柔性直流電：打通遠海風(fēng)電發(fā)展的“通道”

■文｜《海洋與漁業(yè)》記者 廖靜

如何將海上風(fēng)電場的電能穩(wěn)定地送到千家萬戶？伴隨海上風(fēng)電發(fā)展迎來黃金期，如何輸送風(fēng)電場的電能也變得越來越重要。日前，由南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司（以下簡稱“南網(wǎng)科研院”）等企業(yè)承擔(dān)的遠海岸風(fēng)電送出技術(shù)及裝備研究獲得省級促進經(jīng)濟發(fā)展專項資金。該項目將解決海上換流站、直流海纜和電力系統(tǒng)的消納能力等關(guān)鍵點，打通遠海風(fēng)電發(fā)展的“通道”。

│現(xiàn)│狀│

國內(nèi)柔性直流技術(shù)世界領(lǐng)先海上風(fēng)電尚未運用

目前世界上已建成或在建的遠海岸風(fēng)電直流送出工程主要由 SIEMENS、ABB以及 ALSTOM三家巨頭壟斷，但是這并不意味著這個市場將長期或永遠被國外巨頭占領(lǐng)。南網(wǎng)科研院直流所集成室主任趙曉斌說，以陸上柔性直流輸電技術(shù)為例，在很長一段時間，世界上掌握柔性直流輸電的公司只有 ABB、西門子、阿爾斯通三家，它們壟斷了全球的柔性直流輸電技術(shù)市場。

與此同時，國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)于 2006年相繼啟動柔性直流輸電技術(shù)專項研究，在柔直領(lǐng)域積極與國內(nèi)多家設(shè)備廠商、科研機構(gòu)合作，以實現(xiàn)工程技術(shù)的國產(chǎn)化為目標(biāo)，打破了由國外公司的技術(shù)壟斷。2013年，世界首個多端柔直工程——南澳三端柔直工程成功投運，南方電網(wǎng)公司成為世界首個完全掌握多端柔性直流輸電成套設(shè)備設(shè)計、試驗、調(diào)試和運行全系列核心技術(shù)的企業(yè)，在中國乃至世界電力發(fā)展史上具有重要意義。

現(xiàn)在可以肯定地說，我國柔性直流技術(shù)已經(jīng)達到了世界領(lǐng)先水平。以換流閥為例，作為柔性直流輸電的心臟，是直流和交流相互轉(zhuǎn)換的橋梁，在柔性直流主設(shè)備中技術(shù)含量最高、挑戰(zhàn)最大。2017年南方電網(wǎng)公司成功研制出世界首個 ±800千伏特高壓柔性直流換流閥。如今，在柔性直流輸電領(lǐng)域的部分關(guān)鍵技術(shù)上，中國已經(jīng)完成了從落后到超越。

“在直流輸電技術(shù)研究領(lǐng)域，我們迅速完成了從學(xué)習(xí)、引進、吸收到實現(xiàn)工程技術(shù)的國產(chǎn)化和自主化的過程，目前已經(jīng)達到了世界領(lǐng)先水平。”趙曉斌說。

但目前國內(nèi)對于在深遠海區(qū)域海上風(fēng)電送出的研究基本處于空白地帶，直接制約我國深遠海風(fēng)電開發(fā)利用。為掌握深遠海區(qū)域建設(shè)海上風(fēng)電送出的關(guān)鍵技術(shù)、提升本省海上風(fēng)電及其送出產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)的領(lǐng)先地位，大力開展遠海岸海上風(fēng)電送出關(guān)鍵技術(shù)及裝備研究刻不容緩。

│出│路│

高壓直流輸電目前遠海輸送唯一方式

根據(jù)測算，距離海岸線越遠，風(fēng)速越大，發(fā)電量增加越明顯。據(jù)介紹，在發(fā)展深遠海風(fēng)電方面，歐洲走在了世界的前列，世界上首個著床式深海風(fēng)電場和首個漂浮式深海風(fēng)電場于 2010年分別在蘇格蘭和挪威建成運行。據(jù)初步統(tǒng)計，2016年歐洲已建成的海上風(fēng)電場的平均離岸距離為 43.5km，較 2015年有所增加。2017年 5月，在中國啟動的三峽新能源江蘇大豐 300MW（兆瓦）海上風(fēng)電項目場址中心距離海岸線約45km。

