海上直流風(fēng)電場研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景

黃云明

（福建永泰閩投抽水蓄能有限公司，福建 福州350000）

風(fēng)力發(fā)電成熟度日益提升，然而海上風(fēng)電場由于不占用土地資源、風(fēng)速穩(wěn)定，不會影響生態(tài)環(huán)境，因此成為風(fēng)電發(fā)電的新力量。對于海上風(fēng)電場來說，需要采用中壓交流電網(wǎng)實現(xiàn)電能匯集，通過變壓器升壓處理后，能夠與陸地交流主電網(wǎng)相連接。由于風(fēng)電場容量持續(xù)擴大，且遠離陸地，所以需要通過高壓直流輸電技術(shù)實現(xiàn)并網(wǎng)。海上風(fēng)電場內(nèi)部多為交流系統(tǒng)，并且與陸地風(fēng)電場比較接近，但是沒有進行海上風(fēng)電場針對性設(shè)計。由于海上風(fēng)電場還存在較多問題，所以成為學(xué)界的討論研究熱點。

1 采用直流輸電系統(tǒng)的海上風(fēng)電場的研究現(xiàn)狀- 拓撲結(jié)構(gòu)與控制措施

1.1 串聯(lián)升壓型結(jié)構(gòu)

圖1 串聯(lián)升壓型結(jié)構(gòu)

1.2 輻射型拓撲結(jié)構(gòu)

根據(jù)交直流變換器數(shù)量和位置，可以將輻射型海上直流劃分為兩級升壓型、集中升壓型、機端升壓型。如圖2 所示。第一，兩級升壓型。主要是由風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出電能整流后進行升壓，之后通過中壓直流電網(wǎng)匯集到換流站之后，進行二次升壓，并且通過高壓直流輸電線路運輸?shù)疥懙氐慕涣飨到y(tǒng)。盡管在電能匯集期間，拓撲的能量損耗比較小，然而因二次升壓需求，會加大升壓站投資成本，還會導(dǎo)致能量損耗增加。第二，集中升壓型。由風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出電能整流后，匯集到海上換流站，直接升到高壓。此種結(jié)構(gòu)建設(shè)成本低，且能量損耗小。但是，風(fēng)量發(fā)電機電壓較低，所以低壓直流電網(wǎng)電壓較多，相應(yīng)加大了電能匯集的能量損耗。第三，機端升壓型。由風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出電能整流后進行升壓，直接升至高壓，之后匯集傳輸?shù)疥懙亍４朔N結(jié)構(gòu)的交直流變換器建設(shè)相對成本低，且能量損耗小。

圖2 3 種輻射型海上直流電網(wǎng)

集中升壓結(jié)構(gòu)是最適宜海上直流風(fēng)電場的拓撲結(jié)構(gòu)。但是，由于風(fēng)力發(fā)電機與換流站的距離比較長，且風(fēng)力發(fā)電機的電壓低，所以必須考慮到電能匯集的能量損耗問題。

輻射型風(fēng)電場的控制措施如下：通過比較分析雙向全直流變壓器和單向全直流變壓器的控制策略，將高壓直流輸電線路電壓控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，此時輸電電壓應(yīng)當(dāng)與輸入電壓同時變化，能夠確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和可靠性。

2 海上直流風(fēng)電場的重要設(shè)備

現(xiàn)階段，海上直流系統(tǒng)的電力設(shè)備可以直接應(yīng)用到海上風(fēng)電場中，兩者之間的區(qū)別在于交直流變換器。根據(jù)海上風(fēng)電場的特點，需要具備高電壓、大容量以及高效益的變換器，目前市場上的變換器以低壓小功率為主，可以應(yīng)用到海上直流風(fēng)電場的設(shè)備相對比較少，所以必須深入分析和研究交直流變換器的各項特點，這樣才能夠全面促進海上直流風(fēng)電場的發(fā)展。

2.1 傳統(tǒng)交直流變換器拓撲

部分學(xué)者研究分析了常見交直流變換器拓撲在海上直流風(fēng)電場的應(yīng)用問題，研究內(nèi)容集中于串聯(lián)并聯(lián)諧振變換器、單有源橋式變換器以及全橋變換器。通過分析控制難度與成本問題后，最適合應(yīng)用到海上直流風(fēng)電場的變換器為移相控制全橋變換器。該變換器處于滿載條件下，能夠明顯提升運行效率。

