浙江在“十四五”期間重點發展海上風電

　　6月3日，國網浙江省電力有限公司電力科學研究院與臺州供電公司聯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應用的關鍵一步。

　　為了讓中遠海風電高效、經濟送出，浙江電科院組建柔性低頻輸電技術攻關團隊，創新研究電網柔性低頻互聯技術及風機低頻接入技術，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，改善新能源發電的并網特性。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，構建了陸地-海島-風機20赫茲柔性低頻輸電系統。

　　20赫茲 中遠海風電送出更經濟

　　為促進“雙碳”目標實現，“十四五”期間，浙江省重點發展海上風電，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，成為海上風電開發布局的新戰場。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。

　　柔性低頻輸電技術攻關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濟優勢，用在離岸200千米內的中遠海風電送出時成本偏高。

　　為此，攻關團隊開展了電網柔性低頻互聯技術和風機低頻接入技術研究。該技術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、電壓動態調整、異步電網互聯等功能，又兼有交流輸電方式的電壓變換容易、組網便捷等優勢。而且采用該技術不用建設和運維大型海上換流平臺。

　　確定了技術路線只是開始，結合傳輸距離、輸送容量選擇合適的頻率才能高效、經濟輸電。攻關團隊于2019年開展了柔性低頻輸電系統的典型應用研究，結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經濟評價方法。根據未來海上風電建設的容量趨勢，攻關團隊結合技術、經濟多種因素，以100萬千瓦風電實現200千米有效輸送為目標，綜合考慮海島互聯及城市供區互聯等應用場景，選取了20赫茲作為柔性低頻輸電系統頻率。

　　經過計算驗證，攻關團隊確定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，可實現百萬千瓦風電全額送出，比柔性直流輸電更具經濟性。

　　應用M3C 頻率轉換更高效

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

　　但要實現工程應用還需突破諸多技術難題。為實現高效的頻率轉換，攻關團隊需要考慮M3C換頻閥與低頻風機、低頻海纜等各類設備之間的協同聯接，解決主回路參數設計、過電壓與絕緣配合、控制和保護系統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設計，調整合理的參數和控制策略，以解決M3C換頻閥應用于電網時可能存在的過壓、過流等問題。攻關團隊對M3C換頻閥、低頻風機、低頻海纜等設備進行了系統行為分析和控制策略研究，歷經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，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，攻關團隊提出采用降壓-轉換-升壓的換頻設計，通過參數選配實現較低的電壓等級下轉換頻率，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。

　　為進一步實現頻率轉換的精準控制，攻關團隊對換流閥的配套控制保護裝置開展實驗室仿真聯調，采用數模混合閉環仿真技術，全面模擬工程應用中可能出現的運行工況，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，將大陳島上的風電進行低頻匯集，經低頻海纜輸送至陸上柔性交流換頻站，再通過頻率轉換將風電匯入大電網。工程投運前，需對關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首套20赫茲額定頻率設備，傳統的工頻試驗方案和試驗儀器不再適用。

　　2021年8月起，攻關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赫茲低頻關鍵設備的試驗大綱。大綱涵蓋低頻變壓器、低頻開關柜、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、關鍵參數、試驗方法及判據。

　　針對需在低頻條件下開展的部分試驗，攻關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，浙江電科院聯合臺州供電公司在工程現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測量，對設備狀態進行了“全面體檢”。

　　除了變頻站內關鍵設備外，低頻海纜運行狀態的檢測和評估也尤為重要。為檢驗低頻海纜絕緣質量，攻關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試階段。浙江電科院正陸續開展多類試驗，保障工程順利投運。（謝浩鎧 馬鈺 朱李）