英国新闻：深远海风电场全直流技术趋势与展望

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一海上风电的迅速发展方向

1 .海上风电向深海迅速发展

从海上风电技术现在的快速发展趋势来看，为了获得越来越多的风能，海上风电平台从单一项目的设置机量越来越大，离岸距离也从近的趋势迅速发展。 以德国、英国为代表的海上风电技术发达国家已经率先部署了深海风电。 德国现在发货的400 mw大容量风电场的离岸距离都是100 km左右。 年投放的sandbank风电场装机为288 mw，最远的离岸距离达到了123 km。 已经核建设的enbw he dreiht海上风电场计划机为900 mw，离岸距离为103.6 km。 英国批准了风电场的dogger bank。 其安装容量达到4800 mw，离岸距离为131~290 km。

图1海上风电平均水深和离岸距离预测

中国海岸线长，可利用海域面积大，海上风力资源储备丰富。 风力资源调查结果表明，中国水深5~25 m、高度50 m的海上风电开发潜力约为2亿kw，水深5~50 m、高度100 m的海上风电开发潜力约为5亿kw。 因此，考虑到资源潜力、消纳能力以及近海海域用地日益紧张等因素，深海风电将成为未来海上风电快速发展的重要方向。

2 .传输容量越来越大

目前我国海上风机容量主要以3~4mw的风力发电机组为主。 6mw机组也已经实用化了。 我国也在朝着开发大功率海上风机的方向发展。 突破8 mw以上高可靠性海上送风机的关键技术已经列入中国电机工程学会编写的《十三五电力科技重大技术方向研究报告》。 包括上海电气、南车株洲电力、明阳风电、东方电气在内的许多机械整体制造商的领先也在全力开发大型海上风电机组。 7月12日，东方电气集团和中国三峡集团共同开发的中国第一台10兆瓦海上风力发电机组在福建兴化湾二期海上风力发电机组成功，这是目前中国自主开发运转的单机容量亚洲太平洋最大、世界第二大海上风力发电 海上送风机的平均单机容量逐年上升。

二全直流海上风电系统代表着未来快速的发展趋势

随着离岸距离的增长，以往传来的交流输电，由于最近的接入电网主要是低压配电网，因此这种输电系统的r/x比大，短路容量低。 采用hvac并网方法，接入电网的短路容量比较大，需要进一步制约海上风电场的并网容量。 另外，hvac并网方法意味着风电场和访问的陆地交流系统必须同步，无论是风电场侧还是系统侧，发生故障都会直接影响另一侧。 随着离岸距离的增加，hvac并网方法的经济性和可靠性下降，在远程大容量海上风电场并网中的应用非常有限。

因此，基于柔性直流的海上风电输送系统成为未来海上风电迅速发展的主要技术路线，其典型拓扑如下图2所示。

图2海上风电集中换流平台的柔性直流输电方法

鉴于现有海上风电场存在的问题和灵活的直流技术的迅速发展，不仅使用直流技术进行风电场的电力输送和并网，风电场内部也使用直流技术收集电力的全直流海上风电场成为近年来的研究热点 使用直流技术收集电能可以比较有效地简化海上风电场从发电到并网的全过程，多次整流电能，不要逆变器、升压，减少系统投资，降低损失更重要的是， 通过在全直流海上风电场中使用高频变压器和电力电子设备等，可以减轻海上平台的负荷，降低建设维护价格。 在海上风电场中使用直流集约时，可以使用更轻量、功率密度更高的dc/dc转换器进行升压。 另外，全直流海上风电系统使用压力源型换流站，可以保持友好的并网性能，独立控制交换电网的有效和无功功率，保证良好的电能质量。 发现全直流海上风电场在设备体积和重量、系统损失、并网友好性、建设价格等方面优于现有的海上交流风电场。

为了中国高效、低价格、大规模海上风能资源开发的巨大诉求，海上风能传输容量越来越大，对应于传输距离越来越远的迅速发展趋势，风电场的能源集约和传输使用直流的全直流海上

三海上风电全直流组网方法

现在的直流海上风电场的拓扑根据使其直流电压上升的方法，大致分为非直流升压方法、通过风力发电机的串联连接使直流电压上升的方法、通过dc/dc转换器使直流电压上升的方法三种。 其中，海上风电dc/dc升压型的集约和运输系统为全直流海上风电系统。

现有空气机组的出口电压都比较低( 690v )，因此pwm整流后通常不超过2 kv。 如果在该电压电平下并行进行直流连接，电缆损耗会增大，直接影响传输效率，因此需要用dc/dc转换器使单元侧整流器的电压上升到风电场内部的直流网的电压电平。 根据dc/dc转换器的数量和在风电场中的位置，全直流海上风系统大致可分为2级升压结构、集中升压结构、机端升压结构3种。

一两级升压结构

图3是2级升压型全直流海上风电场，来自风力发电机的电力被整流后进行1次升压，然后通过中压直流网被集中到海上换流站后进行2次升压，最后通过高压直流输电线路被送到岸的交流系统。

基于图32段升压结构的全直流海上风电系统

在这种结构中，风电场内部使用直流电缆代替交流电缆。 另外，由于风扇侧直接接入dc转换器，因此不仅减少了风场内的电缆损失，还获得了更低的损失、更大的传输容量、更省材料的特征，同时应对了现有的风场内部无效电压问题。 全直流型风电场使用高功率密度的电力电子变换器，可省去重型工频变换器和多余的变电环节，降低海上平台的负荷。 这种方式也代表了未来大型海上风电场的合流和远程传输并网的迅速发展趋势。 但是，在实际工程中的应用仍有待高效率和高功率密度的高压大容量dc/dc转换器技术迅速发展到成熟度(这种拓扑在电力集约过程中的能量损失比较小，但需要二次升压，因此dc/dc转换器技术 附加的转换器不是大幅度改善功率因数，反而增加了控制的难度)。

