浙江在“十四五”期間重點發(fā)展海上風電

　　6月3日，國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院與臺州供電公司聯(lián)合完成了臺州柔性低頻輸電示范工程中低頻風電機組的并網(wǎng)試驗。就在9天前，該工程的柔性交流換頻閥帶海纜運行試驗取得成功，首次實現(xiàn)20赫茲低頻交流電在海底電纜上的功率傳輸，邁出了柔性低頻輸電技術(shù)應用的關(guān)鍵一步。

　　為了讓中遠海風電高效、經(jīng)濟送出，浙江電科院組建柔性低頻輸電技術(shù)攻關(guān)團隊，創(chuàng)新研究電網(wǎng)柔性低頻互聯(lián)技術(shù)及風機低頻接入技術(shù)，并在35千伏柔性低頻輸電示范工程中應用，提升海纜輸送風電的能力，改善新能源發(fā)電的并網(wǎng)特性。該工程在臺州落地，主體包含低頻風機、低頻海纜、柔性交流換頻站等，構(gòu)建了陸地-海島-風機20赫茲柔性低頻輸電系統(tǒng)。

　　20赫茲 中遠海風電送出更經(jīng)濟

　　為促進“雙碳”目標實現(xiàn)，“十四五”期間，浙江省重點發(fā)展海上風電，著力打造海上風電基地。隨著近海風電項目的站址資源日趨緊張，中遠海因具有更廣闊的海域、更豐富的風能資源，成為海上風電開發(fā)布局的新戰(zhàn)場。目前，近海的風電主要采用50赫茲交流方式傳輸。由于海纜的充電無功功率相對較大，有功功率的傳輸受限，風電傳輸距離一旦超過70千米就很難有效送出。

　　柔性低頻輸電技術(shù)攻關(guān)團隊成員倪曉軍介紹，柔性直流輸電(頻率為0赫茲)不存在海纜充電無功功率問題，有效傳輸距離更遠。但該方式需要配備大型海上換流平臺，在200千米以外的遠海風電送出時更具經(jīng)濟優(yōu)勢，用在離岸200千米內(nèi)的中遠海風電送出時成本偏高。

　　為此，攻關(guān)團隊開展了電網(wǎng)柔性低頻互聯(lián)技術(shù)和風機低頻接入技術(shù)研究。該技術(shù)通過電力電子裝置控制，可靈活選擇0至50赫茲的頻率輸送電能，既具有與柔性直流輸電相似的功率控制、電壓動態(tài)調(diào)整、異步電網(wǎng)互聯(lián)等功能，又兼有交流輸電方式的電壓變換容易、組網(wǎng)便捷等優(yōu)勢。而且采用該技術(shù)不用建設和運維大型海上換流平臺。

　　確定了技術(shù)路線只是開始，結(jié)合傳輸距離、輸送容量選擇合適的頻率才能高效、經(jīng)濟輸電。攻關(guān)團隊于2019年開展了柔性低頻輸電系統(tǒng)的典型應用研究，結(jié)合柔性低頻輸電的傳輸能力分析、損耗分析和設備選型，建立了柔性低頻輸電技術(shù)經(jīng)濟評價方法。根據(jù)未來海上風電建設的容量趨勢，攻關(guān)團隊結(jié)合技術(shù)、經(jīng)濟多種因素，以100萬千瓦風電實現(xiàn)200千米有效輸送為目標，綜合考慮海島互聯(lián)及城市供區(qū)互聯(lián)等應用場景，選取了20赫茲作為柔性低頻輸電系統(tǒng)頻率。

　　經(jīng)過計算驗證，攻關(guān)團隊確定20赫茲輸電的適宜距離為離岸70千米至185千米的中遠海范圍內(nèi)，可實現(xiàn)百萬千瓦風電全額送出，比柔性直流輸電更具經(jīng)濟性。

　　應用M3C 頻率轉(zhuǎn)換更高效

　　我國負荷側(cè)應用的是50赫茲的工頻交流電，通過低頻傳輸后的電能還需經(jīng)過頻率轉(zhuǎn)換方可并網(wǎng)。近年來，隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，模塊化多電平矩陣變換器(M3C)拓撲逐漸成熟。該拓撲結(jié)構(gòu)具有模塊化程度高、輸出諧波特性好等優(yōu)勢。2021年2月，攻關(guān)團隊提出將M3C拓撲應用于當時正在規(guī)劃中的臺州柔性低頻輸電示范工程，以實現(xiàn)高效的電能頻率轉(zhuǎn)換。

