“海上風電走向深遠海，海上輸電系統(tǒng)占到成本的比例也隨之增加，大規(guī)模海上風能的高效匯集和經(jīng)濟送出，也是助力海上風電平價的關鍵之一。
目前主流的海上風電匯集送出技術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，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)對海風柔性低頻典型方案和關鍵裝備開展了廣泛的研究和示范應用，技術日漸成熟。面向未來大規(guī)模海上風電開發(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。”
——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)、風力發(fā)電網(wǎng)主辦的“迎風向海，邁入深藍——第三屆海上風電創(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》。
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)前沿技術創(chuàng)新中心和先進裝備研發(fā)中心。承擔了“十四五”國家重點研發(fā)計劃“柔性低頻輸電關鍵技術”和國網(wǎng)幾乎全部低頻輸電項目。2022年初，中標德國BorWin6海風柔直送出工程，這是我們國家柔直技術首次打入國際市場。
我今天的分享以下幾個方面：
海上風電主要送出方式
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)模海上風能的高效匯集和經(jīng)濟送出，也是助力海上風電平價的關鍵之一。
現(xiàn)在主流的海上風電匯集送出技術主要分兩種：
1.工頻交流輸電
技術成熟、成本低，是國內(nèi)外近海風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；
隨著風場容量增大，電壓等級提高，充電無功呈平方關系快速增加。
2.柔性直流輸電
柔性直流輸電是解決海上風電遠距離公平送出的新技術方案之一，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、結構復雜、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，如柔性低頻交流輸電。該技術是借助電力電子技術變換優(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。
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)模海風開發(fā)的基礎上，柔性低頻送電在可靠性和經(jīng)濟性上更好。
海上風電柔性低頻系統(tǒng)關鍵裝備及典型方案
海上風電低頻輸電系統(tǒng)可利用風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，頻率會影響輸電設備的設計與制造，需要開展針對頻率變化的優(yōu)化設計與研發(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用的前提之一。海上風電多采用直驅/半直驅型風機，其均采用全功率換流，可對現(xiàn)有的風電機組進行一定的改造或者重新設計。通過改變風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。
柔性低頻輸電技術近期進展
柔性低頻輸電關鍵技術是“2021年國家重點研發(fā)計劃儲能與智能電網(wǎng)技術重點專項”內(nèi)項目，項目負責人是湯廣福院士。目前，項目技術進展主要體現(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)化設計及控制技術，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，開關器件數(shù)量減少30%以上，大幅降低換流器成本，是海上風電低頻交流送出最具前景的拓撲。
2.低頻電氣設備
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，顯著提升了海島風電的外送能力、海纜供電能力，驗證了低頻風機和海纜低頻運行等技術。
其它應用場景分析中，一個典型的應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)結構與支撐控制能力大幅提升，有力支撐大規(guī)模直流外送。
應用進展
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。在中/遠距離海上風電、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用前景。
未來，我們也希望能在海上構建一個具備經(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、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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