“海上風(fēng)電走向深遠海，海上輸電系統(tǒng)占到成本的比例也隨之增加，大規(guī)模海上風(fēng)能的高效匯集和經(jīng)濟送出，也是助力海上風(fēng)電平價的關(guān)鍵之一。
目前主流的海上風(fēng)電匯集送出技術(shù)主要有工頻交流輸電和柔性直流輸電兩種，柔性低頻交流輸電是我國原創(chuàng)突破的一種新型高效經(jīng)濟的交流輸電技術(shù)，是工頻交流與直流輸電的有益補充，可提升輸電能力、柔性控制與靈活組網(wǎng)。通過交交換流器與風(fēng)電機組的無功電壓協(xié)同優(yōu)化控制，可以進一步提升海纜利用率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。我國目前已經(jīng)對海風(fēng)柔性低頻典型方案和關(guān)鍵裝備開展了廣泛的研究和示范應(yīng)用，技術(shù)日漸成熟。面向未來大規(guī)模海上風(fēng)電開發(fā)送出需求，柔性低頻可多端/跨電壓組網(wǎng)送出，通道輸電利用率和送出系統(tǒng)可靠性更高，過載能力強、故障率低，在50-170km范圍內(nèi)更具有經(jīng)濟性?！?/p>
——國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院電力電子研究所柔性輸電裝備室主任 陸振綱
國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院電力電子研究所柔性輸電裝備室主任陸振綱
6月8-9日，由電力網(wǎng)、風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)主辦的“迎風(fēng)向海，邁入深藍——第三屆海上風(fēng)電創(chuàng)新發(fā)展大會”成功召開，國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院電力電子研究所柔性輸電裝備室主任 陸振綱在大會上分享了《海上風(fēng)電柔性低頻交流送出系統(tǒng)典型方案及無功電壓控制技術(shù)》。
發(fā)言整理如下：
國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司是國家四家電網(wǎng)公司直屬科研單位之一，國網(wǎng)前沿技術(shù)創(chuàng)新中心和先進裝備研發(fā)中心。承擔(dān)了“十四五”國家重點研發(fā)計劃“柔性低頻輸電關(guān)鍵技術(shù)”和國網(wǎng)幾乎全部低頻輸電項目。2022年初，中標德國BorWin6海風(fēng)柔直送出工程，這是我們國家柔直技術(shù)首次打入國際市場。
我今天的分享以下幾個方面：
海上風(fēng)電主要送出方式
隨著向深遠海走近之后，海上輸電系統(tǒng)占到成本的比例也會增加，所以我們認為大規(guī)模海上風(fēng)能的高效匯集和經(jīng)濟送出，也是助力海上風(fēng)電平價的關(guān)鍵之一。
現(xiàn)在主流的海上風(fēng)電匯集送出技術(shù)主要分兩種：
1.工頻交流輸電
技術(shù)成熟、成本低，是國內(nèi)外近海風(fēng)電場的主要送出方式，但是：
海纜對地電容相對較大，充電無功大，限制有功傳輸，隨著距離/容量提升，須配置無功補償；
隨著輸電距離/容量提升，可能出現(xiàn)兩端電流超出海纜允許載流量或線路中段電壓超限；
采用海上、岸上兩端無功補償時，輸電距離在150km內(nèi)，輸電功率受海纜線路載流約束，超出150km線路輸電功率受電壓超限約束；
隨著風(fēng)場容量增大，電壓等級提高，充電無功呈平方關(guān)系快速增加。
2.柔性直流輸電
柔性直流輸電是解決海上風(fēng)電遠距離公平送出的新技術(shù)方案之一，直流海纜造價低且無充電無功問題。
但是有兩個不足：
