浅谈柔性直流输电在海上风力发电中的技术优势

浅谈柔性直流输电在海上风力发电中的技术优势

张丽丽 陈中慧

山东电力建设第三工程有限公司工程咨询院，山东青岛 266400

摘要：本文通过研究柔性直流输电的基本技术原理及原理接线，将柔性直流输电与传统直流输电技术进行对比，并总结归纳柔性直流输电的技术优势及应用场景。

关键词：柔性直流；技术优势；对比

引言

国内海风资源丰富，开发资源充足。中国拥有 300 多万平方公里的海洋面积，海岸线长度约为 1.8 万公里，沿途地区包括渤海湾地区、江苏地区、浙江地区、福建地区和广东地区等，几乎全部涉及经济发达省份，海上风资源技术开发潜力超过 35 亿千瓦，海上风电开发潜力巨大。根据《中国风电发展路线图 2050》显示，全国近海水深 5-50 米范围内、100米高度层的海上风能资源潜在开发量在 5 亿千瓦以上。截至2022年底，海上风电累计装机容量达3051万千瓦，同比增长15.61%，预计2023年累计装机容量将达3470亿千瓦时。

2022 年以来，海上风电项目离岸距离随单机容量提升不断提升。其中海缆招标项目中青洲一、二、四项目离岸距离分别约为 50、55、70km，离岸距离均已远超过 30km，海风项目深远化趋势明显。相比陆上风电，海上风电的送出工程更为复杂。风机的输出电压需要先通过35kV集电线路汇集至海上升压站，再经海上升压站并通过高压海底电缆接入陆上集控中心。这意味着离岸距离越远的深远海项目，送出工程的成本越高，并且不同的送出方案也会影响项目的收益，所以对于开发业主来说，在成本与收益之间选择合适的送出方案至关重要。

海上风电的送出主要分为交流和直流两种方式。交流送出系统相对简单，成本较低，但受输电距离、容量以及电压等级的限制，适用于容量较小的近海风电项目;直流送出则不受输电距离的限制，更适合离岸距离较远的大容量深远海项目。

由于目前国内并网的海上风电项目多位于近海浅水区域，所以交流输电的送出方式最为普遍。有研究表明，对于离岸距离超过70公里、容量大于40万千瓦的海上风电项目，相比交流输电，柔性直流输电更具经济性和可靠性。

1、 柔性直流输电技术

柔性直流输电技术是基于电压源换流器(VSC)、可关断功率器件(IGBT)和脉宽调制技术(PWM)的一种新型直流输电技术。

柔性直流输电系统主要有连接电抗器、换流器、换流变和输电线路等部分构成。

与基于相控换相技术的电流源换流器型高压直流输电不同，柔性直流输电中的换流器为电压源换流器(VSC)，其最大的特点在于采用了可关断器件(通常为IGBT)和高频调制技术。

通过调节换流器出口电压的幅值和与系统电压之间的功角差，可以独立地控制输出的有功功率和无功功率。这样，通过对两端换流站的控制，就可以实现两个交流网络之间有功功率的相互传送，同时两端换流站还可以独立调节各自所吸收或发出的无功功率，从而对所联的交流系统给予无功支撑。

2、柔性直流输电主接线

柔性直流输电常用接线型式有对称单极、对称双极+金属回线、对称双极+接地极等几种类型，接线示意如下图：

图1 对称单极接线

图2 对称双极+金属回线接线

图3 对称双极+接地极接线

3、柔性直流输电系统的技术优势

柔性直流输电最突出的技术特点是采⽤了全控型的电⼒电⼦器件IGBT。与采⽤晶闸管的传统直流输电不同，系统的反应速度更快快、可控性更好、运⾏⽅式更灵活。柔性直流与常规直流的特性对比如下表:

可见，相⽐传统直流输电，柔性直流输电没有⽆功补偿的问题。传统直流输电由于存在换流器的触发延⾓(⼀般为10~15度)和关断⾓(⼀般为15度或更⼤⼀些)以及波形的⾮正弦，需要吸收⼤量的⽆功功率，其值约为换流站所通过的直流功率的40%~60%。因⽽需要⼤量的⽆功功率补偿及滤波设备。⽽且在甩负荷时会出现⽆功功率过剩，容易导致过电压。⽽柔性直流输电的VSC技术不仅不需要。将这些负荷通过柔性直流输电系统和电⽹相连，降低了供电成本，同时改善了电网环境；同时，柔性直流技术不存在换相失败问题，可接入弱电网，可为无源系统供电，适用于孤岛、海上新能源并网；柔性直流系统潮流反转迅速，易于构建多端直流系统或直流电网；同等电压容量的条件下柔性直流不需要大面积的滤波场，占地面积小，且规避了谐波大等缺点。然而，由于元器件和调制技术的限制，柔性直流输电技术也存在损耗较大、设备成本较高及容量相对较小等不足。

4、小结

柔性直流输电技术在提升电力系统稳定性、提高配电网的灵活性、增强电网对清洁能源的消纳能力等方面有显著优势，为解决多端直流联网、孤岛供电、海上风电传输提供了可靠和有效技术手段，也是构建多种形态能源互联网与智能电网的有力选择。

我国始终坚持自主创新道路，已全面完成了柔性直流输电技术从追赶到引领的跨越式发展，并向高电压、大功率、多端、双极、背靠背、混合直流输电、新能源并网、孤岛接入、海上风电外送等多个方向开展探索与实践。随着“一带一路”建设的深入推进，我国将越来越多地参与到全球电网建设中，柔性直流输电技术也会成为我国电力技术“走出去”的闪亮名片。

随着全国海上风电进入规模化发展阶段，未来深远海区域将是开发的重点，更加经济可靠的柔性直流送出方案成为业内关注的焦点问题。

参考文献：

[1]国家发展和改革委员会能源研究所.《中国风电发展路线图 2050》

[2]柔性直流输电技术与常规直流输电技术的对比研究 [J] . 严治勇 . 信息通信 . 2018,第011期

[3]未来中国输电网发展模式的分析与展望[J].孙玉娇,周勤勇,申洪.电网技术.2013,(7).