海上直流風電場研究現狀及發展前景

黃云明

（福建永泰閩投抽水蓄能有限公司，福建 福州350000）

風力發電成熟度日益提升，然而海上風電場由于不占用土地資源、風速穩定，不會影響生態環境，因此成為風電發電的新力量。對于海上風電場來說，需要采用中壓交流電網實現電能匯集，通過變壓器升壓處理后，能夠與陸地交流主電網相連接。由于風電場容量持續擴大，且遠離陸地，所以需要通過高壓直流輸電技術實現并網。海上風電場內部多為交流系統，并且與陸地風電場比較接近，但是沒有進行海上風電場針對性設計。由于海上風電場還存在較多問題，所以成為學界的討論研究熱點。

1 采用直流輸電系統的海上風電場的研究現狀- 拓撲結構與控制措施

1.1 串聯升壓型結構

圖1 串聯升壓型結構

1.2 輻射型拓撲結構

根據交直流變換器數量和位置，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。主要是由風力發電機發出電能整流后進行升壓，之后通過中壓直流電網匯集到換流站之后，進行二次升壓，并且通過高壓直流輸電線路運輸到陸地的交流系統。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，還會導致能量損耗增加。第二，集中升壓型。由風力發電機發出電能整流后，匯集到海上換流站，直接升到高壓。此種結構建設成本低，且能量損耗小。但是，風量發電機電壓較低，所以低壓直流電網電壓較多，相應加大了電能匯集的能量損耗。第三，機端升壓型。由風力發電機發出電能整流后進行升壓，直接升至高壓，之后匯集傳輸到陸地。此種結構的交直流變換器建設相對成本低，且能量損耗小。

圖2 3 種輻射型海上直流電網

集中升壓結構是最適宜海上直流風電場的拓撲結構。但是，由于風力發電機與換流站的距離比較長，且風力發電機的電壓低，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準范圍內，此時輸電電壓應當與輸入電壓同時變化，能夠確保系統運行穩定性和可靠性。

2 海上直流風電場的重要設備

現階段，海上直流系統的電力設備可以直接應用到海上風電場中，兩者之間的區別在于交直流變換器。根據海上風電場的特點，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，可以應用到海上直流風電場的設備相對比較少，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電場的發展。

2.1 傳統交直流變換器拓撲

部分學者研究分析了常見交直流變換器拓撲在海上直流風電場的應用問題，研究內容集中于串聯并聯諧振變換器、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，最適合應用到海上直流風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。

在海上直流風電場應用傳統交直流變換器，需要通過器件串聯才可以滿足系統電壓要求與容量要求，且該類拓撲開關頻率通常在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

我國學者提出了基于晶閘管的諧振變換器，圖3 為其基本結構圖。晶閘管主要應用在低壓側。通過在適宜時間內觸發同組晶閘管，可以提升諧振電容的交流電壓，從而增加電壓運行效益，實現晶閘管軟開關效果。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，且低壓側橋臂耐壓性能基本等同于高壓側，所以需要設置較多的開關器件。

圖3 基于晶閘管的諧振變換器

2.3 諧振開關電容變換器

有學者提出升壓式諧振開關電容變換器，下圖為拓撲結構。該變換器分為正極與負極，且不同部分由多個模塊組成。采用交替觸發導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。正極模塊數為m，負極模塊數為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，拓撲結構能夠確保開關器件的零電流開關。相比于n 階諧振開關電容變換器來說，諧振開關電容變換器可以通過最少的模塊，實現最高的直流電壓增益，并且能夠減少無源器件使用數量。

2.4 模塊化交直流變換器

現階段，交直流變換器的電壓與容量都比較低，通過模塊化結構能夠滿足海上直流風電場的需求。此種結構具備多種優勢特點，便于安裝和擴展，可以實現冗余控制。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，所以需要應用輸入并聯輸出變換器。部分學者提出集中升壓型模塊化交直流變換器，下圖為拓撲結構圖。

3 海上直流風電場的發展展望

對于海上直流風電場來說，在未來發展中需要實現更可靠的故障保護與更高的經濟效益。海上直流風電場應當確保不間斷并網運行，并且確保系統內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，以此確保風電場良好的允許。

圖4 模塊化交直流變換器

隨著海上風電場的逐步增多，海上直流輸電系統將逐步呈現從兩端到多端直流系統再到直流電網的發展趨勢，這也為大規模交直流電力系統的安全穩定分析提出了新的挑戰。通過對直流輸電基礎理論的深入研究，來實現系統拓撲結構的優化創新，從而降低建設成本，將會成為直流輸電系統未來的研究方向。直流風電場智慧化管理系統能夠將信息化技術及精益化管理理念相結合，這方面的研究也將會取得長足發展，從而進一步提高深遠海風電場的運維效率。

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