1 海上風電向深遠海發(fā)展
從海上風電技術的當前發(fā)展趨勢來看，為了獲取更多的風能，海上風電平臺有單個項目裝機量越來越大，離岸距離也由近及遠的趨勢發(fā)展。以德國、英國為代表的海上風電技術領先國家已經率先布局深遠海風電。
德國目前在運的400 MW大容量風電場離岸距離均在100 km左右;2017年投運的Sandbank風電場裝機288 MW，最遠離岸距離達到123 km;已經核建的EnBW He Dreiht海上風電場計劃裝機900 MW，離岸距離103.6 km。英國已核準風電場Dogger Bank，其裝機容量將達到4800 MW，離岸距離為131~290 km。
圖1 海上風電平均水深和離岸距離預測
中國海岸線長，可利用海域面積廣，海上風力資源儲備豐富。風能資源普查結果顯示，中國5~25 m水深、50 m高度海上風電開發(fā)潛力約2億 kW，5~50 m水深、100 m高度海上風電開發(fā)潛力約5億 kW。因此，考慮資源潛力、消納能力以及近海海域用地日益緊張等因素，深遠海風電將成為未來海上風電發(fā)展的重要方向。
2 傳輸容量越來越大
目前，我國海上風機容量主要以3~4MW風電機組為主。6MW機組也已經有實際應用。我國也正朝著研制大功率海上風機方向邁進。突破8 MW及以上高可靠性海上風機的關鍵技術已經被列入中國電機工程學會編制的《“十三五”電力科技重大技術方向研究報告》。如上海電氣、南車株洲電力、明陽風電、東方電氣在內的多家整機廠商引也都在全力研制大型海上風電機組。7月12日，由東方電氣集團和中國三峽集團聯合開發(fā)的我國首臺10兆瓦海上風電機組在福建興化灣二期海上風電場成功并網發(fā)電，這是目前我國自主研發(fā)并投入運行的單機容量亞太最大、全球第二大的海上風電機組，刷新了我國海上風電機組單機容量新紀錄。海上風機平均單機容量呈逐年上升的態(tài)勢。
二 全直流海上風電系統(tǒng)代表未來發(fā)展趨勢
伴隨著離岸距離越來越長，傳統(tǒng)交流輸電因為就近的接入電網主要是低壓配電網，這樣的輸電系統(tǒng)R/X比值較大、短路容量較低;而使用HVAC并網方式需要接入電網的短路容量比較大，進一步制約了海上風電場的并網容量。此外，HVAC并網方式也意味著風電場和所接入的陸上交流系統(tǒng)必須保持同步，無論是風電場側，還是系統(tǒng)側發(fā)生故障都會直接影響到另一側。隨著離岸距離的增加，HVAC并網方式的經濟性和可靠性會降低，使其在遠距離大容量海上風電場并網中的應用非常有限。
因此，基于柔性直流的海上風電輸送系統(tǒng)將成為未來海上風電發(fā)展的主要技術路線，其典型拓撲結構如下圖2所示。
圖2 海上風電集中換流平臺柔性直流輸電方式
鑒于現有海上風電場中存在的問題，以及柔性直流技術的不斷發(fā)展，不僅使用直流技術進行風電場電能的輸送和并網，在風電場內部也使用直流技術匯集電能的全直流海上風電場成為近年來的研究熱點。使用直流技術匯集電能可以有效簡化海上風電場從發(fā)電到并網的整個過程，避免對電能進行多次的整流、逆變和升壓，從而減少系統(tǒng)投資、降低損耗;更為重要的是，全直流海上風電場采用了高頻變壓器和電力電子設備等，能夠減輕海上平臺載荷，降低建設維護成本。海上風電場采用直流匯集時，可通過使用重量更輕、功率密度更高的DC/DC變換器進行升壓。此外，全直流海上風電系統(tǒng)采用壓源型換流站，能夠保持友好并網的性能，獨立控制與電網交換的有功和無功功率，還可以保證良好的電能質量?？梢?，全直流海上風電場在設備的體積和重量、系統(tǒng)損耗、并網友好性、建設成本等方面均優(yōu)于現有的海上交流風電場。
