1 海上風(fēng)電向深遠海發(fā)展
從海上風(fēng)電技術(shù)的當前發(fā)展趨勢來看，為了獲取更多的風(fēng)能，海上風(fēng)電平臺有單個項目裝機量越來越大，離岸距離也由近及遠的趨勢發(fā)展。以德國、英國為代表的海上風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)先國家已經(jīng)率先布局深遠海風(fēng)電。
德國目前在運的400 MW大容量風(fēng)電場離岸距離均在100 km左右;2017年投運的Sandbank風(fēng)電場裝機288 MW，最遠離岸距離達到123 km;已經(jīng)核建的EnBW He Dreiht海上風(fēng)電場計劃裝機900 MW，離岸距離103.6 km。英國已核準風(fēng)電場Dogger Bank，其裝機容量將達到4800 MW，離岸距離為131~290 km。
圖1 海上風(fēng)電平均水深和離岸距離預(yù)測
中國海岸線長，可利用海域面積廣，海上風(fēng)力資源儲備豐富。風(fēng)能資源普查結(jié)果顯示，中國5~25 m水深、50 m高度海上風(fēng)電開發(fā)潛力約2億 kW，5~50 m水深、100 m高度海上風(fēng)電開發(fā)潛力約5億 kW。因此，考慮資源潛力、消納能力以及近海海域用地日益緊張等因素，深遠海風(fēng)電將成為未來海上風(fēng)電發(fā)展的重要方向。
2 傳輸容量越來越大
目前，我國海上風(fēng)機容量主要以3~4MW風(fēng)電機組為主。6MW機組也已經(jīng)有實際應(yīng)用。我國也正朝著研制大功率海上風(fēng)機方向邁進。突破8 MW及以上高可靠性海上風(fēng)機的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)被列入中國電機工程學(xué)會編制的《“十三五”電力科技重大技術(shù)方向研究報告》。如上海電氣、南車株洲電力、明陽風(fēng)電、東方電氣在內(nèi)的多家整機廠商引也都在全力研制大型海上風(fēng)電機組。7月12日，由東方電氣集團和中國三峽集團聯(lián)合開發(fā)的我國首臺10兆瓦海上風(fēng)電機組在福建興化灣二期海上風(fēng)電場成功并網(wǎng)發(fā)電，這是目前我國自主研發(fā)并投入運行的單機容量亞太最大、全球第二大的海上風(fēng)電機組，刷新了我國海上風(fēng)電機組單機容量新紀錄。海上風(fēng)機平均單機容量呈逐年上升的態(tài)勢。
二 全直流海上風(fēng)電系統(tǒng)代表未來發(fā)展趨勢
伴隨著離岸距離越來越長，傳統(tǒng)交流輸電因為就近的接入電網(wǎng)主要是低壓配電網(wǎng)，這樣的輸電系統(tǒng)R/X比值較大、短路容量較低;而使用HVAC并網(wǎng)方式需要接入電網(wǎng)的短路容量比較大，進一步制約了海上風(fēng)電場的并網(wǎng)容量。此外，HVAC并網(wǎng)方式也意味著風(fēng)電場和所接入的陸上交流系統(tǒng)必須保持同步，無論是風(fēng)電場側(cè)，還是系統(tǒng)側(cè)發(fā)生故障都會直接影響到另一側(cè)。隨著離岸距離的增加，HVAC并網(wǎng)方式的經(jīng)濟性和可靠性會降低，使其在遠距離大容量海上風(fēng)電場并網(wǎng)中的應(yīng)用非常有限。
因此，基于柔性直流的海上風(fēng)電輸送系統(tǒng)將成為未來海上風(fēng)電發(fā)展的主要技術(shù)路線，其典型拓撲結(jié)構(gòu)如下圖2所示。
圖2 海上風(fēng)電集中換流平臺柔性直流輸電方式