廣東省地處東南沿海地區(qū)，擁有豐富的風(fēng)能資源，據(jù)初步測算，海上風(fēng)電資源可支撐裝機約為 1.5億千瓦，其中遠海風(fēng)電資源占一半以上。從全球已建和在建的海上風(fēng)電場、國家及本省的相關(guān)政策規(guī)劃來看，海上風(fēng)力資源開發(fā)呈現(xiàn)走向深遠海的趨勢。目前廣東省已核準(zhǔn)的海上風(fēng)電項目主要是以離岸距離小于50km、裝機容量200～400MW為主的近海岸項目，但隨著技術(shù)的不斷進步和對風(fēng)能資源更高效利用的需求，預(yù)計不久后海上風(fēng)電將發(fā)展至遠海岸，在離岸距離和水深方面將有更大的突破，平均離岸距離有可能達100km，單個風(fēng)電場裝機容量達到500～1000MW。

趙曉斌說，避開已經(jīng)開發(fā)利用的海域和功能多敏感度高的海域，逐步向深海海域發(fā)展海上風(fēng)電，可避免風(fēng)電場大量集中在近海建設(shè)對海洋環(huán)境、城市規(guī)劃和交通航道的影響，促進海上風(fēng)電與其他產(chǎn)業(yè)的和諧共進發(fā)展。

海上風(fēng)電接入電網(wǎng)有兩種方式，分別是高壓交流輸電和高壓直流輸電，其中交流輸電方式適用于近海風(fēng)電的接入，一般輸電距離不超過 50km。據(jù)測算，當(dāng)海上風(fēng)電的離岸距離超過 70km，長距離交流電纜充電功率過大會引起電壓升高等問題，采用高壓交流輸電將不能滿足大容量、遠距離海上風(fēng)電輸送的需求。采用高壓直流輸電的方式具有不需要與陸上電網(wǎng)保持同步、輸送距離遠、運行調(diào)控靈活等優(yōu)點，目前是國際上大規(guī)模、遠海岸海上風(fēng)電送出的唯一方式。

│難│點│

遠海岸風(fēng)電送出是一項系統(tǒng)工程

“遠海岸風(fēng)電送出是一項系統(tǒng)工程，涉及風(fēng)電機組、海上換流站、直流海纜和電力系統(tǒng)的消納能力等各個方面。”趙曉斌表示。

國內(nèi)風(fēng)電廠商如華銳等已經(jīng)處于國際風(fēng)電整機廠商的第一梯隊中，目前已完成10MW級超大功率海上風(fēng)電機組的技術(shù)研發(fā)，以及海上風(fēng)電接入技術(shù)、海上與潮間帶施工成套技術(shù)、海上機組支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)等關(guān)鍵領(lǐng)域技術(shù)研究。但目前國內(nèi)海上風(fēng)電的運行時間較短，如何保證和提高可靠性是未來需要重點解決的問題。另一方面，國內(nèi)尚無遠海岸風(fēng)電安裝施工的經(jīng)驗，在海深較深的情況下確保安全快速的施工也可能構(gòu)成風(fēng)電開發(fā)的制約因素。

由于電纜的電容效應(yīng)引起的電壓等問題，交流接入電力系統(tǒng)的方案不適用于遠海岸的風(fēng)電接入，直流輸電方案是目前的唯一選擇。直流輸電技術(shù)在我國應(yīng)用很多，西電東送、疆電外送等遠距離、大容量的對外送出工程都主要采取直流送出方式。相比交流輸電方案，直流輸電方案中的換流閥等設(shè)備對于環(huán)境條件的要求更高，占地面積和重量等也更大，為了減小海上平臺的尺寸和造價，對于換流站內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備的比如換流閥的小型化設(shè)計要求更高，對于換流站內(nèi)設(shè)備的選型、電氣接線、結(jié)構(gòu)布置的要求也更高，以滿足可靠性、維護便利性等要求。

