柔性直流输电技术在海上风电中的运用分析

于浩格

（上海上电新达新能源科技有限公司，上海 200010）

0 引 言

我国具有丰富的海上风能资源，近年来，全球海上风电的发展规模呈现出高水平的增长趋势。但就目前而言，海上风电在运行环境、离岸距离以及输电容量等方面仍有一定的问题，导致输电与并网工作无法顺利完成。然而，在海上风电中使用柔性直流输电技术能够将有功、无功功率进行单独控制，并且该技术具有较强的故障穿越能力，能够实现深远海域风电的大规模输电与并网。

1 柔性直流输电技术在海上风电中的应用

柔性直流输电技术在海上风电中的应用如图1所示，风机所发出的电能经过收集后，经过海上升压站使电压升高，并通过交流海缆将电力传输到海上换流站。当电能经过聚集后会转化为直流电，直流电经过直流电缆输送到陆上换流站，并在逆变为交流电后与陆上电网进行连接。

图1 柔性直流输电技术在海上风电中的应用

1.1 海底集电技术

在海上风电系统中，风电集群与输电系统需通过海底集电系统进行连接，为保障海上风电系统的稳定运行，就要对海底集电技术进行可靠性设计。如图2与图3所示，当前主流的海底集电技术有直流集电技术与交流集电技术2种。其中，直流集电技术包括串联型、并联型、串并联型以及矩阵互联型等，其功率损耗相对较小，因此更加方便进行换流器电压与风电场功率的扩展。同时，直流集电技术在海上作业时无需较大的平台体积，且没有无功补偿方面的需求，因此将得到广泛应用。而交流集电技术主要包括链型、复合环型、单边环型、双边环型及星型等，因该技术较为成熟，在当前的海上风电系统中使用较为普遍[1]。

图2 直流集电技术

图3 交流机电技术

1.2 离岸距离与装机容量相关技术

首先，在离岸距离方面，业内普遍认为，离岸距离在50 km以上或水深大于50 m的海上风电场为深远海风电场。对于风电技术较为先进的欧洲国家而言，近年来，其风电场的离岸距离与水深的平均值呈增加趋势，深远海风电逐渐成为欧洲国家的主流。而对于我国而言，目前已经投入使用的海上风电场与在建风电场的离岸距离普遍在50 km上下，且风电系统的水深普遍＜50 m。同时，我国海上风电的未来发展方向为25～50 m深的水域，然而由于当前的技术储备不足，且发电工程量较大，使得我国仍在建设并使用近海风电项目[2]。其次，在装机容量方面，欧洲国家的海上风电新增装机的平均单机功率在近年来呈现出增加的趋势，目前，欧洲海上风电机组的平均单机容量已经超过8 MW，实现了风电机组的大型化发展。对于我国而言，我国的海上风电机组正处于大规模发展的过程中，其中4～6 MW级的风电机组仍为主流，8 MW左右的风电机组正处于大规模商业化发展的初级阶段。同时，在8 MW风电机组的应用中，通常应用到直驱式永磁风电机组与半直驱式风电机组，且这2类风电机组处于试验运行或规模化应用的过程中[2]。

1.3 输电方式的选择

输电方式与并网方案的合理选择能够有效提升海上风电系统的运行效率，对于交流输电方式、传统直流输电方式以及柔性直流输电方式而言，其在技术方面、应用的可靠性方面以及经济性方面均有所不同。如果输电的容量在400 MW以下，离岸距离在50 km以下，则选择交流输电方式；如果输电的容量在400 MW以上，离岸距离在50 km以上，则选择柔性直流输电方式；如果输电的容量在400 MW以下，而离岸距离在50 km以上，或输电的容量在400 MW以上，离岸距离在50 km以下，则要通过实地考察与计算，选用最佳输电方案。当风电场处于远海区域，规模较大的情况下，电力的传输距离与传输容量得到增加的同时，相较于其他输电方式，柔性直流输电方式具有较少的损耗，且海缆线路铺设结构相对简单，因此该技术可以作为远海区域风电输送的主要技术[3]。

1.4 换流器的选择

在海上风电项目中，海上换流站能够将风电场中收集的电能通过升压站进行升压操作，再进行集中换流。随着技术的发展，传统换流器中的晶闸管逐渐被可控硅电力电子器件所取代。其能够对桥臂中的各个开关进行控制，使得交流电与直流电之间能够互相转换。目前，基于柔性直流输电技术有多种形式的换流器可供选择，如二极管钳位三电平换流器、两电平换流器以及模块化多电平换流器等[4]。其中，二极管钳位三电平换流器具有较小的占地面积，换流时产生的损耗较小，且输出谐波的含量也相对较少，然而此种换流器消耗的资源较大，且无法简单调制脉宽，因此成本较高。2电平换流器也具有占地面积较小的优点，成本较低，且内部结构较为简单，但是不具有较强的稳定性，换流时的损耗较大，电压在输出时不具有较高的质量。模块化多电平换流器能够输出安全性强的优质电压，并且输出谐波的含量更低，然而该换流器仅能应用于距离短、容量少的场景中，且环流期间会产生较大的损耗。因此，选择换流器时要根据海上风电的实际情况[5]。