一是柔性直流海上換流平臺（尤其是深海平臺）造價昂貴。隨著水深增加，換流平臺造價快速上升；二是海上換流站元器件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、抗擾性差，其可靠性低于電磁元件，同時受海上可達到性差、臺風(fēng)等不利海況因素，運維成本高、難度大。
針對這些問題，我們近些年也在研究新型的輸電技術(shù)，如柔性低頻交流輸電。該技術(shù)是借助電力電子技術(shù)變換優(yōu)選低于50Hz頻率，以提升電網(wǎng)輸送容量和柔性調(diào)控能力，是一種新型高效經(jīng)濟的交流輸電技術(shù)。
其優(yōu)勢在于：線路阻抗小，線路壓降和充電功率小，電纜載流量高，可顯著提升輸電距離與容量；具備交流易多端跨電壓組網(wǎng)的優(yōu)勢，并且新能源可直接輸出低頻電能，無需海上換流站；采用電壓源型換流器，實現(xiàn)頻率變換同時，有功、無功可四象限運行，具備類似柔性直流輸電的柔性調(diào)控能力，如潮流靈活調(diào)節(jié)、無功補償、電壓動態(tài)支撐等。
在輸電能力與輸電距離上，采用20Hz的單回低頻海纜，200km內(nèi)220kV/330kV可送出300MW~650MW，500kV可送出1.2GW左右，滿足海風(fēng)單場送出需求。
柔性調(diào)控方面，柔性交交變頻器向工/低頻系統(tǒng)補償無功，進一步平抑系統(tǒng)無功和電壓波動；電壓調(diào)節(jié)功能，實現(xiàn)工頻/低頻電壓解耦，放寬線路電壓降約束；實現(xiàn)電網(wǎng)跨區(qū)異步互聯(lián)，解決功角穩(wěn)定問題，進一步提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。
而且，柔性低頻交流輸電技術(shù)具備交流系統(tǒng)交變過零的特點，可通過傳統(tǒng)的交流斷路器進行開斷；可通過電磁變壓器實現(xiàn)電壓等級變換及電氣隔離，具備交流靈活組網(wǎng)的優(yōu)勢。
重要的是，600-800MW內(nèi)采用220kV低頻輸電與±250kV/±400kV柔性直流輸電海纜線路數(shù)一致，由于直流海纜造價低于220kV交流海纜，兩者等價經(jīng)濟距離大于250km；800MW-1200MW內(nèi)，220kV低頻輸電須采用三回交流線路送出，±400kV柔性直流輸電則采用兩路直流線路，兩者等價經(jīng)濟距離為170km；采用330kV低頻送出等價距離可進一步提升。
未來大規(guī)模海風(fēng)開發(fā)的基礎(chǔ)上，柔性低頻送電在可靠性和經(jīng)濟性上更好。
海上風(fēng)電柔性低頻系統(tǒng)關(guān)鍵裝備及典型方案
海上風(fēng)電低頻輸電系統(tǒng)可利用風(fēng)機直接輸出低頻電能，通過匯集系統(tǒng)將低頻電能傳輸至海上平臺，并通過低頻變壓器升壓后經(jīng)海纜線路送出，最后通過陸上交交變頻站將低頻電能變換為工頻，匯入工頻電網(wǎng)。
低頻輸電關(guān)鍵裝備主要包括交交換流閥、輸電線路、變壓器、斷路器等，頻率會影響輸電設(shè)備的設(shè)計與制造，需要開展針對頻率變化的優(yōu)化設(shè)計與研發(fā)。
需要注意的是，新能源低頻并網(wǎng)是柔性低頻輸電系統(tǒng)在新能源匯集送出應(yīng)用的前提之一。海上風(fēng)電多采用直驅(qū)/半直驅(qū)型風(fēng)機，其均采用全功率換流，可對現(xiàn)有的風(fēng)電機組進行一定的改造或者重新設(shè)計。通過改變風(fēng)機換流器控制及濾波、取能回路，直接輸出低頻電能實現(xiàn)低頻并網(wǎng)，該操作不會對風(fēng)電機組的成本造成比較大的影響。
在我們對華東某800MW海上風(fēng)電示范工程做出的方案中，送出海纜約80km，規(guī)劃1座海上升壓站、1座陸上換頻站及配套送出工程。