隨著南澳多端柔性直流示范工程、舟山和廈門柔性直流工程的建設(shè)，國內(nèi)電纜制造廠商已經(jīng)具備最高±320kV的交聯(lián)聚乙烯直流海纜的設(shè)計和制造能力，和國際一流的直流海纜供貨商處在同一水平上。如何增加海纜的輸送能力，以滿足更大容量海上風(fēng)電場的需求。由于風(fēng)電本身存在較大的波動性，如何選擇接入電網(wǎng)的方案，如何補償或平抑風(fēng)電波動性對于電網(wǎng)安全穩(wěn)定的影響，也是需要一個關(guān)鍵技術(shù)問題。他稱，南方電網(wǎng)公司已經(jīng)籌劃了一批風(fēng)電接入對電力系統(tǒng)的影響和解決措施相關(guān)的科技項目，以滿足未來大規(guī)模風(fēng)電接入的需要。

│破│局│

學(xué)習(xí)海外經(jīng)驗合作攻關(guān)

“當(dāng)前，要想突破海上平臺型柔性直流輸電核心技術(shù)被國際巨頭壟斷的局面，我們可以借鑒陸上柔性直流技術(shù)發(fā)展的成功經(jīng)驗?！痹撗芯吭宏愨o博士談到，首先要積極開展與國外先進技術(shù)企業(yè)的技術(shù)交流與合作。在發(fā)展自身技術(shù)的同時，還需時刻保持一顆謙虛的心向國外先進技術(shù)企業(yè)學(xué)習(xí)。我國在海上風(fēng)電直流送出這一領(lǐng)域已經(jīng)落后 SIEMENS、ABB等企業(yè)，若只是一味的低頭蠻干、固步自封，而不與這些壟斷企業(yè)進行技術(shù)交流，很難及時掌握到這一行業(yè)的新理論、新技術(shù)、新方法的發(fā)展，從而很難提升自身技術(shù)的發(fā)展。

她稱，從南澳三端直流的成功經(jīng)驗可以看出，通過實施重大技術(shù)攻關(guān)工程，可以很有效率地解決一批制約行業(yè)發(fā)展的共性及關(guān)鍵技術(shù)瓶頸問題；通過開展實際工程加大投入，有利于集中力量突破國外壟斷企業(yè)對關(guān)鍵技術(shù)的制約，掌握自主知識產(chǎn)權(quán)，實現(xiàn)核心技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備的項目研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化示范。

而加強與國內(nèi)設(shè)備廠家、科研機構(gòu)的合作也是其中的關(guān)鍵。她表示，我國柔性直流技術(shù)的發(fā)展史中，每一次突破每一次取得的成績都不是一家企業(yè)單獨完成的，只有各家企業(yè)通力合作發(fā)揮各自所長才能更加有效地促進我國在整個行業(yè)的發(fā)展。這次我們申請廣東省海洋與漁業(yè)廳的項目也是重視到這一點。我們科研院主要優(yōu)勢在于工程的成套設(shè)計、原理性策略研究、仿真建模技術(shù)等方面。而許繼集團在設(shè)備研制這一方面有著相當(dāng)豐富的經(jīng)驗。我們也是希望通過合作相互學(xué)習(xí)共同為我國海上風(fēng)電事業(yè)貢獻出一份力量?！彼步ㄗh，任何技術(shù)的發(fā)展都離不開科研人員的辛苦勞作?！耙龅郊夹g(shù)的制高點，不是靠人多或短期砸錢就可以快速獲得的。當(dāng)前需要的是要形成一種創(chuàng)新的科研環(huán)境，使得專業(yè)技術(shù)人員可以安下心來，通過長期的創(chuàng)新和技術(shù)積累占據(jù)技術(shù)的制高點，從而解決關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化問題?！?/p>

│展│望│

遠海岸風(fēng)電是下一個“藍海”