在海上直流風(fēng)電場應(yīng)用傳統(tǒng)交直流變換器，需要通過器件串聯(lián)才可以滿足系統(tǒng)電壓要求與容量要求，且該類拓撲開關(guān)頻率通常在10kHz 左右，所以必須處理好器件均流和均壓問題。

2.2 基于晶閘管的諧振變換器

我國學(xué)者提出了基于晶閘管的諧振變換器，圖3 為其基本結(jié)構(gòu)圖。晶閘管主要應(yīng)用在低壓側(cè)。通過在適宜時間內(nèi)觸發(fā)同組晶閘管，可以提升諧振電容的交流電壓，從而增加電壓運行效益，實現(xiàn)晶閘管軟開關(guān)效果。但是此種方式也存在不足與缺陷，需要大量使用高壓交流電容，且低壓側(cè)橋臂耐壓性能基本等同于高壓側(cè)，所以需要設(shè)置較多的開關(guān)器件。

圖3 基于晶閘管的諧振變換器

2.3 諧振開關(guān)電容變換器

有學(xué)者提出升壓式諧振開關(guān)電容變換器，下圖為拓撲結(jié)構(gòu)。該變換器分為正極與負極，且不同部分由多個模塊組成。采用交替觸發(fā)導(dǎo)通正極和負極的絕緣柵雙極型晶體管，這樣就能夠使不同模塊的電容電壓與輸入端直流電壓相同。正極模塊數(shù)為m，負極模塊數(shù)為n，輸出電壓則為輸入電壓的m+n+1 倍。電容充電過程是通過LC 諧振實現(xiàn)，拓撲結(jié)構(gòu)能夠確保開關(guān)器件的零電流開關(guān)。相比于n 階諧振開關(guān)電容變換器來說，諧振開關(guān)電容變換器可以通過最少的模塊，實現(xiàn)最高的直流電壓增益，并且能夠減少無源器件使用數(shù)量。

2.4 模塊化交直流變換器

現(xiàn)階段，交直流變換器的電壓與容量都比較低，通過模塊化結(jié)構(gòu)能夠滿足海上直流風(fēng)電場的需求。此種結(jié)構(gòu)具備多種優(yōu)勢特點，便于安裝和擴展，可以實現(xiàn)冗余控制。該類拓撲多劃分為多種不同模式。對于海上直流風(fēng)電場來說，交直流變換器的直流電壓增益比較大，所以需要應(yīng)用輸入并聯(lián)輸出變換器。部分學(xué)者提出集中升壓型模塊化交直流變換器，下圖為拓撲結(jié)構(gòu)圖。

3 海上直流風(fēng)電場的發(fā)展展望

對于海上直流風(fēng)電場來說，在未來發(fā)展中需要實現(xiàn)更可靠的故障保護與更高的經(jīng)濟效益。海上直流風(fēng)電場應(yīng)當(dāng)確保不間斷并網(wǎng)運行，并且確保系統(tǒng)內(nèi)部與輸電線路不存在過電壓，同時需要避免損壞電力電子器件，因此需要深入研究和分析升壓型風(fēng)電場的保護與控制策略，從而控制交直流變壓器和輸電功率，以此確保風(fēng)電場良好的允許。

圖4 模塊化交直流變換器

隨著海上風(fēng)電場的逐步增多，海上直流輸電系統(tǒng)將逐步呈現(xiàn)從兩端到多端直流系統(tǒng)再到直流電網(wǎng)的發(fā)展趨勢，這也為大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定分析提出了新的挑戰(zhàn)。通過對直流輸電基礎(chǔ)理論的深入研究，來實現(xiàn)系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化創(chuàng)新，從而降低建設(shè)成本，將會成為直流輸電系統(tǒng)未來的研究方向。直流風(fēng)電場智慧化管理系統(tǒng)能夠?qū)⑿畔⒒夹g(shù)及精益化管理理念相結(jié)合，這方面的研究也將會取得長足發(fā)展，從而進一步提高深遠海風(fēng)電場的運維效率。

綜上所述，本文主要分析了海上直流風(fēng)電場的研究現(xiàn)狀，并且總結(jié)了相應(yīng)的控制策略；通過對于不同海上直流風(fēng)電場交直流變換器拓撲結(jié)構(gòu)進行對比分析，提煉出不同拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢與不足。最后對海上直流風(fēng)電場的應(yīng)用前景進行了展望。希望本文可以為全面促進海上直流風(fēng)電場的發(fā)展起到積極作用。