鑒于現(xiàn)有海上風(fēng)電場中存在的問題，以及柔性直流技術(shù)的不斷發(fā)展，不僅使用直流技術(shù)進行風(fēng)電場電能的輸送和并網(wǎng)，在風(fēng)電場內(nèi)部也使用直流技術(shù)匯集電能的全直流海上風(fēng)電場成為近年來的研究熱點。使用直流技術(shù)匯集電能可以有效簡化海上風(fēng)電場從發(fā)電到并網(wǎng)的整個過程，避免對電能進行多次的整流、逆變和升壓，從而減少系統(tǒng)投資、降低損耗;更為重要的是，全直流海上風(fēng)電場采用了高頻變壓器和電力電子設(shè)備等，能夠減輕海上平臺載荷，降低建設(shè)維護成本。海上風(fēng)電場采用直流匯集時，可通過使用重量更輕、功率密度更高的DC/DC變換器進行升壓。此外，全直流海上風(fēng)電系統(tǒng)采用壓源型換流站，能夠保持友好并網(wǎng)的性能，獨立控制與電網(wǎng)交換的有功和無功功率，還可以保證良好的電能質(zhì)量?？梢姡绷骱Ｉ巷L(fēng)電場在設(shè)備的體積和重量、系統(tǒng)損耗、并網(wǎng)友好性、建設(shè)成本等方面均優(yōu)于現(xiàn)有的海上交流風(fēng)電場。
面向我國高效、低成本、大規(guī)模開發(fā)海上風(fēng)能資源的巨大需求，適應(yīng)海上風(fēng)電傳輸容量越來越大、傳輸距離越來越遠的發(fā)展趨勢，風(fēng)電場能量匯集和輸送都采用直流的全直流海上風(fēng)電系統(tǒng)具有重大技術(shù)創(chuàng)新導(dǎo)向。
三 海上風(fēng)電全直流組網(wǎng)方式
目前直流海上風(fēng)電場拓撲根據(jù)其升高直流電壓的方式大體可以分為三類，即非直流升壓方式、通過風(fēng)力發(fā)電機的串聯(lián)連接升高直流電壓的方式和通過DC/DC變換器升高直流電壓的方式。其中，海上風(fēng)電DC/DC升壓型匯集與輸送系統(tǒng)即為全直流海上風(fēng)電系統(tǒng)。
由于現(xiàn)有風(fēng)電機組出口電壓都比較低(690V)，經(jīng)PWM整流后一般不會超過2 kV。如果在這個電壓等級下進行直流連接并網(wǎng)，電纜損耗勢必會比較大，直接影響傳輸效率，所以需要用DC/DC變換器將機組側(cè)整流器的電壓升高到風(fēng)電場內(nèi)部直流電網(wǎng)的電壓水平。按照DC/DC變換器的數(shù)量及其在風(fēng)電場中的位置，全直流海上風(fēng)系統(tǒng)大致可以分為三類：兩級升壓結(jié)構(gòu)、集中升壓結(jié)構(gòu)和機端升壓結(jié)構(gòu)。
1 兩級升壓結(jié)構(gòu)
圖3為兩級升壓型全直流海上風(fēng)電場，由風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的電能整流后先進行一次升壓，然后經(jīng)中壓直流電網(wǎng)匯集到海上換流站后進行二次升壓，最后通過高壓直流輸電線路輸送至岸上交流系統(tǒng)。
圖3 基于兩級升壓結(jié)構(gòu)的全直流海上風(fēng)電系統(tǒng)
這種結(jié)構(gòu)下，風(fēng)電場內(nèi)部用直流電纜取代交流電纜;此外，由于風(fēng)機側(cè)直接接入DC變換器，不僅使得風(fēng)場內(nèi)的電纜損耗減少，且在得到更低損耗、更大傳輸容量、更省材料的優(yōu)勢的同時，也解決了原有的風(fēng)場內(nèi)部無功電壓問題。全直流型風(fēng)電場采用高功率密度的電力電子變換器，可省去笨重的工頻變壓器及多余的變電環(huán)節(jié)，降低海上平臺的載荷。這種方式也代表了未來大型海上風(fēng)電場匯流及遠距離傳輸并網(wǎng)的發(fā)展趨勢。但是在實際工程中的應(yīng)用仍有待于高效率和高功率密度的高壓大容量DC/DC變換器技術(shù)發(fā)展到成熟程度(雖然該拓撲在電能匯集過程中的能量損耗比較小，但由于需要進行二次升壓，DC/DC變換器的投資比較大，由升壓過程引起的能量損耗也比較大;附加的變換器并不會大幅改善功率因數(shù)，相反提高了控制的難度)。
