柔性直流電：打通遠海風電發展的“通道”
2018-01-18 20:15:56海洋與漁業廖靜
海洋與漁業 2018年5期
■文｜《海洋與漁業》記者 廖靜
如何將海上風電場的電能穩定地送到千家萬戶？伴隨海上風電發展迎來黃金期，如何輸送風電場的電能也變得越來越重要。日前，由南方電網科學研究院有限責任公司（以下簡稱“南網科研院”）等企業承擔的遠海岸風電送出技術及裝備研究獲得省級促進經濟發展專項資金。該項目將解決海上換流站、直流海纜和電力系統的消納能力等關鍵點，打通遠海風電發展的“通道”。
│現│狀│
國內柔性直流技術世界領先海上風電尚未運用
目前世界上已建成或在建的遠海岸風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。南網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市場。
與此同時，國家電網、南方電網于 2006年相繼啟動柔性直流輸電技術專項研究，在柔直領域積極與國內多家設備廠商、科研機構合作，以實現工程技術的國產化為目標，打破了由國外公司的技術壟斷。2013年，世界首個多端柔直工程——南澳三端柔直工程成功投運，南方電網公司成為世界首個完全掌握多端柔性直流輸電成套設備設計、試驗、調試和運行全系列核心技術的企業，在中國乃至世界電力發展史上具有重要意義。
現在可以肯定地說，我國柔性直流技術已經達到了世界領先水平。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換的橋梁，在柔性直流主設備中技術含量最高、挑戰最大。2017年南方電網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，在柔性直流輸電領域的部分關鍵技術上，中國已經完成了從落后到超越。
“在直流輸電技術研究領域，我們迅速完成了從學習、引進、吸收到實現工程技術的國產化和自主化的過程，目前已經達到了世界領先水平?！壁w曉斌說。
但目前國內對于在深遠海區域海上風電送出的研究基本處于空白地帶，直接制約我國深遠海風電開發利用。為掌握深遠海區域建設海上風電送出的關鍵技術、提升本省海上風電及其送出產業在國內的領先地位，大力開展遠海岸海上風電送出關鍵技術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
根據測算，距離海岸線越遠，風速越大，發電量增加越明顯。據介紹，在發展深遠海風電方面，歐洲走在了世界的前列，世界上首個著床式深海風電場和首個漂浮式深海風電場于 2010年分別在蘇格蘭和挪威建成運行。據初步統計，2016年歐洲已建成的海上風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，擁有豐富的風能資源，據初步測算，海上風電資源可支撐裝機約為 1.5億千瓦，其中遠海風電資源占一半以上。從全球已建和在建的海上風電場、國家及本省的相關政策規劃來看，海上風力資源開發呈現走向深遠海的趨勢。目前廣東省已核準的海上風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，但隨著技術的不斷進步和對風能資源更高效利用的需求，預計不久后海上風電將發展至遠海岸，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，單個風電場裝機容量達到500～1000MW。
趙曉斌說，避開已經開發利用的海域和功能多敏感度高的海域，逐步向深海海域發展海上風電，可避免風電場大量集中在近海建設對海洋環境、城市規劃和交通航道的影響，促進海上風電與其他產業的和諧共進發展。
海上風電接入電網有兩種方式，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電的接入，一般輸電距離不超過 50km。據測算，當海上風電的離岸距離超過 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保持同步、輸送距離遠、運行調控靈活等優點，目前是國際上大規模、遠海岸海上風電送出的唯一方式。
│難│點│
遠海岸風電送出是一項系統工程
“遠海岸風電送出是一項系統工程，涉及風電機組、海上換流站、直流海纜和電力系統的消納能力等各個方面?！壁w曉斌表示。
國內風電廠商如華銳等已經處于國際風電整機廠商的第一梯隊中，目前已完成10MW級超大功率海上風電機組的技術研發，以及海上風電接入技術、海上與潮間帶施工成套技術、海上機組支撐結構設計技術等關鍵領域技術研究。但目前國內海上風電的運行時間較短，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，國內尚無遠海岸風電安裝施工的經驗，在海深較深的情況下確保安全快速的施工也可能構成風電開發的制約因素。
