探討海上風電柔性直流輸電及變流器技術

馬果

（中廣核新能源華南分公司，廣東深圳 518000）

0 引言

海上風電柔性直流輸電及變流器技術是采用換流器與直流電纜實現(xiàn)電流與電壓的有效控制，能夠切實緩解城市用電負荷，替代以往的交直流聯(lián)網(wǎng)，滿足大容量電能和遠距離輸送的要求，具有良好的發(fā)展前景。為了確保相關技術得到高質(zhì)量運用，首先要深入分析變流器電路拓撲結構。

1 海上風電柔性直流輸電變流器的深入研究

1.1 電路拓撲結構

柔性直流輸電變流器是以雙極型晶體管與VS 裝置為構成基礎，通過采用脈沖寬度調(diào)制技術，調(diào)整電源系統(tǒng)的電壓、電量與頻率，其核心組件為設備兩端的換流器，能夠起到關斷系統(tǒng)的作用，圖1 即為變流器。而在設備的輸送端與接收端所采用的設備組件結構一致，可以有效控制電路開關的通斷，并在直流電壓之間迅速切換，以此產(chǎn)生符合應用需求的交流電壓。同時，變流器可借助濾波器完成電壓轉(zhuǎn)換，從高頻脈沖電壓提取出基波電壓，從而幫助檢測人員更好地確定電壓峰值與有效值。此外，由于變流器所使用的是脈沖寬度調(diào)制技術，能夠改變輸出電壓的相數(shù)與幅值，保證有效功與無效功獨立修正，進一步實現(xiàn)電壓隨系統(tǒng)變化而變化的控制目標。

圖1 變流器

1.2 應用領域

①應用于柔性直流輸電系統(tǒng)，變流器能夠進一步提升高壓直流輸電的經(jīng)濟容量，從以往的幾兆瓦延伸至幾百兆瓦，使輸電系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠距離的負荷供電，即使供電對象屬于小型孤立單位，也能保證電力的有效傳達，還可以使輸電系統(tǒng)有效整合分散電源，確?？刂品绞礁屿`活，具有良好的運行效果，能夠切實降低線路電壓驟變或閃變等不良狀況的發(fā)生，保障電能質(zhì)量。當前大容量的變流器核心技術已在國外海上風電場投入使用并取得成功，因此我國相關電力企業(yè)可積極借鑒成功案例，優(yōu)化技術應用方式，保證技術實施計劃的可靠性與可行性，并通過構建應用示范的方法，縮小國內(nèi)外的技術差距；②可作為交流輸電系統(tǒng)的變流器，進一步強化系統(tǒng)功率高、運行速度快、精準性強的特點，并通過改變輸電網(wǎng)相角、線路阻抗等參數(shù)完成輸電線路電壓的直接控制，以此減少系統(tǒng)網(wǎng)的損耗程度，節(jié)約發(fā)電成本，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2 海上風電柔性直流輸電技術分析

2.1 應用方法

海上風電柔性直流輸電技術應用過程為：將風電機組進行串聯(lián)排布，并分成多個獨立工作的小組，以此完成與海上高壓變電站的有效連接，之后要選用專業(yè)的冷卻變壓器，利用其抗干擾性強、密封性好、無須安裝防護外殼便可在潮濕環(huán)境下良好運行的特點，確保海上惡劣天氣不會影響輸電流程的正常運行，最后要采用高壓直流輸電聯(lián)網(wǎng)的方式，保證能源損耗降到最低，以此達到切實提高電力質(zhì)量的目的。以丹麥某海上風電場的柔性直流輸電技術運用為例，該地區(qū)與海岸相隔距離不超過30km，水深大約為10m，風電機組運行功率大多保持在15 萬kW 左右，為了保證海底敷設的主電網(wǎng)與電纜能夠有效并聯(lián)，減少捕魚工具、船錨等對其造成的影響，需要預先將電纜埋藏起來，避免在外力作用下產(chǎn)生破壞。若海底條件相對良好，也可采用高壓噴水的方式，使電纜投入海床，以此降低成本費用的支出，提高應用方法的經(jīng)濟性。此外，該海上風電場為了應對電壓等級相近的問題，配備35~150kV 的變電站平臺以及多種維修裝置，并在與陸地相連的位置設置150kV 的電壓等級。而對于海上風電場與主電網(wǎng)距離過遠的問題，則采用將高壓直流輸電系統(tǒng)的發(fā)電機進行集中并網(wǎng)和分散并網(wǎng)的方式進行解決，利用其穩(wěn)態(tài)分析功能，輔助風電機組完成運行方式與并網(wǎng)位置電壓的確定，同時還可以分析海上風電場的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化潮流，以此明確最佳的研究模型。針對海上風電場可能產(chǎn)生的電壓閃變、諧波等問題，則需以調(diào)節(jié)電壓的方式，切實提高電能的運行質(zhì)量。

根據(jù)以上案例分析可知，當前丹麥海上風電柔性直流輸電技術的應用相對成熟，應用方法較為全面，能夠有效保證電能的高效傳輸。我國相關海上風電場在借鑒參考的過程中要充分提取相關應用方法的精華與優(yōu)點，結合自身風力資源狀況、選擇適合的風力發(fā)電機組型號，依照當?shù)氐难b機容量以及與電網(wǎng)的間隔距離，制定合理、科學的應用方法，同時要切實遵守風電場接入電網(wǎng)技術的指導要求，全面考慮影響系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的外部因素，保證并網(wǎng)方式具有較高的投資回報率，避免資金的過度浪費。

