柔性直流电：打通远海风电发展的“通道”

■文｜《海洋与渔业》记者 廖静

如何将海上风电场的电能稳定地送到千家万户？伴随海上风电发展迎来黄金期，如何输送风电场的电能也变得越来越重要。日前，由南方电网科学研究院有限责任公司（以下简称“南网科研院”）等企业承担的远海岸风电送出技术及装备研究获得省级促进经济发展专项资金。该项目将解决海上换流站、直流海缆和电力系统的消纳能力等关键点，打通远海风电发展的“通道”。

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国内柔性直流技术世界领先海上风电尚未运用

目前世界上已建成或在建的远海岸风电直流送出工程主要由 SIEMENS、ABB以及 ALSTOM三家巨头垄断，但是这并不意味着这个市场将长期或永远被国外巨头占领。南网科研院直流所集成室主任赵晓斌说，以陆上柔性直流输电技术为例，在很长一段时间，世界上掌握柔性直流输电的公司只有 ABB、西门子、阿尔斯通三家，它们垄断了全球的柔性直流输电技术市场。

与此同时，国家电网、南方电网于 2006年相继启动柔性直流输电技术专项研究，在柔直领域积极与国内多家设备厂商、科研机构合作，以实现工程技术的国产化为目标，打破了由国外公司的技术垄断。2013年，世界首个多端柔直工程——南澳三端柔直工程成功投运，南方电网公司成为世界首个完全掌握多端柔性直流输电成套设备设计、试验、调试和运行全系列核心技术的企业，在中国乃至世界电力发展史上具有重要意义。

现在可以肯定地说，我国柔性直流技术已经达到了世界领先水平。以换流阀为例，作为柔性直流输电的心脏，是直流和交流相互转换的桥梁，在柔性直流主设备中技术含量最高、挑战最大。2017年南方电网公司成功研制出世界首个 ±800千伏特高压柔性直流换流阀。如今，在柔性直流输电领域的部分关键技术上，中国已经完成了从落后到超越。

“在直流输电技术研究领域，我们迅速完成了从学习、引进、吸收到实现工程技术的国产化和自主化的过程，目前已经达到了世界领先水平。”赵晓斌说。

但目前国内对于在深远海区域海上风电送出的研究基本处于空白地带，直接制约我国深远海风电开发利用。为掌握深远海区域建设海上风电送出的关键技术、提升本省海上风电及其送出产业在国内的领先地位，大力开展远海岸海上风电送出关键技术及装备研究刻不容缓。

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高压直流输电目前远海输送唯一方式

根据测算，距离海岸线越远，风速越大，发电量增加越明显。据介绍，在发展深远海风电方面，欧洲走在了世界的前列，世界上首个着床式深海风电场和首个漂浮式深海风电场于 2010年分别在苏格兰和挪威建成运行。据初步统计，2016年欧洲已建成的海上风电场的平均离岸距离为 43.5km，较 2015年有所增加。2017年 5月，在中国启动的三峡新能源江苏大丰 300MW（兆瓦）海上风电项目场址中心距离海岸线约45km。

广东省地处东南沿海地区，拥有丰富的风能资源，据初步测算，海上风电资源可支撑装机约为 1.5亿千瓦，其中远海风电资源占一半以上。从全球已建和在建的海上风电场、国家及本省的相关政策规划来看，海上风力资源开发呈现走向深远海的趋势。目前广东省已核准的海上风电项目主要是以离岸距离小于50km、装机容量200～400MW为主的近海岸项目，但随着技术的不断进步和对风能资源更高效利用的需求，预计不久后海上风电将发展至远海岸，在离岸距离和水深方面将有更大的突破，平均离岸距离有可能达100km，单个风电场装机容量达到500～1000MW。

赵晓斌说，避开已经开发利用的海域和功能多敏感度高的海域，逐步向深海海域发展海上风电，可避免风电场大量集中在近海建设对海洋环境、城市规划和交通航道的影响，促进海上风电与其他产业的和谐共进发展。

海上风电接入电网有两种方式，分别是高压交流输电和高压直流输电，其中交流输电方式适用于近海风电的接入，一般输电距离不超过 50km。据测算，当海上风电的离岸距离超过 70km，长距离交流电缆充电功率过大会引起电压升高等问题，采用高压交流输电将不能满足大容量、远距离海上风电输送的需求。采用高压直流输电的方式具有不需要与陆上电网保持同步、输送距离远、运行调控灵活等优点，目前是国际上大规模、远海岸海上风电送出的唯一方式。

│难│点│

远海岸风电送出是一项系统工程

“远海岸风电送出是一项系统工程，涉及风电机组、海上换流站、直流海缆和电力系统的消纳能力等各个方面。”赵晓斌表示。

国内风电厂商如华锐等已经处于国际风电整机厂商的第一梯队中，目前已完成10MW级超大功率海上风电机组的技术研发，以及海上风电接入技术、海上与潮间带施工成套技术、海上机组支撑结构设计技术等关键领域技术研究。但目前国内海上风电的运行时间较短，如何保证和提高可靠性是未来需要重点解决的问题。另一方面，国内尚无远海岸风电安装施工的经验，在海深较深的情况下确保安全快速的施工也可能构成风电开发的制约因素。

由于电缆的电容效应引起的电压等问题，交流接入电力系统的方案不适用于远海岸的风电接入，直流输电方案是目前的唯一选择。直流输电技术在我国应用很多，西电东送、疆电外送等远距离、大容量的对外送出工程都主要采取直流送出方式。相比交流输电方案，直流输电方案中的换流阀等设备对于环境条件的要求更高，占地面积和重量等也更大，为了减小海上平台的尺寸和造价，对于换流站内关键设备的比如换流阀的小型化设计要求更高，对于换流站内设备的选型、电气接线、结构布置的要求也更高，以满足可靠性、维护便利性等要求。

