流海上换流站改为VSC-DR（二极管整流站），如图6所示。VSC-DR 最大的优势是海上换流站建造成本大幅降低，但由于其启动策略复杂，需要配置额外的辅助VSC电压源或改造风机；另外，二极管整流还会带来谐波问题。

图6 DR-VSC结构

3、FFTS（分频输电）

FFTS（分频输电）由王锡凡院士于1994年首次提出，其主要思想是在不提高电压等级的前提下，通过降低输电频率来降低电抗、缩短电气距离，提高输送功率并减少输电回数和出线走廊。海上风电的FFTS 并网结构如图7所示，海上风机直接输出低频电能，经汇流、升压、输送至陆地后升至工频并网。FFTS不需要建造海上换流站，大幅降低了一次建设成本和维护成本。另外，电缆充电功率减小可显著延长电能输送距离，使其具有媲美HVDC的输电半径。近年来，国内外学者在海上分频输电的稳定性分析、经济性分析、控制策略和模拟计算等方面做了大量研究，验证了海上分频系统的可行性和优越性。虽然尚未有海上风电工程案例使用FFTS技术，但随着国内外研究的深入，FFTS有望成为深远海风电送出的重要技术手段。

图7 FFTS结构

结语

高压交流输电技术的运行经验丰富，但容易被海底交流电缆充电电容所影响，从而限制了其传输容量，因此不适用于输送远距离、大容量的电能。高压直流输电系统的线路安装费用随着电压等级的升高而增加，需对材料进行深入研究并通过增加单座的容量来减少成本的损耗。此外，传统高压直流输电技术需加强大规模能源通过弱电网的送出能力，研究更完善的直流输电设备来提高系统的灵活性，并加强整个系统的抗干扰能力。柔性直流输电技术需对换流器进行优化控制，提升电网接纳新能源的能力，并提高系统的经济性和可靠性，对于直流风电场的控制策略、直流断路器、系统的故障保护以及多相化机组的新型拓扑，还需更进一步的研究。

深度挖掘新型并网送出方式潜力，进一步提升海上风电利用效率与经济效益。集电系统拓扑优化和断路器配置方案是集电系统研究重点，随着海上风机单机容量增大，35 kV集电系统正在逐渐向66 kV集电系统趋势发展。工频交流系统由于电缆的充电电流和电容效应限制了输电距离，且过电压问题严重，针对无功配置的研究显得格外重要；应充分利用风电机组本身无功控制，为系统提供电压支撑，增强故障穿越能力。在避免无功影响和远距离海上输电上，HVDC和FFTS优势明显；VSC-HVDC，LCC-VSC，VSCDR等新型直流输电结构各有千秋，在工程实际中需要综合考量；FFTS兼顾HVAC和HVDC两者优势，既能远距离输电，又无需海上换流站，经济性好，应针对海上分频输电的集电系统汇流、一次设备、二次设备和FFTS 控制策略等进行深入研究，以便于FFTS 技术早日落地海上风电。

撰稿 | 千尧科技

责编 | Meredith

图片 | 网络

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