2.2 應用方案

本文以上海市沿海地區(qū)的海上風電場為研究對象，確保直流輸電技術與并網(wǎng)技術能夠得到良好運用。據(jù)不完全統(tǒng)計，上海地區(qū)沿海區(qū)域內(nèi)40m 高處具備的平均風速為5.5m/s，其每年累計的有效風力時間超過7000h，具有非常豐富的風能資源。上海電網(wǎng)作為整個華東電網(wǎng)關鍵的負荷中心，其具有較大的負荷密度，同時對電網(wǎng)運行的安全性和穩(wěn)定性提出較高的要求。因此上海電網(wǎng)中大多數(shù)重要負荷比較關注電流中產(chǎn)生的諧波，對電壓的波動與閃變較為敏感，要求電能擁有較高質(zhì)量。根據(jù)上海地區(qū)沿海區(qū)域和海上風場擁有的風能情況，結合其電網(wǎng)結構，分析區(qū)域內(nèi)電力負荷的分布情況，提出以下電氣方案。為了確保風能得到最高效的利用，從性價比的角度出發(fā)，所有方案都選取3MW 級別的變速恒頻雙饋類型的風力發(fā)電機組。

2.2.1 交流并網(wǎng)

由變速恒頻類型的雙饋式風力發(fā)電機送出的交流電都需要變壓器對其實施升壓操作，升壓完成后使用海底交流電的電纜將其輸送至風電場內(nèi)，電流將會在升壓變電站中的母線上再次進行升壓，升壓完成后再由交流電纜輸送至陸地上的公共電網(wǎng)。海底的交流電纜需要較大充電電容，在其處于低負荷時很容易造成高電壓，過高電壓對風電場具有一定危害，為了避免風電場受到高壓影響，需要在變電站周圍設置SVC，當電纜正常工作時SVC 能夠吸收過剩無功功率，為緊急情況下提供無功支持作儲備。靜止無功補償器可以對無功功率進行靈活的調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)方式為控制相應的晶閘管導通或進行關斷，從而便于投切電抗器以及電容器。靜止無功補償器適用于新能源風力發(fā)電網(wǎng)，其最大的優(yōu)勢是具備高度的靈活性，靜止無功補償?shù)脑O備能夠靈活地調(diào)節(jié)電壓與無功功率，一般該設備主要用于交流輸電的裝置之中，其目的是進一步穩(wěn)定新能源電力系統(tǒng)的運行，提高新能源的輸電能力。除此之外，由靜止無功補償?shù)南嚓P設備調(diào)節(jié)出的無功功率能夠有效減小新能源電力系統(tǒng)中低頻振蕩帶來的阻力，對新能源電力系統(tǒng)靜態(tài)下的穩(wěn)定性的提高起到巨大的作用。靜止無功補償?shù)南嚓P裝置一般分為兩大類：①電磁型；②晶閘管控制型。然而SVC 能夠補償?shù)娜萘渴艿诫妷核降挠绊?，端電壓越低，其輸出的無功功率越小。因此，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，SVC 對于風電機組產(chǎn)生的幫助有限。該方案的設計優(yōu)勢在于電氣結構相對簡單，且輕型高壓直流輸電設備有效防止了輸電走廊的形成，避免電源分散接入，并且電壓調(diào)節(jié)能力較為靈活，打破以往短路容量對風電場容量的限制，也切實改善系統(tǒng)的運行狀況，使電能質(zhì)量得到大幅提升，即使海上風電場與陸地間隔距離較大，也能通過較長的海底電纜實現(xiàn)主網(wǎng)并網(wǎng)，保證電能的安全傳輸。

2.2.2 分散控制并網(wǎng)

風力發(fā)電機在運行過程中產(chǎn)生的交流電在經(jīng)過變壓器調(diào)節(jié)后，會在各自的電壓源換流器中轉(zhuǎn)化為直流電，之后經(jīng)高壓直流輸電海底電纜傳遞到直流母線上，并最終傳送至陸地上的換流站中，再經(jīng)過換流器轉(zhuǎn)換為交流電抵達公共電網(wǎng)，形成多段輸電網(wǎng)絡，圖2 即為換流站。分散控制并網(wǎng)的特點在于風電機組運行時產(chǎn)生的有功功率和無功功率能夠分別在換流裝置中完成獨立性控制，不會產(chǎn)生互相干擾與影響，造成計量誤差，使相應設備在電氣結構相對復雜的環(huán)境中，也能保證良好的運行，確保轉(zhuǎn)速符合相應標準要求。

圖2 換流站

3 結論

綜上所述，通過對海上風電柔性直流輸電以及變流器技術進行分析，闡述設備的電路結構以及應用領域，并提出輸電技術的具體應用方法和設計方案，以此為相關企業(yè)提供切實可行的參考數(shù)據(jù)，提高技術的運用效率，滿足人們?nèi)找嫔蠞q的用電需求，加強提高線路的供電質(zhì)量，保證輸電技術應用方案具有良好的可行性與可靠性，能夠有效解決海上惡劣天氣對發(fā)電過程造成的影響。