探讨海上风电柔性直流输电及变流器技术

马果

（中广核新能源华南分公司，广东深圳 518000）

0 引言

海上风电柔性直流输电及变流器技术是采用换流器与直流电缆实现电流与电压的有效控制，能够切实缓解城市用电负荷，替代以往的交直流联网，满足大容量电能和远距离输送的要求，具有良好的发展前景。为了确保相关技术得到高质量运用，首先要深入分析变流器电路拓扑结构。

1 海上风电柔性直流输电变流器的深入研究

1.1 电路拓扑结构

柔性直流输电变流器是以双极型晶体管与VS 装置为构成基础，通过采用脉冲宽度调制技术，调整电源系统的电压、电量与频率，其核心组件为设备两端的换流器，能够起到关断系统的作用，图1 即为变流器。而在设备的输送端与接收端所采用的设备组件结构一致，可以有效控制电路开关的通断，并在直流电压之间迅速切换，以此产生符合应用需求的交流电压。同时，变流器可借助滤波器完成电压转换，从高频脉冲电压提取出基波电压，从而帮助检测人员更好地确定电压峰值与有效值。此外，由于变流器所使用的是脉冲宽度调制技术，能够改变输出电压的相数与幅值，保证有效功与无效功独立修正，进一步实现电压随系统变化而变化的控制目标。

图1 变流器

1.2 应用领域

①应用于柔性直流输电系统，变流器能够进一步提升高压直流输电的经济容量，从以往的几兆瓦延伸至几百兆瓦，使输电系统可以实现远距离的负荷供电，即使供电对象属于小型孤立单位，也能保证电力的有效传达，还可以使输电系统有效整合分散电源，确保控制方式更加灵活，具有良好的运行效果，能够切实降低线路电压骤变或闪变等不良状况的发生，保障电能质量。当前大容量的变流器核心技术已在国外海上风电场投入使用并取得成功，因此我国相关电力企业可积极借鉴成功案例，优化技术应用方式，保证技术实施计划的可靠性与可行性，并通过构建应用示范的方法，缩小国内外的技术差距；②可作为交流输电系统的变流器，进一步强化系统功率高、运行速度快、精准性强的特点，并通过改变输电网相角、线路阻抗等参数完成输电线路电压的直接控制，以此减少系统网的损耗程度，节约发电成本，确保系统的稳定运行。

2 海上风电柔性直流输电技术分析

2.1 应用方法

海上风电柔性直流输电技术应用过程为：将风电机组进行串联排布，并分成多个独立工作的小组，以此完成与海上高压变电站的有效连接，之后要选用专业的冷却变压器，利用其抗干扰性强、密封性好、无须安装防护外壳便可在潮湿环境下良好运行的特点，确保海上恶劣天气不会影响输电流程的正常运行，最后要采用高压直流输电联网的方式，保证能源损耗降到最低，以此达到切实提高电力质量的目的。以丹麦某海上风电场的柔性直流输电技术运用为例，该地区与海岸相隔距离不超过30km，水深大约为10m，风电机组运行功率大多保持在15 万kW 左右，为了保证海底敷设的主电网与电缆能够有效并联，减少捕鱼工具、船锚等对其造成的影响，需要预先将电缆埋藏起来，避免在外力作用下产生破坏。若海底条件相对良好，也可采用高压喷水的方式，使电缆投入海床，以此降低成本费用的支出，提高应用方法的经济性。此外，该海上风电场为了应对电压等级相近的问题，配备35~150kV 的变电站平台以及多种维修装置，并在与陆地相连的位置设置150kV 的电压等级。而对于海上风电场与主电网距离过远的问题，则采用将高压直流输电系统的发电机进行集中并网和分散并网的方式进行解决，利用其稳态分析功能，辅助风电机组完成运行方式与并网位置电压的确定，同时还可以分析海上风电场的稳态优化潮流，以此明确最佳的研究模型。针对海上风电场可能产生的电压闪变、谐波等问题，则需以调节电压的方式，切实提高电能的运行质量。