2 集中升壓結(jié)構(gòu)
圖4為集中升壓型全直流海上風(fēng)電場，由風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的電能整流后經(jīng)低壓直流電網(wǎng)匯集到海上換流站，然后通過一次升壓直接升至高壓。
圖4 基于集中升壓型結(jié)構(gòu)的全直流海上風(fēng)電系統(tǒng)
這種采用單臺DC升壓器的風(fēng)電場直流并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，可以有效避免因配置多臺DC變換器導(dǎo)致的環(huán)流發(fā)生;同時，風(fēng)機發(fā)出的功率經(jīng)機側(cè)VSC后，很有可能因為變換電平數(shù)不夠，導(dǎo)致基波分量比重小而產(chǎn)生諧波，無法排除所有耦合量，實現(xiàn)完全單位功率因數(shù)運行，此時就可以在集中升壓時通過對DC/DC變換器的控制，再次進行濾波，提高電能質(zhì)量。此外，該拓撲在DC/DC變換器上的投資較小，由升壓過程引起的能量損耗也相對較小，靈活性強，機組整流環(huán)節(jié)耦合性低，易于控制。這種拓撲還具有站間通信少，組成單元之間獨立性強，可根據(jù)控制自由開斷，便于檢修的優(yōu)點。然而，由于目前風(fēng)力發(fā)電機機端線電壓最高只有5 kV，因此低壓直流電網(wǎng)的電壓也比較低，從而導(dǎo)致電能匯集過程中的能量損耗比較大。
3 機端升壓結(jié)構(gòu)
圖5為機端升壓型海上直流風(fēng)電場，由風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的電能整流后通過一次升壓直接升至高壓，然后匯集到一起通過高壓直流輸電線路傳輸?shù)桨渡稀?/p>
該拓撲不僅在DC/DC變換器上的投資較小，而且由于是在風(fēng)力發(fā)電機出口處直接進行升壓，電能匯集過程中的能量損耗也較小，此外機側(cè)電壓功率控制相對獨。但是大量的DC/DC變換器直接連接在機側(cè)整流器上，使得控制參數(shù)及耦合量變多，增加了機側(cè)整體換流環(huán)節(jié)的控制復(fù)雜程度。此外，大量DC/DC變換器的安裝，會增大風(fēng)電場機側(cè)的建設(shè)難度。
圖5 基于機端升壓結(jié)構(gòu)的全直流海上風(fēng)電系統(tǒng)
綜上，機端升壓結(jié)構(gòu)無論是對岸能量輸送還是風(fēng)電場內(nèi)部能量匯集均采用高壓直流輸電線路，因而線路損耗較小;集中升壓結(jié)構(gòu)僅需要一臺直流變壓器(或一個海上換流平臺)，因而其不僅投資較小，而且升壓過程中引起的能量損耗也相對較小;兩級升壓結(jié)構(gòu)不僅需要對每臺風(fēng)力機配置相應(yīng)的直流變壓器，而且需要建設(shè)公用的海上換流平臺完成能量匯集與集中升壓，因而該方案下直流變壓器的投資以及系統(tǒng)的能量損耗相對較大。但值得注意是，無論是機端升壓結(jié)構(gòu)還是集中升壓結(jié)構(gòu)，其對于直流變壓器的變比要求均達幾十倍，在這樣的高壓大功率場合中，如此高的電壓變比使得直流變壓器的設(shè)計相當困難;而在兩級升壓結(jié)構(gòu)中，每級直流變壓器的變比可控制在十以內(nèi)，因而從變比的角度而言，兩級升壓組網(wǎng)方式更易于工程實現(xiàn)。
