海上風(fēng)力發(fā)電交直流輸電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)探討

石 明，童 帆，魏務(wù)卿，鄒家勇

(上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335)

0 引言

海上風(fēng)電相對(duì)于陸上風(fēng)電具有不占用土地資源的同時(shí)還有更為豐富的風(fēng)力資源，且更靠近沿海負(fù)荷中心易于消納，逐步成為風(fēng)力發(fā)電的重要發(fā)展方向。2021年中國非化石能源裝機(jī)占比首次超過煤電，其中風(fēng)電總裝機(jī)容量3.3億kW(含陸上3.0億kW，海上2 639萬kW)[1]。

海上風(fēng)力發(fā)電輸電技術(shù)主要分為高壓交流與高壓直流技術(shù)。歐洲海上風(fēng)電對(duì)離岸距離較遠(yuǎn)的項(xiàng)目采用高壓直流輸電居多，其中在建的英國某海上風(fēng)電場直流換流站離岸距離長達(dá)220 km。目前國內(nèi)海上風(fēng)電開發(fā)主要以近海為主，其離岸距離較遠(yuǎn)的江蘇大豐300 MW項(xiàng)目離岸距離超80 km，采用了中間設(shè)置無功補(bǔ)償站的高壓交流輸電技術(shù)。規(guī)劃容量達(dá)到1 100 MW的三峽能源江蘇如東海上風(fēng)電項(xiàng)目群輸電距離達(dá)到90 km以上，項(xiàng)目采用了柔性直流輸電技術(shù),該柔直項(xiàng)目同時(shí)也是目前已建成投運(yùn)的國內(nèi)最大、亞洲首座海上高壓直流換流站。伴隨著近海風(fēng)力資源的不斷開發(fā)，海上風(fēng)力發(fā)電將向深遠(yuǎn)海進(jìn)軍，同時(shí)我國海域遼闊、情況復(fù)雜，海上風(fēng)電高壓交流與高壓直流輸電技術(shù)將會(huì)形成有效互補(bǔ)，共同推動(dòng)海上風(fēng)電的發(fā)展。

1 海上風(fēng)力發(fā)電輸電技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

海上風(fēng)電場生命周期目前都按25 a以上設(shè)計(jì)，在全壽命周期內(nèi)項(xiàng)目的電氣部分主要成本包括：風(fēng)電機(jī)組及風(fēng)機(jī)換流器、集電系統(tǒng)平臺(tái)、海纜與運(yùn)行損耗[2]。由于匯集海纜回路數(shù)及布置成本問題，一般采用中壓集電系統(tǒng)匯集的方式通過高壓交流/直流輸電集中送出。采用不同的輸電技術(shù)對(duì)集電系統(tǒng)、海纜與運(yùn)行損耗等成本影響較大，因此在海上風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目制定方案的過程中，選擇合適的輸電技術(shù)直接影響項(xiàng)目整體收益。

對(duì)于目前我國海上風(fēng)電發(fā)展而言，隨著國家補(bǔ)貼政策的取消，對(duì)后期海上風(fēng)電項(xiàng)目的建設(shè)成本提出了更高要求，因此制約海上風(fēng)電項(xiàng)目平價(jià)化建設(shè)的主要難題在于如何降低建設(shè)與維護(hù)成本。

2 海上風(fēng)電交流輸電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

交流輸電是最早應(yīng)用在海上風(fēng)電項(xiàng)目輸電技術(shù)方案，具有成熟可靠、設(shè)備造價(jià)較低的成本優(yōu)勢(shì)。采用交流輸電技術(shù)方案時(shí)，輸送海纜存在較大的容性無功充電電流，特別在遠(yuǎn)距離情況下無功損耗較大，將降低海纜的有功輸送容量；此時(shí)需要對(duì)海纜兩端或中間設(shè)置高抗站進(jìn)行感性無功補(bǔ)償提升海纜輸送容量，這樣會(huì)增加技術(shù)難度和建設(shè)成本。為了降低交流輸電過程中的損耗與增加無功補(bǔ)償設(shè)備的額外成本，提升傳輸距離，近年來提出了海上風(fēng)電柔性低頻交流輸電方案[3]。

