國內海上風電未來發(fā)展特點

● 規(guī)模大、深遠海區(qū)域占比高

三山島海上風電柔直工程技術探索

● 不僅海上采用柔性直流技術，風電登陸后，將繼續(xù)走直流架空線至負荷中心

● 首次提出無直流斷路器、無集中耗能裝置技術方案

● 利用風機全功率變流器自帶的耗能裝置實現盈余功率分散式就地耗散

近日，陽江三山島海上風電柔直輸電工程(以下簡稱“三山島海上風電柔直工程”)獲得核準批復。

該項目由廣東電網公司統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設。工程包括海陸兩部分，將在海上建設一座±500千伏海上換流站，通過500千伏直流海底電纜及直流架空線方式把陽江三山島海上風電一至四項目(總規(guī)劃裝機容量為2000兆瓦)的風能輸送至粵港澳大灣區(qū)。

該項目打破常規(guī)，采用超大規(guī)模海上風電海陸一體直流輸電技術方案，將從源頭破解大規(guī)模、深遠海區(qū)域風電送出難題。

統(tǒng)一規(guī)劃，讓海陸更協同

規(guī)模大、深遠海區(qū)域占比高正成為國內海上風電發(fā)展的特點。

今年以來，浙江、廣東、海南等地亦出臺相應政策及資金支持，加快推進深遠海風電開發(fā)。與之前主要是近海小規(guī)模海上風電相比，深遠海區(qū)域風電送出，統(tǒng)一規(guī)劃勢在必行。

當下海上風電送出工程中，各投資主體各自開展前期工作，容量相似、布局接近的海上風電廠項目采用多種輸電方式、多電壓等級送出。在近海小規(guī)模海上風電時期，這樣的模式并沒有問題。隨著海上風電的高速發(fā)展，海上風電送出通道、登陸點日漸捉襟見肘，海陸不協調問題將制約海上風電長遠發(fā)展。

廣東電網公司規(guī)劃研究中心技術專家彭穗認為，首先是海上路徑資源未得到充分利用，怎么更節(jié)約用海需要統(tǒng)籌考慮。其次是海陸兩側銜接問題。相關媒體報道，廣東陽江沙扒、青洲海上風電規(guī)劃裝機約700萬千瓦，多家風電業(yè)主各自獨立建設陸上匯集站，導致登陸點附近密集分布多個匯集站，重復建設現象明顯。

最后還有更大范圍的海陸統(tǒng)籌問題。“以往海上風電場規(guī)模比較小，或交流架空線在本地電網消納，或優(yōu)化原有送出廊道送至負荷中心。但是廣東省海上風電的規(guī)劃容量超過7000萬千瓦，如果按既有的思路，需要30回交流架空線路送至粵港澳大灣區(qū)等負荷中心。然而從陽江、汕頭往珠三角走，根本找不出這樣的輸電走廊。”彭穗認為，海陸的統(tǒng)籌，已不僅僅是海上風電場址與登陸點的統(tǒng)籌規(guī)劃，必須把更大范圍的輸電廊道納入進去考慮。

三山島海上風電柔直工程在前期規(guī)劃中恰恰做到了此點，其采用的超大規(guī)模海上風電海陸一體直流輸電技術方案試圖從源頭解決大規(guī)模、遠海風電送出的難題。

柔性直流輸電技術再次成為關鍵

2021年年底，中國科學院院士陳十一曾總結道：“大型風電機組、規(guī)?；_發(fā)、漂浮式基礎、海上智慧運維，以及深遠海柔直輸電技術，是海上風電發(fā)展方向。”

其中，以柔性直流、中頻技術、低頻技術為主開展的遠距離電力輸配電技術，能夠適應距離海岸百公里級的大規(guī)模深遠海項目開發(fā)。2021年年底，亞洲首個400千伏海上風電柔性直流輸電工程如東海上柔直工程實現風電場全容量并網。三山島海上風電柔直工程則更進一步，不僅海上采用柔性直流技術，風電登陸后，將繼續(xù)走直流架空線至負荷中心。

南網科研院直流輸電與電力電子技術研究所一級項目經理鄒常躍介紹，常規(guī)海上風電經柔性直流送出方案中，風電登陸后依賴“登陸點換流站+交流架空線”實現陸上電能傳輸。在歐洲，海上風電登陸后主要通過直流陸纜將電能輸送至負荷中心。

“這兩種方案對我們來說都不是優(yōu)選。陸纜成本是架空線5倍，在海上風電要平價上網的目標下，這種方案很難接受。陸上交流送出架空線也將很難適應未來的廣東。”鄒常躍解釋，廣東沿海城市海岸線土地資源、沿海到珠三角輸電通道的緊張，導致廣東很難在登陸點建設大量換流站、在輸電通道上新建大量交流架空線將海上風電輸送至負荷中心。而且在登陸點建設的柔性直流換流站，難以發(fā)揮對負荷中心電網的穩(wěn)定支撐作用。

在此情況下，采用海陸一體協同直流輸電技術成為最優(yōu)選擇。具體來講，每2000兆瓦容量對應建設一個柔性直流換流站，風電場產生的電能先過海上換流站，再分別經一回直流海纜接入到登陸點的終端轉換站，后走直流架空線，各回直流架空線再統(tǒng)一接入附近陸上開關匯集站，匯集6000兆瓦到10000兆瓦，最后直流架空線直送負荷中心。根據電網運行需要，在受端負荷中心可建設大容量的柔性直流換流站。

這里面涉及直流架空線故障穿越的難題。三山島海上風電柔直工程首次提出無直流斷路器、無集中耗能裝置技術方案。

不依賴直流斷路器實現直流故障穿越，南方電網公司有一定的經驗。在昆柳龍直流工程中已經驗證了柔性直流架空線路故障自清除功能的可靠性。但是這次和昆柳龍直流工程又有不同，因為還需要和風機協同，解決盈余功率等問題。

鄒常躍解釋，“像昆柳龍直流工程，主要是網對網，送端有個電網扛著盈余功率，工程只需要考慮清除故障。但是海上風機一個個是獨立的，一旦陸上電網側發(fā)生故障，海上風機功率調節(jié)速度過慢，就可能導致直流海纜能量堆積、電壓升高、造成設備損壞和系統(tǒng)停運。”這次工程，他們選擇通過控制保護策略實現和風機的協同。

三山島海上風電柔直工程將利用風機全功率變流器自帶的耗能裝置實現盈余功率分散式就地耗散。“耗能這個能力每個風機本身都具備，它會配合電網做協調，但是比較慢。以前，告訴它一次得500毫秒到1秒鐘，電網的柔直閥只能硬抗10毫秒左右，再算上故障檢測等時間，留給協調的時間最多1毫秒。”根據南網科研院團隊和設備廠家最近在廣東臨海風電試驗基地做的快速調用風機耗能裝置模擬試驗，“確定大概600微秒就可以完成協調。試驗有效驗證了海風柔直輸電工程無直流斷路器、無集中耗能裝置的技術方案可行性。”鄒常躍說。

陽江三山島海上風電柔直輸電工程帶來的新挑戰(zhàn)還有很多。彭穗認為：“海上風電發(fā)展到最后，制約我們發(fā)展的可能不是我們最開始設想的困難。但是通過這樣一個工程，我們用創(chuàng)新突破難關，從源頭上解決大規(guī)模、遠距離海上風電送出難題，非常有價值。