探討海上風(fēng)電柔性直流輸電及變流器技術(shù)

馬果

（中廣核新能源華南分公司，廣東深圳 518000）

0 引言

海上風(fēng)電柔性直流輸電及變流器技術(shù)是采用換流器與直流電纜實(shí)現(xiàn)電流與電壓的有效控制，能夠切實(shí)緩解城市用電負(fù)荷，替代以往的交直流聯(lián)網(wǎng)，滿足大容量電能和遠(yuǎn)距離輸送的要求，具有良好的發(fā)展前景。為了確保相關(guān)技術(shù)得到高質(zhì)量運(yùn)用，首先要深入分析變流器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1 海上風(fēng)電柔性直流輸電變流器的深入研究

1.1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

柔性直流輸電變流器是以雙極型晶體管與VS 裝置為構(gòu)成基礎(chǔ)，通過采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，調(diào)整電源系統(tǒng)的電壓、電量與頻率，其核心組件為設(shè)備兩端的換流器，能夠起到關(guān)斷系統(tǒng)的作用，圖1 即為變流器。而在設(shè)備的輸送端與接收端所采用的設(shè)備組件結(jié)構(gòu)一致，可以有效控制電路開關(guān)的通斷，并在直流電壓之間迅速切換，以此產(chǎn)生符合應(yīng)用需求的交流電壓。同時(shí)，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(shù)，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(dú)立修正，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電壓隨系統(tǒng)變化而變化的控制目標(biāo)。

圖1 變流器

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

①應(yīng)用于柔性直流輸電系統(tǒng)，變流器能夠進(jìn)一步提升高壓直流輸電的經(jīng)濟(jì)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的負(fù)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(dá)，還可以使輸電系統(tǒng)有效整合分散電源，確保控制方式更加靈活，具有良好的運(yùn)行效果，能夠切實(shí)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(dāng)前大容量的變流器核心技術(shù)已在國外海上風(fēng)電場投入使用并取得成功，因此我國相關(guān)電力企業(yè)可積極借鑒成功案例，優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用方式，保證技術(shù)實(shí)施計(jì)劃的可靠性與可行性，并通過構(gòu)建應(yīng)用示范的方法，縮小國內(nèi)外的技術(shù)差距；②可作為交流輸電系統(tǒng)的變流器，進(jìn)一步強(qiáng)化系統(tǒng)功率高、運(yùn)行速度快、精準(zhǔn)性強(qiáng)的特點(diǎn)，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(yùn)行。

2 海上風(fēng)電柔性直流輸電技術(shù)分析

2.1 應(yīng)用方法

海上風(fēng)電柔性直流輸電技術(shù)應(yīng)用過程為：將風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行串聯(lián)排布，并分成多個(gè)獨(dú)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(qiáng)、密封性好、無須安裝防護(hù)外殼便可在潮濕環(huán)境下良好運(yùn)行的特點(diǎn)，確保海上惡劣天氣不會影響輸電流程的正常運(yùn)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(dá)到切實(shí)提高電力質(zhì)量的目的。以丹麥某海上風(fēng)電場的柔性直流輸電技術(shù)運(yùn)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(fēng)電機(jī)組運(yùn)行功率大多保持在15 萬kW 左右，為了保證海底敷設(shè)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(yù)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(fèi)用的支出，提高應(yīng)用方法的經(jīng)濟(jì)性。此外，該海上風(fēng)電場為了應(yīng)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(shè)置150kV 的電壓等級。而對于海上風(fēng)電場與主電網(wǎng)距離過遠(yuǎn)的問題，則采用將高壓直流輸電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)進(jìn)行集中并網(wǎng)和分散并網(wǎng)的方式進(jìn)行解決，利用其穩(wěn)態(tài)分析功能，輔助風(fēng)電機(jī)組完成運(yùn)行方式與并網(wǎng)位置電壓的確定，同時(shí)還可以分析海上風(fēng)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(fēng)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(shí)提高電能的運(yùn)行質(zhì)量。

