海上风电柔性直流输电技术研究

周 敏 陈志伟 蔡璐璇 陈伟翔

1.上海电气风电集团股份有限公司广东分公司 广州 510000 2.广东电网有限责任公司汕头供电局 广东汕头 515000

1 发展现状

1.1 国内

2011年,上海南汇风电场柔性直流输电工程建成,直流电压为±30 kV,额定功率为18 MW,这一工程是亚洲首个柔性直流输电工程。经过12 a的发展,柔性直流输电的电压等级从±30 kV发展到了±160 kV、±320 kV、±420 kV,以及最高的云南乌东德电站±800 kV。接线方式从对称单极发展到对称双极,连接方式从单端发展到特高压多端,器件使用从模块化多电平换流器发展到大容量模块化多电平换流器与线性整流换流器组成的混合双馈入直流换流器。国内柔性直流输电工程经过不断尝试和创新,技术已逐渐成熟。

2021年12月,国内第一个海上风电柔性直流输电工程——如东海上风电场工程成功投入并网运行,这标志着我国海上风电柔性直流输电的正式开启。

1.2 国外

1997年3月,ABB公司首次在瑞典中部的赫尔斯扬进行了高压柔性直流输电试验。随着海上风电向深远海发展,国外海上风电输电工程也逐步采用柔性直流输电技术。德国海上风电柔性直流输电工程建设情况见表1。

表1 德国海上风电柔性直流输电工程

2 柔性直流输电接线方式对比

目前,海上风电柔性直流输电常用的接线方式有对称单极和对称双极两种。柔性直流对称单极接线如图1所示,对称双极接线如图2所示。

图1 柔性直流对称单极接线

图2 柔性直流对称双极接线

以下对对称单极接线和对称双极接线的优缺点进行对比。

2.1 设备

使用同种功率器件时,对称双极接线的功率模块参数和数量与对称单极接线基本相同。对于海上换流站,对称双极接线桥臂电抗器数量是对称单极接线的两倍。对称双极接线的换流阀交流侧主设备承担直流偏置电压,需使用换流变压器。对称单极接线的换流阀交流侧主设备不承担直流偏置电压,可使用普通电力变压器。对称双极接线的直流设备要考虑运行方式的变化,需增加相应连接回路开关和转换开关等设备,而对称单极接线则不需要考虑上述设备。对称双极接线需要增加一条直流中性线海缆,作为双极运行的接地极。对称单极接线不需设置专门的接地极。

另外,两种接线方式中的阀控系统、阀冷装置、控制保护系统配置也存在较大差异。

2.2 运行故障

对称双极接线情况下,发生直流侧单极故障,可转为单极运行方式来输送一半有功功率,可靠性较高。对称单极接线发生直流侧故障,将导致整个直流系统跳闸,无法输送功率,可靠性较低。

2.3 占地与造价

对称双极接线情况下,换流阀和直流侧接线复杂,设备数量多,直流侧占地空间大。另外,海上换流站采用对称双极接线,相比采用对称单极接线更大一些,这将增加海上换流站的造价,提高海上换流站的施工难度。

基于目前海上风电的输出容量及技术经济性考虑,对称单极接线被更多应用和接受。随着海上风电输送容量的增大,出于整体风电场安全可靠性的考虑,加之海上换流站轻型化设计越来越成熟,对称双极接线将得到更多的应用。据预测,2029年及以后的欧洲海上风电场项目,柔性直流输出方案将选择±525 kV、2 000 MW对称双极标准方案。

3 优化方向

海上风电柔性直流输电工程受限于海上施工困难、作业风险大、吊装船只吨位等多方面原因,海上换流站轻型化是工程发展的方向。笔者探讨从系统接线、设备选型、换流站轻型化紧凑化设计等方面来优化海上风电柔性直流输电工程。

随着海上风电大容量风电机组的应用,集电线路采用66 kV电压等级,同时可对海上升压站与海上换流站进行一体化设计,以减少海上升压站的建造费用。

基于在绝缘配合和高压领域丰富的理论和实践经验,可以适当降低设备绝缘水平。绝缘水平优化后,将带来设备空气净距减小,各个房间体积缩小,海上换流站的空间和质量可进一步减小。

在换流阀选型中,提高子模块电压利用率,采用动态冗余策略。考虑直流耗能装置对暂态过电压的限制作用,同时兼顾海上换流站的高可靠性要求,可以选取陆上站/海上站子模块平均工作电压为2.2 kV,实现绝缘栅双极型晶体管换流阀子模块数量同比减少10%。降低子模块电容值,通过采取环流注入策略,对电容电压波动进行限制,适度提升子模块电容电压波动率,以减小子模块尺寸,降低成本。适当减少冗余子模块数量,基于国内目前采用的绝缘栅双极型晶体管阀运行经验,可以考虑将冗余数量减少至3%。

考虑风电场年利用小时数,结合变压器过负荷情况下的寿命特性分析,充分挖掘单台故障退出后另一台的急救过负荷能力,对变压器的容量进行合理优化,进而减小变压器的尺寸、质量,降低成本,为海上风电研发小型化、轻型化变压器。采用防爆油箱等高可靠性设计,可以降低海上换流站消防系统的复杂性。

通过提高阀控过流保护动作的速度,在保证换流阀暂态安全特性前提下,降低桥臂电抗器电感值。

通过如采用轻型电抗器、优化散热器位置等一系列操作,进一步对海上换流站进行轻型化紧凑化设计,以减小海上换流站的质量和尺寸。

4 结束语

柔性直流输电技术具有非常强的远距离输电能力,以及灵活的有功功率和无功功率控制能力。随着柔性直流输电技术的不断发展,柔性直流输电技术会逐渐成为海上风电场远距离输电的主流输送方式。在后续的研究过程中,还需要对柔性直流输电技术暂稳态性能、对电网影响、供电可靠性等进行深入研究,并不断优化海上换流站平台的体积和质量,改善海上平台对海洋环境的影响。

相信未来我国海上风电柔性直流输电技术一定会越来越成熟,为国民经济的发展及海洋经济的崛起提供重要帮助。