柔性低頻交流輸電方案相比常規(guī)交流輸電頻率由50 Hz降低至20 Hz或50 Hz的1/3甚至更低，在低頻工作條件可顯著降低同等交流電壓方案下的海纜充電功率，減少無功補(bǔ)償與損耗成本。同時(shí)，柔性低頻交流輸電方案可沿用常規(guī)交流輸電工頻電網(wǎng)中的控保及斷路器設(shè)備設(shè)計(jì)制造思路，降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

海上風(fēng)電柔性低頻交流輸電方案中陸上站由傳統(tǒng)交流變電站改為變頻站。由于陸上站所連接的海纜側(cè)電壓頻率為16.7 Hz，電網(wǎng)側(cè)仍然采用50 Hz工頻交流電，因此陸上變頻站必須采用交—交變頻器電力電子設(shè)備完成電壓與頻率的同時(shí)轉(zhuǎn)換。如圖1所示。

圖1 海上風(fēng)電低頻輸電系統(tǒng)圖

交流變頻器是柔性低頻交流輸電技術(shù)中重要的環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場低頻電與工頻電網(wǎng)并網(wǎng)的陸上變頻器終端[4]。模塊化多電平矩陣變換器(modular multilevel matrix converter，M3C)采用模塊化結(jié)構(gòu)不含中間直流環(huán)節(jié),結(jié)構(gòu)緊湊、可實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，因在高壓大容量的交—交電能變換場景中性能優(yōu)異，成為柔性低頻交流輸電中陸上變頻站設(shè)計(jì)方案，在未來柔性低頻交流輸電項(xiàng)目中M3C變頻器將發(fā)揮重要的作用。如圖2所示。

由于常規(guī)風(fēng)機(jī)變流器到集電系統(tǒng)海上升壓站電壓頻率為50 Hz，無法與海上升壓站低頻變壓器匹配使用，為進(jìn)一步降低輸電過程中的損耗成本完善海上風(fēng)電柔性低頻交流輸電方案。目前市場上已研制出與低頻風(fēng)電機(jī)組配套的低頻變壓器設(shè)備。低頻風(fēng)電機(jī)組相比較常規(guī)風(fēng)機(jī)僅對(duì)網(wǎng)側(cè)換流器控制參數(shù)與濾波電感進(jìn)行調(diào)整，整體成本有增加但增加不大。低頻變壓器避免低頻鐵磁飽和，體積與重量相比工頻交流變壓器而言更大，會(huì)增加海上升壓站體積和建設(shè)成本，且目前低頻電氣設(shè)備市場應(yīng)用較少仍需定制，因此成本較高。隨著未來低頻交流應(yīng)用場景的普及與低頻交流設(shè)備的量產(chǎn)，低頻交流輸電技術(shù)方案在降低系統(tǒng)運(yùn)行損耗的同時(shí)建設(shè)成本也會(huì)降低，在未來將推動(dòng)近中海域的百萬千瓦的海上風(fēng)電項(xiàng)目發(fā)展。

3 海上風(fēng)電直流輸電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

高壓直流輸電技術(shù)最大優(yōu)勢(shì)在于線路運(yùn)行損耗低，對(duì)于海上風(fēng)電項(xiàng)目長期運(yùn)行下能帶來更高的收益。柔性直流技術(shù)作為高壓直流輸電具有成熟的應(yīng)用案例，具有調(diào)節(jié)無功功率、事故后快速供電及黑啟動(dòng)的能力，在高壓大容量輸電場合一般采用模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)，其中換流閥廳造價(jià)高、占地大，且鋼結(jié)構(gòu)整體占比高，造成海上換流平臺(tái)的建設(shè)成本相比高壓交流方案要高，因此目前僅適合大功率遠(yuǎn)距離輸送條件下應(yīng)用。為更好的推動(dòng)海上風(fēng)電項(xiàng)目向中遠(yuǎn)海進(jìn)發(fā)，目前海上風(fēng)電高壓直流輸電技術(shù)主要針對(duì)輕型化開展相關(guān)研究。