面向我國高效、低成本、大規(guī)模開發(fā)海上風能資源的巨大需求，適應海上風電傳輸容量越來越大、傳輸距離越來越遠的發(fā)展趨勢，風電場能量匯集和輸送都采用直流的全直流海上風電系統(tǒng)具有重大技術創(chuàng)新導向。
三 海上風電全直流組網方式
目前直流海上風電場拓撲根據其升高直流電壓的方式大體可以分為三類，即非直流升壓方式、通過風力發(fā)電機的串聯連接升高直流電壓的方式和通過DC/DC變換器升高直流電壓的方式。其中，海上風電DC/DC升壓型匯集與輸送系統(tǒng)即為全直流海上風電系統(tǒng)。
由于現有風電機組出口電壓都比較低(690V)，經PWM整流后一般不會超過2 kV。如果在這個電壓等級下進行直流連接并網，電纜損耗勢必會比較大，直接影響傳輸效率，所以需要用DC/DC變換器將機組側整流器的電壓升高到風電場內部直流電網的電壓水平。按照DC/DC變換器的數量及其在風電場中的位置，全直流海上風系統(tǒng)大致可以分為三類：兩級升壓結構、集中升壓結構和機端升壓結構。
1 兩級升壓結構
圖3為兩級升壓型全直流海上風電場，由風力發(fā)電機發(fā)出的電能整流后先進行一次升壓，然后經中壓直流電網匯集到海上換流站后進行二次升壓，最后通過高壓直流輸電線路輸送至岸上交流系統(tǒng)。
圖3 基于兩級升壓結構的全直流海上風電系統(tǒng)
這種結構下，風電場內部用直流電纜取代交流電纜;此外，由于風機側直接接入DC變換器，不僅使得風場內的電纜損耗減少，且在得到更低損耗、更大傳輸容量、更省材料的優(yōu)勢的同時，也解決了原有的風場內部無功電壓問題。全直流型風電場采用高功率密度的電力電子變換器，可省去笨重的工頻變壓器及多余的變電環(huán)節(jié)，降低海上平臺的載荷。這種方式也代表了未來大型海上風電場匯流及遠距離傳輸并網的發(fā)展趨勢。但是在實際工程中的應用仍有待于高效率和高功率密度的高壓大容量DC/DC變換器技術發(fā)展到成熟程度(雖然該拓撲在電能匯集過程中的能量損耗比較小，但由于需要進行二次升壓，DC/DC變換器的投資比較大，由升壓過程引起的能量損耗也比較大;附加的變換器并不會大幅改善功率因數，相反提高了控制的難度)。
2 集中升壓結構
圖4為集中升壓型全直流海上風電場，由風力發(fā)電機發(fā)出的電能整流后經低壓直流電網匯集到海上換流站，然后通過一次升壓直接升至高壓。
圖4 基于集中升壓型結構的全直流海上風電系統(tǒng)
這種采用單臺DC升壓器的風電場直流并網拓撲結構，可以有效避免因配置多臺DC變換器導致的環(huán)流發(fā)生;同時，風機發(fā)出的功率經機側VSC后，很有可能因為變換電平數不夠，導致基波分量比重小而產生諧波，無法排除所有耦合量，實現完全單位功率因數運行，此時就可以在集中升壓時通過對DC/DC變換器的控制，再次進行濾波，提高電能質量。此外，該拓撲在DC/DC變換器上的投資較小，由升壓過程引起的能量損耗也相對較小，靈活性強，機組整流環(huán)節(jié)耦合性低，易于控制。這種拓撲還具有站間通信少，組成單元之間獨立性強，可根據控制自由開斷，便于檢修的優(yōu)點。然而，由于目前風力發(fā)電機機端線電壓最高只有5 kV，因此低壓直流電網的電壓也比較低，從而導致電能匯集過程中的能量損耗比較大。
3 機端升壓結構
圖5為機端升壓型海上直流風電場，由風力發(fā)電機發(fā)出的電能整流后通過一次升壓直接升至高壓，然后匯集到一起通過高壓直流輸電線路傳輸到岸上。
