海上風(fēng)電柔性直流輸電技術(shù)研究

周 敏 陳志偉 蔡璐璇 陳偉翔

1.上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司廣東分公司 廣州 510000 2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司汕頭供電局 廣東汕頭 515000

1 發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)

2011年,上海南匯風(fēng)電場(chǎng)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(gè)柔性直流輸電工程。經(jīng)過(guò)12 a的發(fā)展,柔性直流輸電的電壓等級(jí)從±30 kV發(fā)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(duì)稱單極發(fā)展到對(duì)稱雙極,連接方式從單端發(fā)展到特高壓多端,器件使用從模塊化多電平換流器發(fā)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(guó)內(nèi)柔性直流輸電工程經(jīng)過(guò)不斷嘗試和創(chuàng)新,技術(shù)已逐漸成熟。

2021年12月,國(guó)內(nèi)第一個(gè)海上風(fēng)電柔性直流輸電工程——如東海上風(fēng)電場(chǎng)工程成功投入并網(wǎng)運(yùn)行,這標(biāo)志著我國(guó)海上風(fēng)電柔性直流輸電的正式開(kāi)啟。

1.2 國(guó)外

1997年3月,ABB公司首次在瑞典中部的赫爾斯揚(yáng)進(jìn)行了高壓柔性直流輸電試驗(yàn)。隨著海上風(fēng)電向深遠(yuǎn)海發(fā)展,國(guó)外海上風(fēng)電輸電工程也逐步采用柔性直流輸電技術(shù)。德國(guó)海上風(fēng)電柔性直流輸電工程建設(shè)情況見(jiàn)表1。

表1 德國(guó)海上風(fēng)電柔性直流輸電工程

2 柔性直流輸電接線方式對(duì)比

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

圖1 柔性直流對(duì)稱單極接線

圖2 柔性直流對(duì)稱雙極接線

以下對(duì)對(duì)稱單極接線和對(duì)稱雙極接線的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比。

2.1 設(shè)備

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

另外,兩種接線方式中的閥控系統(tǒng)、閥冷裝置、控制保護(hù)系統(tǒng)配置也存在較大差異。

2.2 運(yùn)行故障

對(duì)稱雙極接線情況下,發(fā)生直流側(cè)單極故障,可轉(zhuǎn)為單極運(yùn)行方式來(lái)輸送一半有功功率,可靠性較高。對(duì)稱單極接線發(fā)生直流側(cè)故障,將導(dǎo)致整個(gè)直流系統(tǒng)跳閘,無(wú)法輸送功率,可靠性較低。

2.3 占地與造價(jià)

對(duì)稱雙極接線情況下,換流閥和直流側(cè)接線復(fù)雜,設(shè)備數(shù)量多,直流側(cè)占地空間大。另外,海上換流站采用對(duì)稱雙極接線,相比采用對(duì)稱單極接線更大一些,這將增加海上換流站的造價(jià),提高海上換流站的施工難度。

基于目前海上風(fēng)電的輸出容量及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性考慮,對(duì)稱單極接線被更多應(yīng)用和接受。隨著海上風(fēng)電輸送容量的增大,出于整體風(fēng)電場(chǎng)安全可靠性的考慮,加之海上換流站輕型化設(shè)計(jì)越來(lái)越成熟,對(duì)稱雙極接線將得到更多的應(yīng)用。據(jù)預(yù)測(cè),2029年及以后的歐洲海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目,柔性直流輸出方案將選擇±525 kV、2 000 MW對(duì)稱雙極標(biāo)準(zhǔn)方案。

3 優(yōu)化方向

海上風(fēng)電柔性直流輸電工程受限于海上施工困難、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)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(fā)展的方向。筆者探討從系統(tǒng)接線、設(shè)備選型、換流站輕型化緊湊化設(shè)計(jì)等方面來(lái)優(yōu)化海上風(fēng)電柔性直流輸電工程。

隨著海上風(fēng)電大容量風(fēng)電機(jī)組的應(yīng)用,集電線路采用66 kV電壓等級(jí),同時(shí)可對(duì)海上升壓站與海上換流站進(jìn)行一體化設(shè)計(jì),以減少海上升壓站的建造費(fèi)用。

基于在絕緣配合和高壓領(lǐng)域豐富的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),可以適當(dāng)降低設(shè)備絕緣水平。絕緣水平優(yōu)化后,將帶來(lái)設(shè)備空氣凈距減小,各個(gè)房間體積縮小,海上換流站的空間和質(zhì)量可進(jìn)一步減小。

在換流閥選型中,提高子模塊電壓利用率,采用動(dòng)態(tài)冗余策略。考慮直流耗能裝置對(duì)暫態(tài)過(guò)電壓的限制作用,同時(shí)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(shí)現(xiàn)絕緣柵雙極型晶體管換流閥子模塊數(shù)量同比減少10%。降低子模塊電容值,通過(guò)采取環(huán)流注入策略,對(duì)電容電壓波動(dòng)進(jìn)行限制,適度提升子模塊電容電壓波動(dòng)率,以減小子模塊尺寸,降低成本。適當(dāng)減少冗余子模塊數(shù)量,基于國(guó)內(nèi)目前采用的絕緣柵雙極型晶體管閥運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),可以考慮將冗余數(shù)量減少至3%。

考慮風(fēng)電場(chǎng)年利用小時(shí)數(shù),結(jié)合變壓器過(guò)負(fù)荷情況下的壽命特性分析,充分挖掘單臺(tái)故障退出后另一臺(tái)的急救過(guò)負(fù)荷能力,對(duì)變壓器的容量進(jìn)行合理優(yōu)化,進(jìn)而減小變壓器的尺寸、質(zhì)量,降低成本,為海上風(fēng)電研發(fā)小型化、輕型化變壓器。采用防爆油箱等高可靠性設(shè)計(jì),可以降低海上換流站消防系統(tǒng)的復(fù)雜性。

通過(guò)提高閥控過(guò)流保護(hù)動(dòng)作的速度,在保證換流閥暫態(tài)安全特性前提下,降低橋臂電抗器電感值。

通過(guò)如采用輕型電抗器、優(yōu)化散熱器位置等一系列操作,進(jìn)一步對(duì)海上換流站進(jìn)行輕型化緊湊化設(shè)計(jì),以減小海上換流站的質(zhì)量和尺寸。

4 結(jié)束語(yǔ)

柔性直流輸電技術(shù)具有非常強(qiáng)的遠(yuǎn)距離輸電能力,以及靈活的有功功率和無(wú)功功率控制能力。隨著柔性直流輸電技術(shù)的不斷發(fā)展,柔性直流輸電技術(shù)會(huì)逐漸成為海上風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)距離輸電的主流輸送方式。在后續(xù)的研究過(guò)程中,還需要對(duì)柔性直流輸電技術(shù)暫穩(wěn)態(tài)性能、對(duì)電網(wǎng)影響、供電可靠性等進(jìn)行深入研究,并不斷優(yōu)化海上換流站平臺(tái)的體積和質(zhì)量,改善海上平臺(tái)對(duì)海洋環(huán)境的影響。

相信未來(lái)我國(guó)海上風(fēng)電柔性直流輸電技術(shù)一定會(huì)越來(lái)越成熟,為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及海洋經(jīng)濟(jì)的崛起提供重要幫助。