下表從損耗、效率、投資成本、功率需求、變比要求、工程實現(xiàn)難易程度的角度對于全直流海上風(fēng)電場組網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行了對比和總結(jié)。
表1 全直流海上風(fēng)電場組網(wǎng)結(jié)構(gòu)特性比較
四 技術(shù)趨勢與研究方向展望
從裝置層面看，全直流型風(fēng)電場中的關(guān)鍵變換器均工作在高電壓、大功率的環(huán)境下，采用 MMC技術(shù)是必然的選擇，同時大功率 DC/DC 的實現(xiàn)也依賴于中頻變壓器的技術(shù)突破。
從控制層面看，大規(guī)模海上風(fēng)電的接入對交流主網(wǎng)的穩(wěn)定運行帶來諸多挑戰(zhàn)。主要體現(xiàn)在減小了電網(wǎng)的慣量，對電網(wǎng)頻率變化無阻尼，無法為電網(wǎng)提供必要的頻率支撐等。因此需要研究大型海上直流型風(fēng)電場的電網(wǎng)友好并網(wǎng)機制與控制策略，為海上風(fēng)場的運行控制提供理論依據(jù)。
從保護層面看，考慮到直流斷路器的損耗和成本，研究新型可隔離直流故障的變換器技術(shù)，探索通過直流型風(fēng)電場 中電力電子變換器的快速動作去實現(xiàn)直流故障的隔離意義重大。
隨著海上風(fēng)機的大型化發(fā)展、風(fēng)場區(qū)域的不斷擴大及柔性直流輸電技術(shù)的進步，全部采用直流匯集和傳輸電力的全直流型海上風(fēng)電場呼之欲出。全直流風(fēng)場的規(guī)模將達到 400～1000MW、采用30～60kV的匯流電壓和±320kV左右的輸電電壓。組建全直流風(fēng)電場要解決的基礎(chǔ)問題涉及到：風(fēng)電場的組網(wǎng)方式、風(fēng)電機組電力的直流變換與控制、直流升壓變換與海上直流升壓站的控制、岸上換流站的并網(wǎng)控制、直流風(fēng)場的故障隔離與保護等。這些問題將是未來全直流海上風(fēng)電的研究熱點。
由于MMC具有高壓、高效、靈活的特點，基于該電路拓撲可以解決直流升壓問題，高變比直流升壓問題的有效解決使得海上升壓站采用直流并聯(lián)能量匯聚方式的優(yōu)越性凸現(xiàn)，這樣海上升壓站的技術(shù)關(guān)鍵就凝聚到單入單出、高變比DC/DC上。另外，大規(guī)模海上風(fēng)電的集中并網(wǎng)給電網(wǎng)造成大的沖擊、影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，而直流風(fēng)場經(jīng)岸上換流站這一大型逆變器并網(wǎng)，為實施風(fēng)電場友好并網(wǎng)控制創(chuàng)造了條件，目前的控制策略使風(fēng)場對電網(wǎng)體現(xiàn)為電流源性質(zhì)，無法為 電網(wǎng)提供慣量和阻尼，需要研究風(fēng)電場的電壓源型控制方法。
以400～1000MW的海上風(fēng)場為背景，需重點研究的發(fā)展方向包括 ：1)風(fēng)電機組電力的高效直流電力變換與控制;2)海上升壓站用高變比直流升壓變換與控制;3)全直流風(fēng)場的 電網(wǎng)友好并網(wǎng)機制與控制策略。解決上述關(guān)鍵技術(shù)問題，將會對大型海上全直流風(fēng)電場在未來的工程實現(xiàn)產(chǎn)生巨大的推動作用。適時開展針對深遠海全直流型風(fēng)電場的研究，具有現(xiàn)實的理論意義和應(yīng)用價值。