随着南澳多端柔性直流示范工程、舟山和厦门柔性直流工程的建设，国内电缆制造厂商已经具备最高±320kV的交联聚乙烯直流海缆的设计和制造能力，和国际一流的直流海缆供货商处在同一水平上。如何增加海缆的输送能力，以满足更大容量海上风电场的需求。由于风电本身存在较大的波动性，如何选择接入电网的方案，如何补偿或平抑风电波动性对于电网安全稳定的影响，也是需要一个关键技术问题。他称，南方电网公司已经筹划了一批风电接入对电力系统的影响和解决措施相关的科技项目，以满足未来大规模风电接入的需要。

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学习海外经验合作攻关

“当前，要想突破海上平台型柔性直流输电核心技术被国际巨头垄断的局面，我们可以借鉴陆上柔性直流技术发展的成功经验。”该研究院陈怡静博士谈到，首先要积极开展与国外先进技术企业的技术交流与合作。在发展自身技术的同时，还需时刻保持一颗谦虚的心向国外先进技术企业学习。我国在海上风电直流送出这一领域已经落后 SIEMENS、ABB等企业，若只是一味的低头蛮干、固步自封，而不与这些垄断企业进行技术交流，很难及时掌握到这一行业的新理论、新技术、新方法的发展，从而很难提升自身技术的发展。

她称，从南澳三端直流的成功经验可以看出，通过实施重大技术攻关工程，可以很有效率地解决一批制约行业发展的共性及关键技术瓶颈问题；通过开展实际工程加大投入，有利于集中力量突破国外垄断企业对关键技术的制约，掌握自主知识产权，实现核心技术、关键设备的项目研发与产业化示范。

而加强与国内设备厂家、科研机构的合作也是其中的关键。她表示，我国柔性直流技术的发展史中，每一次突破每一次取得的成绩都不是一家企业单独完成的，只有各家企业通力合作发挥各自所长才能更加有效地促进我国在整个行业的发展。这次我们申请广东省海洋与渔业厅的项目也是重视到这一点。我们科研院主要优势在于工程的成套设计、原理性策略研究、仿真建模技术等方面。而许继集团在设备研制这一方面有着相当丰富的经验。我们也是希望通过合作相互学习共同为我国海上风电事业贡献出一份力量。”她也建议，任何技术的发展都离不开科研人员的辛苦劳作。“要做到技术的制高点，不是靠人多或短期砸钱就可以快速获得的。当前需要的是要形成一种创新的科研环境，使得专业技术人员可以安下心来，通过长期的创新和技术积累占据技术的制高点，从而解决关键设备的国产化问题。”

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远海岸风电是下一个“蓝海”

科学技术的发展往往是由需求带动的，远海岸风电直流送出技术也同样如此。由于我国远海岸风电场的建设还处于起步阶段，相较于欧洲我国目前所开发的风电多集中于陆上或近海岸，因此对于风电直流送出的需求还未集中爆发。而以德国为代表的欧洲国家在陆上和近海岸风电开发完成后，已进入了远海岸风电大规模开采阶段，带动了远海岸风电高压直流送出技术的快速发展，整体处于世界领先地位。

随着我国对清洁绿色能源需求的快速提升，远海岸风电是可预计的下一个巨大“蓝海”。兵马未动粮草先行。“现在正是我们开展远海岸风电直流送出技术研究和装备开发的最好时机，将补齐巨大需求来临时的技术装备短板，促进广东省尽快占领远海岸风电开发建设的制高点。”陈怡静说。

南网科研院承担的远海岸风电送出关键技术及装备研究项目，将解决远海岸风电采用直流的接入系统方案、海上平台型柔性直流输电换流站成套设计方案以及关键装备设计制造等几方面问题。

首先，针对不同规模和离岸条件下的风电场，以及不同的风电场分布情况，适合采用不同的接入电力系统方案，该项目将通过开展技术和经济两方面对比分析，提出适合不同容量和分布状况的的远海岸风电采用直流输电送出的拓扑结构和关键参数选取方案，为直流工程汇集容量、输电距离、电压等级等基本参数选取提供充分依据。

另外，一个关键的问题就是远海岸风电送出需要在海上建设柔性直流换流站，而在远海建设的独立海上平台与陆上相比环境恶劣、检修维护不便、空间布局紧张，该将根据这些特点进行多专业的整体综合设计，解决紧凑型换流站电气接线、设备配置、设计布局等一系列问题，形成一整套技术经济性好的海上平台型柔性直流换流站的成套设计方案和设备技术规范。

而控制保护系统作为直流输电系统的核心组成部分，对整个系统的安全稳定运行起着至为关键的作用。由于海上风电具有一定随机性与波动性，大规模接入后将会对现有电网的无功电压调节、潮流控制、暂态稳定控制、电能质量等方面产生较大影响。该项目将结合风电送出的特征以及相关特殊要求，充分发挥柔性直流平抑电压波动，快速调节输电功率的独特优势，形成适用于远海岸风电送出的直流输电控制保护方案，并建成用于直流控制保护系统研发与测试的仿真平台，解决直流控制保护系统的设计与试验验证问题。

据透露，本项目将研发出适用于海上平台复杂严酷环境的的紧凑型换流阀和控制保护设备样机，掌握关键设备的设计和制造关键技术，并通过试验验证样机性能。通过项目的实施，南方电网和广东省将掌握远海岸风电直流送出的换流站成套设计和装备关键技术，建立起具有自主知识产权的技术体系。