工程擬采用20Hz柔性低頻匯集，經(jīng)單回或雙回海纜低頻送出，通過陸上20Hz/50Hz交交換流站，并入工頻500kV電網(wǎng)，通過這個工程，可以對大規(guī)模海洋風(fēng)電低頻送出系統(tǒng)和裝備進行整體的驗證。
柔性低頻輸電技術(shù)近期進展
柔性低頻輸電關(guān)鍵技術(shù)是“2021年國家重點研發(fā)計劃儲能與智能電網(wǎng)技術(shù)重點專項”內(nèi)項目，項目負責(zé)人是湯廣福院士。目前，項目技術(shù)進展主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
1.高壓大容量交交換器
針對主流的矩陣式模塊化多電平(M3C)交交換流器，國網(wǎng)智研院提出多層級模塊均壓、環(huán)流抑控制、缺橋臂運行及共模電壓注入等優(yōu)化設(shè)計及控制技術(shù)，可減少橋臂子模塊數(shù)13.4%，提高換流閥運行可靠性。聯(lián)合南瑞中電普瑞公司研制了容量330MVA的M3C裝備應(yīng)用于220kV杭州柔性低頻輸電工程。
針對M3C模塊數(shù)多、成本高、損耗大問題，智研院創(chuàng)新了基于半波變頻的新型交交換流器拓撲：一方面采用半波換流思想實現(xiàn)頻率變換，具備四象限運行能力；另一方面大幅減少模塊數(shù)及器件使用數(shù)量，對比M3C拓撲，開關(guān)器件數(shù)量減少30%以上，大幅降低換流器成本，是海上風(fēng)電低頻交流送出最具前景的拓撲。
2.低頻電氣設(shè)備
分別戰(zhàn)隊低頻斷路器和低頻變壓器進行優(yōu)化和研發(fā)。研制220kV低頻斷路器，經(jīng)測試分閘速度達到13.5m/s，分閘時間不大于8ms；研制220kV/330MVA低頻變壓器并在杭州工程應(yīng)用。
在浙江臺州大陳島柔性低頻聯(lián)網(wǎng)示范工程中，將大陳島上“新星風(fēng)電場”發(fā)出的低頻電能經(jīng)低頻海纜與陸上電網(wǎng)相連，顯著提升了海島風(fēng)電的外送能力、海纜供電能力，驗證了低頻風(fēng)機和海纜低頻運行等技術(shù)。
其它應(yīng)用場景分析中，一個典型的應(yīng)用是配合藏東南水光互補一體化電源基地大規(guī)模開發(fā)，在藏東南形成500kV低頻組網(wǎng)，匯集藏東南水電站及光伏場站，并與西藏電網(wǎng)異步互聯(lián)。較工頻組網(wǎng)方式，節(jié)省通道占用，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與支撐控制能力大幅提升，有力支撐大規(guī)模直流外送。
應(yīng)用進展
柔性低頻輸電通過降低輸電頻率，較工頻輸電大幅減小海纜充電功率，解決載流量受限問題；減小架空線阻抗，解決長線路靜穩(wěn)和電壓越限問題；具備電壓/潮流等柔性調(diào)節(jié)功能，彌補工頻輸電調(diào)節(jié)支撐能力不足。
柔性低頻輸電仍屬交流輸電，可電磁變壓、過零開斷，避免了直流組網(wǎng)下直流變壓和直流故障開斷的難題。
柔性低頻輸電是工頻交流與直流輸電的有益補充，是我國自主原始創(chuàng)新的新型輸電技術(shù)。在中/遠距離海上風(fēng)電、沙戈荒大型新能源基地組網(wǎng)送出，西北廣域弱電網(wǎng)互聯(lián)等場景中具有廣闊應(yīng)用前景。
未來，我們也希望能在海上構(gòu)建一個具備經(jīng)濟高效、靈活柔性、安全可靠等特征，與陸上主網(wǎng)多點互聯(lián)的海上柔性低交流頻輸電網(wǎng)，支撐大規(guī)模海上風(fēng)電組網(wǎng)送出、海島及海上生產(chǎn)平臺互聯(lián)供電；
在西北部沙戈荒大規(guī)模風(fēng)、光(水互補)基地建立可再生能源多基地柔性低頻送端廣域組網(wǎng)送出系統(tǒng)、廣域弱電網(wǎng)柔性低頻交流互聯(lián)系統(tǒng)等。
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