3.1 柔性高壓直流換流閥輕型化

換流閥約占高壓直流換流站全站設(shè)備造價(jià)的55%，因此對(duì)換流閥的輕量化研究是高壓直流輸電技術(shù)輕型化的重要研究方向之一。MMC換流閥采用多個(gè)子模塊級(jí)聯(lián)，通過疊加的方式組成橋臂得到較高的直流電壓。一般子模塊由絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipdar transistor，IGBT)全橋或半橋功率模塊結(jié)構(gòu)組成，由于IGBT耐壓與連續(xù)工作電流較低，子模塊額定工作電壓一般在2 000～2 500 V左右,額定電流低于1 500 A，如圖3所示。因此在高電壓大容量傳輸條件下橋臂需要的子模塊數(shù)量較多，造成由換流閥組成的閥廳占地較大，不利于海上換流站的建造與項(xiàng)目成本控制。

圖3 基于IGBT的全、半橋功率模塊拓?fù)鋱D

針對(duì)換流閥的輕型化提出采用耐壓更高的大電流集成門極換流晶閘管(integrated gatecommuteced thyristor，IGCT)，與IGBT相比較，目前國產(chǎn)IGCT功率模塊額定工作電壓可達(dá)到4 000 V，連續(xù)工作電流達(dá)到2 000 A，如圖4所示。

圖4 基于IGCT功率模塊半橋拓?fù)鋱D

在相同的設(shè)計(jì)額定電壓下，子模塊數(shù)量降低37.5%～50%，輸送容量增加33%。雖然由IGCT組成的功率模塊需要增加吸收回路[5]，單個(gè)閥體較IGBT體積稍大，整體相比IGBT方案仍能減少海上換流站占地面積與重量。

3.2 高壓直流換流站輕型化

1)不控整流單元技術(shù)方案

對(duì)于海上風(fēng)電而言，在正常的工作狀態(tài)下有功潮流方向是從風(fēng)機(jī)輸出有功匯集到海上平臺(tái)通過海上換流站送至陸上站所連交流系統(tǒng)，考慮到MMC柔性直流方案采用的子模塊數(shù)量較多，且均為全控器件，控制系統(tǒng)復(fù)雜成本高。有學(xué)者提出海上換流站采用不控整流單元，固定有功潮流方向。不影響風(fēng)電場對(duì)外輸送功率的同時(shí)降低項(xiàng)目造價(jià)，通過二極管組成閥組單元能大幅度降低海上換流站成本，完成對(duì)高壓直流換流站的輕型化改進(jìn)。有研究表明，在相同容量下海上換流站采用不控整流單元的平臺(tái)結(jié)構(gòu)體積減少了80%，重量減少了67%，建設(shè)成本約為MMC換流站的30%[6]。系統(tǒng)圖如圖5所示。

圖5 基于不控整流高壓直流送出系統(tǒng)圖

該方案通過多組不控整流單元直流輸出串聯(lián)達(dá)到高壓直流輸出的目的，但由于潮流方向固定，海上風(fēng)電場可看做孤島，海上交流系統(tǒng)電壓需要風(fēng)電場提供。直驅(qū)風(fēng)機(jī)因不需要外部勵(lì)磁，可通過全功率換流器網(wǎng)側(cè)控制器運(yùn)行在構(gòu)網(wǎng)模式下提供穩(wěn)定的風(fēng)電場交流電壓。但由于構(gòu)網(wǎng)型直驅(qū)風(fēng)機(jī)研究與應(yīng)用目前仍未成熟，在該拓?fù)湎氯孕枰Ｉ蠐Q流站提供輔助電源用以建立風(fēng)電場交流電壓。

2)集中式全直流組網(wǎng)技術(shù)

由于交流電壓的周期變化，采用MMC輸電技術(shù)的單極每相交流電需要上下兩個(gè)橋臂用來保證同一時(shí)刻上下橋臂導(dǎo)通的子模塊總數(shù)為恒定值，在換流站采用單極結(jié)構(gòu)下共包含6個(gè)橋臂，整體結(jié)構(gòu)占地較大。為進(jìn)一步減少高壓直流輸電方案海上平臺(tái)成本，目前也有提出采用全直流組網(wǎng)技術(shù)方案用來減少海上平臺(tái)體積與重量。