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展往往是由需求帶動的，遠海岸風(fēng)電直流送出技術(shù)也同樣如此。由于我國遠海岸風(fēng)電場的建設(shè)還處于起步階段，相較于歐洲我國目前所開發(fā)的風(fēng)電多集中于陸上或近海岸，因此對于風(fēng)電直流送出的需求還未集中爆發(fā)。而以德國為代表的歐洲國家在陸上和近海岸風(fēng)電開發(fā)完成后，已進入了遠海岸風(fēng)電大規(guī)模開采階段，帶動了遠海岸風(fēng)電高壓直流送出技術(shù)的快速發(fā)展，整體處于世界領(lǐng)先地位。

隨著我國對清潔綠色能源需求的快速提升，遠海岸風(fēng)電是可預(yù)計的下一個巨大“藍海”。兵馬未動糧草先行。“現(xiàn)在正是我們開展遠海岸風(fēng)電直流送出技術(shù)研究和裝備開發(fā)的最好時機，將補齊巨大需求來臨時的技術(shù)裝備短板，促進廣東省盡快占領(lǐng)遠海岸風(fēng)電開發(fā)建設(shè)的制高點?！标愨o說。

南網(wǎng)科研院承擔(dān)的遠海岸風(fēng)電送出關(guān)鍵技術(shù)及裝備研究項目，將解決遠海岸風(fēng)電采用直流的接入系統(tǒng)方案、海上平臺型柔性直流輸電換流站成套設(shè)計方案以及關(guān)鍵裝備設(shè)計制造等幾方面問題。

首先，針對不同規(guī)模和離岸條件下的風(fēng)電場，以及不同的風(fēng)電場分布情況，適合采用不同的接入電力系統(tǒng)方案，該項目將通過開展技術(shù)和經(jīng)濟兩方面對比分析，提出適合不同容量和分布狀況的的遠海岸風(fēng)電采用直流輸電送出的拓撲結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵參數(shù)選取方案，為直流工程匯集容量、輸電距離、電壓等級等基本參數(shù)選取提供充分依據(jù)。

另外，一個關(guān)鍵的問題就是遠海岸風(fēng)電送出需要在海上建設(shè)柔性直流換流站，而在遠海建設(shè)的獨立海上平臺與陸上相比環(huán)境惡劣、檢修維護不便、空間布局緊張，該將根據(jù)這些特點進行多專業(yè)的整體綜合設(shè)計，解決緊湊型換流站電氣接線、設(shè)備配置、設(shè)計布局等一系列問題，形成一整套技術(shù)經(jīng)濟性好的海上平臺型柔性直流換流站的成套設(shè)計方案和設(shè)備技術(shù)規(guī)范。

而控制保護系統(tǒng)作為直流輸電系統(tǒng)的核心組成部分，對整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行起著至為關(guān)鍵的作用。由于海上風(fēng)電具有一定隨機性與波動性，大規(guī)模接入后將會對現(xiàn)有電網(wǎng)的無功電壓調(diào)節(jié)、潮流控制、暫態(tài)穩(wěn)定控制、電能質(zhì)量等方面產(chǎn)生較大影響。該項目將結(jié)合風(fēng)電送出的特征以及相關(guān)特殊要求，充分發(fā)揮柔性直流平抑電壓波動，快速調(diào)節(jié)輸電功率的獨特優(yōu)勢，形成適用于遠海岸風(fēng)電送出的直流輸電控制保護方案，并建成用于直流控制保護系統(tǒng)研發(fā)與測試的仿真平臺，解決直流控制保護系統(tǒng)的設(shè)計與試驗驗證問題。

據(jù)透露，本項目將研發(fā)出適用于海上平臺復(fù)雜嚴(yán)酷環(huán)境的的緊湊型換流閥和控制保護設(shè)備樣機，掌握關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計和制造關(guān)鍵技術(shù)，并通過試驗驗證樣機性能。通過項目的實施，南方電網(wǎng)和廣東省將掌握遠海岸風(fēng)電直流送出的換流站成套設(shè)計和裝備關(guān)鍵技術(shù)，建立起具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)體系。