根据以上案例分析可知，当前丹麦海上风电柔性直流输电技术的应用相对成熟，应用方法较为全面，能够有效保证电能的高效传输。我国相关海上风电场在借鉴参考的过程中要充分提取相关应用方法的精华与优点，结合自身风力资源状况、选择适合的风力发电机组型号，依照当地的装机容量以及与电网的间隔距离，制定合理、科学的应用方法，同时要切实遵守风电场接入电网技术的指导要求，全面考虑影响系统运行稳定性的外部因素，保证并网方式具有较高的投资回报率，避免资金的过度浪费。

2.2 应用方案

本文以上海市沿海地区的海上风电场为研究对象，确保直流输电技术与并网技术能够得到良好运用。据不完全统计，上海地区沿海区域内40m 高处具备的平均风速为5.5m/s，其每年累计的有效风力时间超过7000h，具有非常丰富的风能资源。上海电网作为整个华东电网关键的负荷中心，其具有较大的负荷密度，同时对电网运行的安全性和稳定性提出较高的要求。因此上海电网中大多数重要负荷比较关注电流中产生的谐波，对电压的波动与闪变较为敏感，要求电能拥有较高质量。根据上海地区沿海区域和海上风场拥有的风能情况，结合其电网结构，分析区域内电力负荷的分布情况，提出以下电气方案。为了确保风能得到最高效的利用，从性价比的角度出发，所有方案都选取3MW 级别的变速恒频双馈类型的风力发电机组。

2.2.1 交流并网

由变速恒频类型的双馈式风力发电机送出的交流电都需要变压器对其实施升压操作，升压完成后使用海底交流电的电缆将其输送至风电场内，电流将会在升压变电站中的母线上再次进行升压，升压完成后再由交流电缆输送至陆地上的公共电网。海底的交流电缆需要较大充电电容，在其处于低负荷时很容易造成高电压，过高电压对风电场具有一定危害，为了避免风电场受到高压影响，需要在变电站周围设置SVC，当电缆正常工作时SVC 能够吸收过剩无功功率，为紧急情况下提供无功支持作储备。静止无功补偿器可以对无功功率进行灵活的调节，其调节方式为控制相应的晶闸管导通或进行关断，从而便于投切电抗器以及电容器。静止无功补偿器适用于新能源风力发电网，其最大的优势是具备高度的灵活性，静止无功补偿的设备能够灵活地调节电压与无功功率，一般该设备主要用于交流输电的装置之中，其目的是进一步稳定新能源电力系统的运行，提高新能源的输电能力。除此之外，由静止无功补偿的相关设备调节出的无功功率能够有效减小新能源电力系统中低频振荡带来的阻力，对新能源电力系统静态下的稳定性的提高起到巨大的作用。静止无功补偿的相关装置一般分为两大类：①电磁型；②晶闸管控制型。然而SVC 能够补偿的容量受到电压水平的影响，端电压越低，其输出的无功功率越小。因此，当系统出现故障时，SVC 对于风电机组产生的帮助有限。该方案的设计优势在于电气结构相对简单，且轻型高压直流输电设备有效防止了输电走廊的形成，避免电源分散接入，并且电压调节能力较为灵活，打破以往短路容量对风电场容量的限制，也切实改善系统的运行状况，使电能质量得到大幅提升，即使海上风电场与陆地间隔距离较大，也能通过较长的海底电缆实现主网并网，保证电能的安全传输。

2.2.2 分散控制并网

风力发电机在运行过程中产生的交流电在经过变压器调节后，会在各自的电压源换流器中转化为直流电，之后经高压直流输电海底电缆传递到直流母线上，并最终传送至陆地上的换流站中，再经过换流器转换为交流电抵达公共电网，形成多段输电网络，图2 即为换流站。分散控制并网的特点在于风电机组运行时产生的有功功率和无功功率能够分别在换流装置中完成独立性控制，不会产生互相干扰与影响，造成计量误差，使相应设备在电气结构相对复杂的环境中，也能保证良好的运行，确保转速符合相应标准要求。

图2 换流站

3 结论

综上所述，通过对海上风电柔性直流输电以及变流器技术进行分析，阐述设备的电路结构以及应用领域，并提出输电技术的具体应用方法和设计方案，以此为相关企业提供切实可行的参考数据，提高技术的运用效率，满足人们日益上涨的用电需求，加强提高线路的供电质量，保证输电技术应用方案具有良好的可行性与可靠性，能够有效解决海上恶劣天气对发电过程造成的影响。