在一般情況下，選用柔直送出的海上換流站方案仍采用中壓交流匯集的方式，但損耗較大，且風(fēng)機(jī)側(cè)包含機(jī)艙變壓器影響風(fēng)機(jī)體積與重量。針對(duì)高壓直流輸電技術(shù)中匯集損耗以及平臺(tái)重量與體積問題，提出了采用直流匯集直流送出的全直流方案，增加了海上風(fēng)電送出效率同時(shí)采用DC/DC變換器替代工頻變壓器減少海上平臺(tái)與風(fēng)機(jī)的重量與體積[7]，如圖6所示。

圖6 全直流系統(tǒng)組成圖

由于中壓匯集改為直流方式，無需工頻變壓器，減少了風(fēng)機(jī)體積的同時(shí)也不用考慮無功問題。其中DC/DC變換器是該方案的關(guān)鍵設(shè)備，全直流系統(tǒng)共包含兩個(gè)DC/DC變換器，其中之一為中壓DC/DC變換器負(fù)責(zé)風(fēng)機(jī)升壓送出至海上換流站，另一個(gè)為高壓DC/DC變換器負(fù)責(zé)將風(fēng)電機(jī)組匯集后采用高壓直流送出。

中壓DC/DC變換器考慮選擇輸入并聯(lián)輸出并聯(lián)(input-parallel output-parallel，IPOP)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是目前DC/DC變換器研究中最多的一類結(jié)構(gòu)，可滿足不同的電壓和功率需求，適用于中壓大功率場合。且輸入與輸出均采用模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此在一定的模塊冗余下具有較高的可靠性。有學(xué)者研究表示采用該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中壓DC/DC變換器可降低50%以上的體積，如圖7所示。

圖7 中壓DC/DC變換器結(jié)構(gòu)圖與系統(tǒng)組成圖

高壓DC/DC變換器近年來有學(xué)者提出采用混合型隔離變壓器拓?fù)?，如圖8所示。

圖8 高壓DC/DC變換器結(jié)構(gòu)圖與系統(tǒng)組成圖

在該類型拓?fù)渲?，中壓?cè)采用晶閘管閥組+3個(gè)有源橋臂(半橋子模塊級(jí)聯(lián))，相比MMC而言有源橋臂數(shù)量減少。變壓器則采用中低頻200 Hz方案，比工頻變壓器降低了鐵芯需求，體積與重量大幅度減少。高壓側(cè)則采用二極管閥組，該結(jié)構(gòu)簡單且不采用全控器件成本較低。采用此拓?fù)涞淖儞Q器結(jié)構(gòu)適用于高壓大功率場合，結(jié)構(gòu)緊湊，成本較常規(guī)MMC柔直換流站而言更低，適用于海上風(fēng)電直流匯集與送出方案中。

3.3 海上風(fēng)電場系統(tǒng)新型拓?fù)漭p型化

由于海上平臺(tái)投資成本較高，因此有學(xué)者提出不含海上平臺(tái)的分布式直流組網(wǎng)技術(shù)，通過風(fēng)電機(jī)組直流輸出口串聯(lián)達(dá)到直流升壓目的，如圖9所示。由于該技術(shù)方案不含海上平臺(tái)升壓設(shè)備因此投資成本降低。

圖9 分布式全直流組網(wǎng)系統(tǒng)連線圖

但在該系統(tǒng)拓?fù)湎嘛L(fēng)機(jī)間采用海纜串聯(lián)，各風(fēng)機(jī)之間的耦合較強(qiáng)，給工程調(diào)試等帶來額外工作量，同時(shí)也給風(fēng)機(jī)帶來絕緣方面的考驗(yàn)，因此僅適合小容量場合。

4 技術(shù)趨勢(shì)與展望

隨著我國近海風(fēng)力資源的開發(fā)，海上風(fēng)電場離岸距離不斷增加，采用交流輸電技術(shù)項(xiàng)目離岸距離已達(dá)到100 km；同時(shí)我國海上風(fēng)電單機(jī)容量不斷增大，由以往6.45 MW逐步向13 MW以上發(fā)展；風(fēng)力資源轉(zhuǎn)換效率也在增加，因此海上風(fēng)電場規(guī)劃容量逐步上升，已并網(wǎng)的交直流輸電海上風(fēng)電場容量均達(dá)到百萬千瓦甚至二百萬千瓦的水平。從已有的海上風(fēng)電項(xiàng)目來看，海上風(fēng)電能夠有效支撐沿海當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)帶負(fù)荷中心的需求，可以減輕外來高壓電力輸送通道的壓力。