根據(jù)以上案例分析可知，當(dāng)前丹麥海上風(fēng)電柔性直流輸電技術(shù)的應(yīng)用相對成熟，應(yīng)用方法較為全面，能夠有效保證電能的高效傳輸。我國相關(guān)海上風(fēng)電場在借鑒參考的過程中要充分提取相關(guān)應(yīng)用方法的精華與優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合自身風(fēng)力資源狀況、選擇適合的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組型號，依照當(dāng)?shù)氐难b機(jī)容量以及與電網(wǎng)的間隔距離，制定合理、科學(xué)的應(yīng)用方法，同時(shí)要切實(shí)遵守風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)的指導(dǎo)要求，全面考慮影響系統(tǒng)運(yùn)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(bào)率，避免資金的過度浪費(fèi)。

2.2 應(yīng)用方案

本文以上海市沿海地區(qū)的海上風(fēng)電場為研究對象，確保直流輸電技術(shù)與并網(wǎng)技術(shù)能夠得到良好運(yùn)用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，上海地區(qū)沿海區(qū)域內(nèi)40m 高處具備的平均風(fēng)速為5.5m/s，其每年累計(jì)的有效風(fēng)力時(shí)間超過7000h，具有非常豐富的風(fēng)能資源。上海電網(wǎng)作為整個(gè)華東電網(wǎng)關(guān)鍵的負(fù)荷中心，其具有較大的負(fù)荷密度，同時(shí)對電網(wǎng)運(yùn)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(fù)荷比較關(guān)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(fēng)場擁有的風(fēng)能情況，結(jié)合其電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分析區(qū)域內(nèi)電力負(fù)荷的分布情況，提出以下電氣方案。為了確保風(fēng)能得到最高效的利用，從性價(jià)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

2.2.1 交流并網(wǎng)

由變速恒頻類型的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)送出的交流電都需要變壓器對其實(shí)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(fēng)電場內(nèi)，電流將會在升壓變電站中的母線上再次進(jìn)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(fù)荷時(shí)很容易造成高電壓，過高電壓對風(fēng)電場具有一定危害，為了避免風(fēng)電場受到高壓影響，需要在變電站周圍設(shè)置SVC，當(dāng)電纜正常工作時(shí)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(bǔ)償器可以對無功功率進(jìn)行靈活的調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)方式為控制相應(yīng)的晶閘管導(dǎo)通或進(jìn)行關(guān)斷，從而便于投切電抗器以及電容器。靜止無功補(bǔ)償器適用于新能源風(fēng)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(bǔ)償?shù)脑O(shè)備能夠靈活地調(diào)節(jié)電壓與無功功率，一般該設(shè)備主要用于交流輸電的裝置之中，其目的是進(jìn)一步穩(wěn)定新能源電力系統(tǒng)的運(yùn)行，提高新能源的輸電能力。除此之外，由靜止無功補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)設(shè)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(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)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(bǔ)償?shù)娜萘渴艿诫妷核降挠绊懀穗妷涸降停漭敵龅臒o功功率越小。因此，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，SVC 對于風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的幫助有限。該方案的設(shè)計(jì)優(yōu)勢在于電氣結(jié)構(gòu)相對簡單，且輕型高壓直流輸電設(shè)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(fēng)電場容量的限制，也切實(shí)改善系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，使電能質(zhì)量得到大幅提升，即使海上風(fēng)電場與陸地間隔距離較大，也能通過較長的海底電纜實(shí)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(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)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(dá)公共電網(wǎng)，形成多段輸電網(wǎng)絡(luò)，圖2 即為換流站。分散控制并網(wǎng)的特點(diǎn)在于風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)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(dú)立性控制，不會產(chǎn)生互相干擾與影響，造成計(jì)量誤差，使相應(yīng)設(shè)備在電氣結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的環(huán)境中，也能保證良好的運(yùn)行，確保轉(zhuǎn)速符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 換流站

3 結(jié)論

綜上所述，通過對海上風(fēng)電柔性直流輸電以及變流器技術(shù)進(jìn)行分析，闡述設(shè)備的電路結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用領(lǐng)域，并提出輸電技術(shù)的具體應(yīng)用方法和設(shè)計(jì)方案，以此為相關(guān)企業(yè)提供切實(shí)可行的參考數(shù)據(jù)，提高技術(shù)的運(yùn)用效率，滿足人們?nèi)找嫔蠞q的用電需求，加強(qiáng)提高線路的供電質(zhì)量，保證輸電技術(shù)應(yīng)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。