1.5 并网方案的选择

在柔性直流输电技术的应用场景下，主要的并网方案包括点对点输电并网、多馈入直流输电并网、多端直流输电并网以及多电压等级直流输电并网等。首先，关于点对点输电并网，其能够将单一电网或风电场群作为单位，进行集中式并网，并以两端点对点的方式，通过柔性直流输电技术将功率输送至陆地电网[6]。点对点输电并网方式主要应用于1 000 MW左右风场总装机容量的海上风电系统中，是国内外的主流并网方式。其次，关于多馈入直流输电并网，其应用于2 000 MW以上的更大规模的海上风电系统，由于其总额定功率大于单个柔性直流输电系统的额定容量，因此将风电场群进行拆分，并对各组风电场建立单独的柔性直流输电系统，从而保证输电的可靠性[7]。再次，由于陆地电网分布于各个区域，因此风电场群与陆地电网可以利用换流站与公共直流母线，实现多端直流输电并网，从而保证输电系统的稳定性。最后，多电压等级直流输电并网为实验性技术，其通过在直流电网中使用直流断路器与功率高、电压大的直流变换器，从而使直流输电端发生故障时实现有效隔离，并实现多层级电压的转换[8]。

2 柔性直流输电技术在海上风电的发展趋势

2.1 海上全直流风电场

在海上风电场中，直驱风电机组与半直驱风电机组的使用较为普遍，并且机组的全功率变流器大多使用2级电能变换方式。如果使用了直流耗能装置以及点对点、多馈入输电并网方式，则电能经过发电机输出后，需通过4级电能变化才能够输至陆上电网，导致海上风电的传输效率不高。因此，可以建设海上全直流风电场，利用串联升压型以及辐射型拓扑结构，提升电能的传输效率。其中，在串联升压拓扑结构方面，由整流装置与机组构成发电单元，并通过串联的方式将直流输出端进行连接，形成高压，使得功率得以传输。在辐射型拓扑结构方面，主要分为3种方案。首先，机端升压主要指风机的输出电压经过交流 /直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）转换后，分别通过自身的直 流 / 直 流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）变换器使电压得到升高，并通过高压直流线路将功率进行输出。其次，集中升压主要指的是所有的风机输出电压均通过AC/DC变换，于低压直流母线处汇入，并通过DC/DC变换器转换为直流高压电，进行大功率的电力传输。最后，2级升压主要指的是风机的输出电压分别进行AC/DC的转换，形成直流电压。之后，通过DC/DC变换器进行升压，并入中压直流母线，同时在其中设置高功率的DC/DC转换器，从而形成高压直流电，进而能够进行大功率的电力传输。海上全直流风电场结构简单、且不需要海上换流站，因此其成本较低。然而，由于最高位发电单元需要较高的耐受能力以应对直流对地电压，因此为了保障该技术在未来能够得到应用，需要开展风机的绝缘设计相关工作[9]。

2.2 模块化紧凑型海上换流站

为了能够进一步减少海上风电的度电成本，各大风电公司均设计了单机容量增加的风机，比较典型的有西门子Gamesa 10 MW机组、东方风电10 MW机组等，而风机单机容量的增加使得海上风电集电系统提高了其电压等级。目前，66 kV的集电系统已经得到了海上风电的广泛使用，其能够有效减少集电损耗，且无需大量的海上升压站，因此可以应用于深远海类型的风电项目。而在这类集电系统的加持下，模块化紧凑型海上换流站成为了发展趋势，其内部经过模块化划分，如交流设备模块、换流器模块以及连接变压器模块等，减小海上风电项目占据的平台面积，从而起到节省投资成本的作用。因此，未来模块化紧凑型海上换流站将替代原有的换流站设计，成为主流项目[10]。

3 结 论

本文主要在海底集电、离岸距离、装机容量、输电方式、换流器以及并网方案等方面分析了柔性直流输电技术在海上风电中的应用，与传统的输电方式不同，柔性直流输电技术能够用于深远海的风电系统中。随着海上风电朝着更深更远海域的逐渐发展，该技术将在未来成为主流技术发展趋势。同时，基于柔性直流输电技术，本文提出了多方面的展望，为我国海上风电事业的进一步发展提供新思路。