隨著海上風(fēng)電逐步向深遠(yuǎn)海發(fā)展，采用直流輸電平臺(tái)更具有優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)氫能制儲(chǔ)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)不斷完善，給海上風(fēng)電項(xiàng)目提供了更豐富的功能方案，如海上風(fēng)電制氫儲(chǔ)氫方案解決海上風(fēng)電棄風(fēng)問題，利用海上風(fēng)電豐富水資源與棄風(fēng)電能水解制氫并儲(chǔ)存，在風(fēng)力較弱時(shí)利用氫能輔助發(fā)電，提高經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)換效率。制氫過程采用直流電，采用直流方案可減少制氫裝置體積與重量，減少建設(shè)成本，因此采用高壓直流輸電海上平臺(tái)更有優(yōu)勢(shì)。伴隨高壓直流輸電與全直流組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，海上風(fēng)電逐步向深遠(yuǎn)海開發(fā)，直流輸電與對(duì)應(yīng)組網(wǎng)技術(shù)將成為海上風(fēng)力發(fā)電的主流。

5 結(jié)論

隨著海上風(fēng)電交直流輸電技術(shù)發(fā)展，新的技術(shù)應(yīng)用方案對(duì)項(xiàng)目投資成本、風(fēng)能利用率、系統(tǒng)運(yùn)行損耗、棄風(fēng)率等均有改善。

交流輸電技術(shù)作為最早應(yīng)用在海上風(fēng)電的技術(shù)方案，海上升壓平臺(tái)及相關(guān)設(shè)備具有成熟可靠、成本較低的優(yōu)勢(shì)，但受限海纜載流量限制，在大容量送出條件下需要更高電壓送出，在距離較遠(yuǎn)情況下會(huì)造成運(yùn)行損耗較高且需要額外的高抗站進(jìn)行感性無功補(bǔ)償降低海纜無功充電功率來減少對(duì)輸送容量的影響，在遠(yuǎn)距離條件下該情況更為突出。近年來低頻輸電技術(shù)的提出延長了交流輸電的有效輸送距離，但無法根本改變交流電下的海纜對(duì)地電容產(chǎn)生的充電電流，且由于單回交流海纜輸送容量的限制，交流輸電方案僅適用于百萬千瓦容量以內(nèi)的海上風(fēng)電項(xiàng)目。在采用低頻交流輸電技術(shù)方案的情況下輸電距離達(dá)到200 km以上,但單回的海纜輸送容量也一般在500 MW以內(nèi)。

不同于交流輸電技術(shù)在海上風(fēng)電應(yīng)用的局限性，海上風(fēng)電直流輸電方案更多在大容量與遠(yuǎn)距離送出場合有較大優(yōu)勢(shì)，但也存在功率半導(dǎo)體模塊成本過高及體積過大等劣勢(shì)。在近距離小容量場合可采用無海上匯集平臺(tái)的分布式全直流組網(wǎng)的系統(tǒng)集成方案，尤其適合無供電區(qū)域的海島供電，并可組建海島微電網(wǎng)。對(duì)于遠(yuǎn)距離大容量海上風(fēng)電送出項(xiàng)目則可以選擇集中式全直流組網(wǎng)技術(shù)，能夠最大幅度降低系統(tǒng)運(yùn)行損耗，提升經(jīng)濟(jì)效益。且隨著后續(xù)構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機(jī)研制與技術(shù)應(yīng)用成熟，采用直流輸電技術(shù)方案的海上平臺(tái)與風(fēng)機(jī)體積重量將大幅度減少，造價(jià)會(huì)進(jìn)一步降低。同時(shí)制儲(chǔ)氫與直流技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，給海上風(fēng)電項(xiàng)目將帶來更高的收益。