海上直流风电场研究现状及发展前景

黄云明

（福建永泰闽投抽水蓄能有限公司，福建 福州350000）

风力发电成熟度日益提升，然而海上风电场由于不占用土地资源、风速稳定，不会影响生态环境，因此成为风电发电的新力量。对于海上风电场来说，需要采用中压交流电网实现电能汇集，通过变压器升压处理后，能够与陆地交流主电网相连接。由于风电场容量持续扩大，且远离陆地，所以需要通过高压直流输电技术实现并网。海上风电场内部多为交流系统，并且与陆地风电场比较接近，但是没有进行海上风电场针对性设计。由于海上风电场还存在较多问题，所以成为学界的讨论研究热点。

1 采用直流输电系统的海上风电场的研究现状- 拓扑结构与控制措施

1.1 串联升压型结构

图1 串联升压型结构

1.2 辐射型拓扑结构

根据交直流变换器数量和位置，可以将辐射型海上直流划分为两级升压型、集中升压型、机端升压型。如图2 所示。第一，两级升压型。主要是由风力发电机发出电能整流后进行升压，之后通过中压直流电网汇集到换流站之后，进行二次升压，并且通过高压直流输电线路运输到陆地的交流系统。尽管在电能汇集期间，拓扑的能量损耗比较小，然而因二次升压需求，会加大升压站投资成本，还会导致能量损耗增加。第二，集中升压型。由风力发电机发出电能整流后，汇集到海上换流站，直接升到高压。此种结构建设成本低，且能量损耗小。但是，风量发电机电压较低，所以低压直流电网电压较多，相应加大了电能汇集的能量损耗。第三，机端升压型。由风力发电机发出电能整流后进行升压，直接升至高压，之后汇集传输到陆地。此种结构的交直流变换器建设相对成本低，且能量损耗小。

图2 3 种辐射型海上直流电网

集中升压结构是最适宜海上直流风电场的拓扑结构。但是，由于风力发电机与换流站的距离比较长，且风力发电机的电压低，所以必须考虑到电能汇集的能量损耗问题。

辐射型风电场的控制措施如下：通过比较分析双向全直流变压器和单向全直流变压器的控制策略，将高压直流输电线路电压控制在标准范围内，此时输电电压应当与输入电压同时变化，能够确保系统运行稳定性和可靠性。

2 海上直流风电场的重要设备

现阶段，海上直流系统的电力设备可以直接应用到海上风电场中，两者之间的区别在于交直流变换器。根据海上风电场的特点，需要具备高电压、大容量以及高效益的变换器，目前市场上的变换器以低压小功率为主，可以应用到海上直流风电场的设备相对比较少，所以必须深入分析和研究交直流变换器的各项特点，这样才能够全面促进海上直流风电场的发展。

2.1 传统交直流变换器拓扑

部分学者研究分析了常见交直流变换器拓扑在海上直流风电场的应用问题，研究内容集中于串联并联谐振变换器、单有源桥式变换器以及全桥变换器。通过分析控制难度与成本问题后，最适合应用到海上直流风电场的变换器为移相控制全桥变换器。该变换器处于满载条件下，能够明显提升运行效率。

在海上直流风电场应用传统交直流变换器，需要通过器件串联才可以满足系统电压要求与容量要求，且该类拓扑开关频率通常在10kHz 左右，所以必须处理好器件均流和均压问题。

2.2 基于晶闸管的谐振变换器

我国学者提出了基于晶闸管的谐振变换器，图3 为其基本结构图。晶闸管主要应用在低压侧。通过在适宜时间内触发同组晶闸管，可以提升谐振电容的交流电压，从而增加电压运行效益，实现晶闸管软开关效果。但是此种方式也存在不足与缺陷，需要大量使用高压交流电容，且低压侧桥臂耐压性能基本等同于高压侧，所以需要设置较多的开关器件。

图3 基于晶闸管的谐振变换器

2.3 谐振开关电容变换器

有学者提出升压式谐振开关电容变换器，下图为拓扑结构。该变换器分为正极与负极，且不同部分由多个模块组成。采用交替触发导通正极和负极的绝缘栅双极型晶体管，这样就能够使不同模块的电容电压与输入端直流电压相同。正极模块数为m，负极模块数为n，输出电压则为输入电压的m+n+1 倍。电容充电过程是通过LC 谐振实现，拓扑结构能够确保开关器件的零电流开关。相比于n 阶谐振开关电容变换器来说，谐振开关电容变换器可以通过最少的模块，实现最高的直流电压增益，并且能够减少无源器件使用数量。

2.4 模块化交直流变换器

现阶段，交直流变换器的电压与容量都比较低，通过模块化结构能够满足海上直流风电场的需求。此种结构具备多种优势特点，便于安装和扩展，可以实现冗余控制。该类拓扑多划分为多种不同模式。对于海上直流风电场来说，交直流变换器的直流电压增益比较大，所以需要应用输入并联输出变换器。部分学者提出集中升压型模块化交直流变换器，下图为拓扑结构图。

3 海上直流风电场的发展展望

对于海上直流风电场来说，在未来发展中需要实现更可靠的故障保护与更高的经济效益。海上直流风电场应当确保不间断并网运行，并且确保系统内部与输电线路不存在过电压，同时需要避免损坏电力电子器件，因此需要深入研究和分析升压型风电场的保护与控制策略，从而控制交直流变压器和输电功率，以此确保风电场良好的允许。

图4 模块化交直流变换器

随着海上风电场的逐步增多，海上直流输电系统将逐步呈现从两端到多端直流系统再到直流电网的发展趋势，这也为大规模交直流电力系统的安全稳定分析提出了新的挑战。通过对直流输电基础理论的深入研究，来实现系统拓扑结构的优化创新，从而降低建设成本，将会成为直流输电系统未来的研究方向。直流风电场智慧化管理系统能够将信息化技术及精益化管理理念相结合，这方面的研究也将会取得长足发展，从而进一步提高深远海风电场的运维效率。

综上所述，本文主要分析了海上直流风电场的研究现状，并且总结了相应的控制策略；通过对于不同海上直流风电场交直流变换器拓扑结构进行对比分析，提炼出不同拓扑结构的优势与不足。最后对海上直流风电场的应用前景进行了展望。希望本文可以为全面促进海上直流风电场的发展起到积极作用。