2 .集中升压结构

图4是集中升压型全直流海上风电场，来自风力发电机的电力被整流，经由低压直流网聚集到海上换流站，通过一次升压直接上升到高压。

基于图4集中升压型结构的全直流海上风电系统

这种使用单一dc升压器的风电场直流并网拓扑，可以比较有效地不产生配置多台dc转换器引起的环流。 另外，如果来自风扇的电力经由机侧vsc，则转换电平数不足，基波成分的比重小，因此产生高次谐波，不能排除全耦合量，能够进行完全的单位功率因数运转的可能性高，集中升压时通过dc/dc转换器的控制再次进行滤波 另外，该拓扑对dc/dc转换器的投资小，升压过程引起的能量损失也相对小，柔软性强，单元整流过程的耦合性低，容易控制。 这种拓扑具有站间通信少，构成单元间的独立性强，可以根据控制自由开闭，检查容易的优点。 但是，现在的风力发电机的端电压最高为5 kv，因此该低压直流网的电压也比较低，所以电力集约中的能量损失比较大。

3 .机端升压结构

图5是机端升压型海上直流风电场，来自风力发电机的电力被整流，通过一次升压直接上升到高压，聚集起来通过高压直流输电线路传输到岸边。

这个拓扑不仅对dc/dc转换器的投资小，而且在风力发电机的出口直接进行升压，所以电力集约中的能量损失也小，另外机侧电压·电力控制比较独立。 但是，由于大量的dc/dc转换器直接与机侧整流器连接，因此控制参数和耦合量变多，机侧整体换流链路的控制变多，噪音变多。 另外，大量的dc/dc转换器的设置会提高风电场机侧的建设难度。

基于图5机端升压结构的全直流海上风电系统

综上所述，由于机端升压结构无论是对岸能量输送还是风电场内部能量集约都使用高压直流输电线路，因此线路损失小。 由于集中升压结构只需要一台直流变压器(或海上换流平台)，因此不仅投资小，升压中产生的能量损失也相对小。 二级升压结构不仅需要为每台风力机配置相应的直流变压器，还需要建设共同的海上换流平台完成能量集约和集中升压，因此在该方案中直流变压器的投资和系统的能量损失相对较大。 但是，无论是机端升压结构还是集中升压结构，对直流变压器的变速要求都达到数十倍，在这样的高压大电力的情况下，观察到这样的高电压变速比使直流变压器的设计非常困难。 另一方面，在2级升压构造中，因为每级的直流变压器的变比可以抑制在10以内，所以从变比的立场来看，2级升压组网络方法更容易实现工程。

下表从损失、效率、投资价格、电力诉求、变比要求、工程实现容易度的立场出发，对全直流海上风电场的网络结构进行了对应和总结。

表1全直流海上风电场网络结构特征比较

四技术趋势与研究方向展望

从装置层面来看，全直流型风电场中的钥匙转换器都在高电压、大功率的环境下工作，使用mmc技术是必然的选择，大功率dc/dc的实现也依赖于中频变压器的技术突破。

从控制水平来看，大规模海上风电的接入给交流主网的稳定运行带来了很多挑战。 第一，不能减少电网的惯性量，不衰减电网的频率变化，不能提供电网所需的频率支持等。 这是因为有必要研究大型海上直流型风电场电网的友好并网机制和控制策略，为海上风场的运行控制提供理论依据。

从保护水平来看，考虑直流断路器的损失和价格，研究能够隔离新的直流故障的变换器技术，探索通过直流型风电场中电力电子变换器的迅速动作实现直流故障的隔离的意义重大。

海上送风机的大型化迅速发展，随着风场区域的扩大和柔性直流输电技术的进步，使用直流集约和电力传输的全直流型海上风电场即将被调用。 全直流风场的规模为400~1000mw、30~60kv的合流电压和±320kv左右的输电电压。 构建全直流风电场需要处理的基础问题包括风电场的网络构成方法、风力发电机组电力的直流转换和控制、直流升压转换和海上直流升压站的控制、岸换流站的并网控制、直流风场的故障隔离和保护等 这些问题将成为未来全直流海上风电的研究热点。

mmc具有高压、高效率、柔性的优点，因此可以基于该电路拓扑处理直流升压问题，高变比直流升压问题的比较有效的处理使海上升压站使用直流并联能量收敛方法的优势变得明显，由此海上上升 另外，大规模海上风电的集中并网会给电网带来很大的冲击，影响电网的稳定运行，但直流风场经过岸换流站这一大型逆变器并网，为实施风电场的友好并网控制创造了条件。 现在的控制策略是风场在电网中表现为电流源的性质，不能为电网提供惯性量和衰减，需要研究风电场的电压源型控制方法。

以400~1000mw的海上风场为背景，需要重点研究的迅速发展方向是:1)风力发电机组电力的有效直流电力转换和控制。 2 )海上升压站用高变比直流升压转换和控制3 )全直流风场的电网友好并网机制和控制战略。 处理这样重要的技术问题，对大型海上全直流风电场未来的工程实现具有很大的推动作用。 及时开展深海全直流型风电场的比较研究，具有现实的理论意义和应用价值。