由于電纜的電容效應引起的電壓等問題，交流接入電力系統的方案不適用于遠海岸的風電接入，直流輸電方案是目前的唯一選擇。直流輸電技術在我國應用很多，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備對于環境條件的要求更高，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，對于換流站內關鍵設備的比如換流閥的小型化設計要求更高，對于換流站內設備的選型、電氣接線、結構布置的要求也更高，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，國內電纜制造廠商已經具備最高±320kV的交聯聚乙烯直流海纜的設計和制造能力，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電場的需求。由于風電本身存在較大的波動性，如何選擇接入電網的方案，如何補償或平抑風電波動性對于電網安全穩定的影響，也是需要一個關鍵技術問題。他稱，南方電網公司已經籌劃了一批風電接入對電力系統的影響和解決措施相關的科技項目，以滿足未來大規模風電接入的需要。
│破│局│
學習海外經驗合作攻關
“當前，要想突破海上平臺型柔性直流輸電核心技術被國際巨頭壟斷的局面，我們可以借鑒陸上柔性直流技術發展的成功經驗。”該研究院陳怡靜博士談到，首先要積極開展與國外先進技術企業的技術交流與合作。在發展自身技術的同時，還需時刻保持一顆謙虛的心向國外先進技術企業學習。我國在海上風電直流送出這一領域已經落后 SIEMENS、ABB等企業，若只是一味的低頭蠻干、固步自封，而不與這些壟斷企業進行技術交流，很難及時掌握到這一行業的新理論、新技術、新方法的發展，從而很難提升自身技術的發展。
她稱，從南澳三端直流的成功經驗可以看出，通過實施重大技術攻關工程，可以很有效率地解決一批制約行業發展的共性及關鍵技術瓶頸問題；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對關鍵技術的制約，掌握自主知識產權，實現核心技術、關鍵設備的項目研發與產業化示范。
而加強與國內設備廠家、科研機構的合作也是其中的關鍵。她表示，我國柔性直流技術的發展史中，每一次突破每一次取得的成績都不是一家企業單獨完成的，只有各家企業通力合作發揮各自所長才能更加有效地促進我國在整個行業的發展。這次我們申請廣東省海洋與漁業廳的項目也是重視到這一點。我們科研院主要優勢在于工程的成套設計、原理性策略研究、仿真建模技術等方面。而許繼集團在設備研制這一方面有著相當豐富的經驗。我們也是希望通過合作相互學習共同為我國海上風電事業貢獻出一份力量?！彼步ㄗh，任何技術的發展都離不開科研人員的辛苦勞作?！耙龅郊夹g的制高點，不是靠人多或短期砸錢就可以快速獲得的。當前需要的是要形成一種創新的科研環境，使得專業技術人員可以安下心來，通過長期的創新和技術積累占據技術的制高點，從而解決關鍵設備的國產化問題?！?/p>
│展│望│
遠海岸風電是下一個“藍?！?/h3>
科學技術的發展往往是由需求帶動的，遠海岸風電直流送出技術也同樣如此。由于我國遠海岸風電場的建設還處于起步階段，相較于歐洲我國目前所開發的風電多集中于陸上或近海岸，因此對于風電直流送出的需求還未集中爆發。而以德國為代表的歐洲國家在陸上和近海岸風電開發完成后，已進入了遠海岸風電大規模開采階段，帶動了遠海岸風電高壓直流送出技術的快速發展，整體處于世界領先地位。
隨著我國對清潔綠色能源需求的快速提升，遠海岸風電是可預計的下一個巨大“藍海”。兵馬未動糧草先行?！艾F在正是我們開展遠海岸風電直流送出技術研究和裝備開發的最好時機，將補齊巨大需求來臨時的技術裝備短板，促進廣東省盡快占領遠海岸風電開發建設的制高點?！标愨o說。
南網科研院承擔的遠海岸風電送出關鍵技術及裝備研究項目，將解決遠海岸風電采用直流的接入系統方案、海上平臺型柔性直流輸電換流站成套設計方案以及關鍵裝備設計制造等幾方面問題。
首先，針對不同規模和離岸條件下的風電場，以及不同的風電場分布情況，適合采用不同的接入電力系統方案，該項目將通過開展技術和經濟兩方面對比分析，提出適合不同容量和分布狀況的的遠海岸風電采用直流輸電送出的拓撲結構和關鍵參數選取方案，為直流工程匯集容量、輸電距離、電壓等級等基本參數選取提供充分依據。
另外，一個關鍵的問題就是遠海岸風電送出需要在海上建設柔性直流換流站，而在遠海建設的獨立海上平臺與陸上相比環境惡劣、檢修維護不便、空間布局緊張，該將根據這些特點進行多專業的整體綜合設計，解決緊湊型換流站電氣接線、設備配置、設計布局等一系列問題，形成一整套技術經濟性好的海上平臺型柔性直流換流站的成套設計方案和設備技術規范。
而控制保護系統作為直流輸電系統的核心組成部分，對整個系統的安全穩定運行起著至為關鍵的作用。由于海上風電具有一定隨機性與波動性，大規模接入后將會對現有電網的無功電壓調節、潮流控制、暫態穩定控制、電能質量等方面產生較大影響。該項目將結合風電送出的特征以及相關特殊要求，充分發揮柔性直流平抑電壓波動，快速調節輸電功率的獨特優勢，形成適用于遠海岸風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研發與測試的仿真平臺，解決直流控制保護系統的設計與試驗驗證問題。
據透露，本項目將研發出適用于海上平臺復雜嚴酷環境的的緊湊型換流閥和控制保護設備樣機，掌握關鍵設備的設計和制造關鍵技術，并通過試驗驗證樣機性能。通過項目的實施，南方電網和廣東省將掌握遠海岸風電直流送出的換流站成套設計和裝備關鍵技術，建立起具有自主知識產權的技術體系。