　　但要實現(xiàn)工程應用還需突破諸多技術(shù)難題。為實現(xiàn)高效的頻率轉(zhuǎn)換，攻關(guān)團隊需要考慮M3C換頻閥與低頻風機、低頻海纜等各類設備之間的協(xié)同聯(lián)接，解決主回路參數(shù)設計、過電壓與絕緣配合、控制和保護系統(tǒng)設計等多方面的問題。同時，M3C換頻閥由眾多功率子模塊組合而成，不同頻率的能量在各模塊中分散交換，風電接入引起的隨機波動也導致系統(tǒng)運行工況更為復雜，換頻閥精準控制難度較大。

　　為此，2021年5～9月，攻關(guān)團隊先后針對不同的應用場景開展工程的建設方案和設備參數(shù)設計，調(diào)整合理的參數(shù)和控制策略，以解決M3C換頻閥應用于電網(wǎng)時可能存在的過壓、過流等問題。攻關(guān)團隊對M3C換頻閥、低頻風機、低頻海纜等設備進行了系統(tǒng)行為分析和控制策略研究，歷經(jīng)30萬余次仿真驗證，確定了換頻閥、低頻變壓器等工程設備的核心參數(shù)，設計了不同運行工況或故障情況下M3C換頻閥的針對性控制保護策略。

　　設計過程中，攻關(guān)團隊提出采用降壓-轉(zhuǎn)換-升壓的換頻設計，通過參數(shù)選配實現(xiàn)較低的電壓等級下轉(zhuǎn)換頻率，將35千伏電壓等級的換頻過程，替換為降壓至12千伏轉(zhuǎn)換頻率后再升壓的過程，利用各功率子模塊的額定通流能力，降低換頻閥過電壓和絕緣要求，同時節(jié)約設備制造成本。2021年9月20日，隨著團隊完成最后一組過電壓絕緣計算和避雷器選型，工程的成套設計基本完成。

　　為進一步實現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換的精準控制，攻關(guān)團隊對換流閥的配套控制保護裝置開展實驗室仿真聯(lián)調(diào)，采用數(shù)模混合閉環(huán)仿真技術(shù)，全面模擬工程應用中可能出現(xiàn)的運行工況，于2021年11月至2022年4月先后開展了控制、保護、故障穿越等22個大項的試驗，改善M3C換頻閥運行性能，把頻率轉(zhuǎn)換效率提高至98%以上。5月8日，該換頻閥在工程的鹽場換頻站中正式解鎖運行。

　　測試設備性能 推進工程應用

　　臺州柔性低頻輸電示范工程采用風機低頻接入技術(shù)，將大陳島上的風電進行低頻匯集，經(jīng)低頻海纜輸送至陸上柔性交流換頻站，再通過頻率轉(zhuǎn)換將風電匯入大電網(wǎng)。工程投運前，需對關(guān)鍵設備開展投運前的各類性能試驗。由于該工程所用的低頻設備均為特制的國內(nèi)首套20赫茲額定頻率設備，傳統(tǒng)的工頻試驗方案和試驗儀器不再適用。

　　2021年8月起，攻關(guān)團隊研究頻率變化對設備運行特性的影響，歷時半年主導編制完成一套適用于20赫茲低頻關(guān)鍵設備的試驗大綱。大綱涵蓋低頻變壓器、低頻開關(guān)柜、低頻互感器等設備的型式、出廠、交接試驗的全部試驗項目，明確了各項試驗頻率、關(guān)鍵參數(shù)、試驗方法及判據(jù)。

　　針對需在低頻條件下開展的部分試驗，攻關(guān)團隊研究低頻設備的頻率特性和試驗原理，主導研制了國內(nèi)首套低頻試驗儀器，可開展工程投運前必備的10種試驗項目。4月11日至27日，浙江電科院聯(lián)合臺州供電公司在工程現(xiàn)場采用該套儀器完成了臺州柔性低頻輸電示范工程低頻設備的參數(shù)測量，對設備狀態(tài)進行了“全面體檢”。

　　除了變頻站內(nèi)關(guān)鍵設備外，低頻海纜運行狀態(tài)的檢測和評估也尤為重要。為檢驗低頻海纜絕緣質(zhì)量，攻關(guān)團隊進行了長距離低頻海纜的振蕩波局部放電試驗，分析低頻海纜的局部放電特征，定位局部放電位置，確保海纜“健康”。5月9日，這條海纜在臺州完成敷設，全長達25.7千米，成為臺州大陳島與大陸之間風電輸送的“橋梁”。

　　目前，臺州柔性低頻輸電示范工程進入投運前的調(diào)試階段。浙江電科院正陸續(xù)開展多類試驗，保障工程順利投運。（謝浩鎧 馬鈺 朱李）