該拓撲不僅在DC/DC變換器上的投資較小，而且由于是在風力發(fā)電機出口處直接進行升壓，電能匯集過程中的能量損耗也較小，此外機側電壓功率控制相對獨。但是大量的DC/DC變換器直接連接在機側整流器上，使得控制參數及耦合量變多，增加了機側整體換流環(huán)節(jié)的控制復雜程度。此外，大量DC/DC變換器的安裝，會增大風電場機側的建設難度。
圖5 基于機端升壓結構的全直流海上風電系統(tǒng)
綜上，機端升壓結構無論是對岸能量輸送還是風電場內部能量匯集均采用高壓直流輸電線路，因而線路損耗較小;集中升壓結構僅需要一臺直流變壓器(或一個海上換流平臺)，因而其不僅投資較小，而且升壓過程中引起的能量損耗也相對較小;兩級升壓結構不僅需要對每臺風力機配置相應的直流變壓器，而且需要建設公用的海上換流平臺完成能量匯集與集中升壓，因而該方案下直流變壓器的投資以及系統(tǒng)的能量損耗相對較大。但值得注意是，無論是機端升壓結構還是集中升壓結構，其對于直流變壓器的變比要求均達幾十倍，在這樣的高壓大功率場合中，如此高的電壓變比使得直流變壓器的設計相當困難;而在兩級升壓結構中，每級直流變壓器的變比可控制在十以內，因而從變比的角度而言，兩級升壓組網方式更易于工程實現。
下表從損耗、效率、投資成本、功率需求、變比要求、工程實現難易程度的角度對于全直流海上風電場組網結構進行了對比和總結。
表1 全直流海上風電場組網結構特性比較
四 技術趨勢與研究方向展望
從裝置層面看，全直流型風電場中的關鍵變換器均工作在高電壓、大功率的環(huán)境下，采用 MMC技術是必然的選擇，同時大功率 DC/DC 的實現也依賴于中頻變壓器的技術突破。
從控制層面看，大規(guī)模海上風電的接入對交流主網的穩(wěn)定運行帶來諸多挑戰(zhàn)。主要體現在減小了電網的慣量，對電網頻率變化無阻尼，無法為電網提供必要的頻率支撐等。因此需要研究大型海上直流型風電場的電網友好并網機制與控制策略，為海上風場的運行控制提供理論依據。
從保護層面看，考慮到直流斷路器的損耗和成本，研究新型可隔離直流故障的變換器技術，探索通過直流型風電場 中電力電子變換器的快速動作去實現直流故障的隔離意義重大。
隨著海上風機的大型化發(fā)展、風場區(qū)域的不斷擴大及柔性直流輸電技術的進步，全部采用直流匯集和傳輸電力的全直流型海上風電場呼之欲出。全直流風場的規(guī)模將達到 400～1000MW、采用30～60kV的匯流電壓和±320kV左右的輸電電壓。組建全直流風電場要解決的基礎問題涉及到：風電場的組網方式、風電機組電力的直流變換與控制、直流升壓變換與海上直流升壓站的控制、岸上換流站的并網控制、直流風場的故障隔離與保護等。這些問題將是未來全直流海上風電的研究熱點。
由于MMC具有高壓、高效、靈活的特點，基于該電路拓撲可以解決直流升壓問題，高變比直流升壓問題的有效解決使得海上升壓站采用直流并聯能量匯聚方式的優(yōu)越性凸現，這樣海上升壓站的技術關鍵就凝聚到單入單出、高變比DC/DC上。另外，大規(guī)模海上風電的集中并網給電網造成大的沖擊、影響電網的穩(wěn)定運行，而直流風場經岸上換流站這一大型逆變器并網，為實施風電場友好并網控制創(chuàng)造了條件，目前的控制策略使風場對電網體現為電流源性質，無法為 電網提供慣量和阻尼，需要研究風電場的電壓源型控制方法。
以400～1000MW的海上風場為背景，需重點研究的發(fā)展方向包括 ：1)風電機組電力的高效直流電力變換與控制;2)海上升壓站用高變比直流升壓變換與控制;3)全直流風場的 電網友好并網機制與控制策略。解決上述關鍵技術問題，將會對大型海上全直流風電場在未來的工程實現產生巨大的推動作用。適時開展針對深遠海全直流型風電場的研究，具有現實的理論意義和應用價值。
