2021年，三峽能源江蘇如東海上風(fēng)電柔性直流輸電工程投運(yùn)。該工程先后攻克了換流站建造、直流海纜研發(fā)、國產(chǎn)化換流閥研發(fā)應(yīng)用、設(shè)備適海性設(shè)計(jì)和測試等技術(shù)難題，是國內(nèi)首次將柔性直流輸電技術(shù)應(yīng)用于海上風(fēng)電送出領(lǐng)域。三峽能源江蘇如東海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的海上換流站，也成為當(dāng)時(shí)全球容量最大、電壓等級最高、體積最大的海上換流站。總計(jì)110萬千瓦裝機(jī)容量海上風(fēng)電項(xiàng)目所生產(chǎn)的電能，被海上換流站轉(zhuǎn)換為直流電后，通過1回±400kV直流海纜送至陸上換流站，逆變?yōu)?00kV交流電后接入電網(wǎng)。
“海上風(fēng)電的交變直流轉(zhuǎn)換站，平均面積相當(dāng)于一個(gè)足球場，高度相當(dāng)于15層的居民樓，重達(dá)2.2萬噸，運(yùn)維和投資費(fèi)用十分巨大。如果海上風(fēng)電項(xiàng)目的輸電距離沒有達(dá)到一定的長度，輸電成本會比較高。”有研究電力系統(tǒng)的專家坦言。
因此，業(yè)內(nèi)正將目光投向適用于近海50Hz工頻輸電和適用于遠(yuǎn)海直流輸電的中間頻率上，這就使低頻輸電技術(shù)有了用武之地。
相比直流，海上風(fēng)電低頻輸電系統(tǒng)可利用風(fēng)電機(jī)組直接輸出低頻電能，通過匯集系統(tǒng)將低頻電能傳輸至海上平臺，并通過低頻變壓器升壓后經(jīng)海纜線路送出，最后由陸上交交變頻站將其變換為工頻匯入工頻電網(wǎng)。由于無需建設(shè)換流站等設(shè)施，整個(gè)輸電工程的造價(jià)更低。
“總的來說，隨著離岸距離越來越遠(yuǎn)，工頻交流送出越發(fā)困難，成本相應(yīng)上浮。在當(dāng)前產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀下，直流方案成本高，需要長距離送出才有經(jīng)濟(jì)性。因此，低頻輸電在特定送出距離情況下將更有經(jīng)濟(jì)性。”上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司（下稱“電氣風(fēng)電”）工程與技術(shù)研究院副院長曹廣啟在接受《風(fēng)能》采訪時(shí)表示，“基于現(xiàn)有項(xiàng)目執(zhí)行經(jīng)驗(yàn)，離岸送出距離80公里到170公里左右的項(xiàng)目可以考慮采用低頻方案，并通過詳細(xì)的專題比選做最終的路線選擇。”
除了具有一定的成本優(yōu)勢外，柔性低頻輸電采用了電壓源型換流器，具備類似柔性直流輸電的柔性調(diào)控能力，如潮流靈活調(diào)節(jié)、無功補(bǔ)償、電壓動態(tài)支撐等，能夠?qū)崿F(xiàn)海上風(fēng)電場黑啟動，可建立系統(tǒng)電壓/頻率，更適合于風(fēng)電等新能源并網(wǎng)送出、電網(wǎng)互聯(lián)、海島供電與互聯(lián)等應(yīng)用場景。
在海上風(fēng)電低頻輸電系統(tǒng)中，低頻風(fēng)電機(jī)組的改造與應(yīng)用最為關(guān)鍵。
據(jù)曹廣啟介紹，從工頻50Hz到低頻20Hz，需針對電氣系統(tǒng)，如核心的變流器、變壓器、開斷設(shè)備及機(jī)組自耗電電氣設(shè)備等做適應(yīng)性設(shè)計(jì)，與電氣設(shè)備相連接的整機(jī)系統(tǒng)也需要做相應(yīng)的調(diào)整。
“低頻風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)目前沒有國家標(biāo)準(zhǔn)可循，電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)更要結(jié)合借鑒工頻標(biāo)準(zhǔn)及低頻仿真、實(shí)物試驗(yàn)開展，確保電氣設(shè)備的可靠。電氣風(fēng)電協(xié)同國內(nèi)高校、科研院所、電力科學(xué)院、成套設(shè)計(jì)方、權(quán)威檢測中心等機(jī)構(gòu)共同論證，在標(biāo)準(zhǔn)空白的情況下，突破性地實(shí)現(xiàn)了低頻方案在海上風(fēng)電的批量產(chǎn)品應(yīng)用。”曹廣啟表示，“低頻機(jī)組不僅是低頻電氣方案的突破，更是風(fēng)電整機(jī)基于場景工況統(tǒng)籌精細(xì)化設(shè)計(jì)。一個(gè)直觀的例子是，當(dāng)前低頻變壓設(shè)備的重量比工頻變壓設(shè)備重約1.5倍，給整機(jī)載荷、承載部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來較大的難度，在適配低頻電氣設(shè)計(jì)的同時(shí)，需要考慮整機(jī)設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案。”
不久前，電氣風(fēng)電下線了全球最大的低頻海上風(fēng)電機(jī)組，單機(jī)容量達(dá)到16MW。該機(jī)型參與了浙江玉環(huán)2號海上低頻風(fēng)電示范項(xiàng)目風(fēng)電機(jī)組設(shè)備競標(biāo)，并成功中標(biāo)19臺共304MW海上風(fēng)電機(jī)組訂單。項(xiàng)目將于2025年全容量并網(wǎng)。
“電氣風(fēng)電充分調(diào)研了市場需求，分別推出了16MW工頻機(jī)組和16MW低頻機(jī)組，針對浙江等高風(fēng)速海域及深遠(yuǎn)海場景給出了產(chǎn)品和解決方案。從整機(jī)系統(tǒng)結(jié)合風(fēng)電場角度進(jìn)行了機(jī)組設(shè)計(jì)，這不僅是低頻系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，更達(dá)成了產(chǎn)品功能和性能的最佳狀態(tài)。”曹廣啟介紹道。
曹廣啟認(rèn)為，電氣風(fēng)電低頻風(fēng)電機(jī)組的首個(gè)批量項(xiàng)目應(yīng)用，將推動低頻技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，使其更有經(jīng)濟(jì)性。
目前，除大陳島和浙江玉環(huán)2號項(xiàng)目外，還有不少項(xiàng)目適合采用低頻輸電技術(shù)。而隨著遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)的逐步展開，低頻輸電技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模將不斷增長。并且除遠(yuǎn)海風(fēng)電外，低頻風(fēng)電機(jī)組還可以解決沙戈荒大基地匯集組網(wǎng)場景下的偏遠(yuǎn)地區(qū)新能源消納受限問題，從而實(shí)現(xiàn)海陸并舉多場景延伸。
來源：《風(fēng)能》雜志，文：趙靚
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