柔直技術(shù)支撐風電走向深遠海

大力發(fā)展海上風電是我國構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵路徑。隨著海上風電開發(fā)向深遠海邁進，如何保障電力穩(wěn)定送出成為重要研究課題。

截至5月22日，遠海風電經(jīng)直流送出項目已安全穩(wěn)定運行513天，實現(xiàn)年上網(wǎng)電量約26億千瓦時，相當于約105萬戶家庭年用電量，為海上風電深遠海大規(guī)模開發(fā)提供了關(guān)鍵解決方案。

相關(guān)報告提出，優(yōu)化近海海上風電布局，開展深遠海海上風電規(guī)劃。近年來，我國海上風電裝機容量持續(xù)增長，截至2022年累計裝機容量已超3000萬千瓦，居全球首位。受生態(tài)環(huán)境保護、交通航道占用等因素影響，近海風電資源日趨緊張，遠海具備更廣闊的海域資源和更龐大的風能儲量，開發(fā)潛力更大。

向深遠海挺進，就意味著更遠的輸電距離，風電大規(guī)模并網(wǎng)成了難題。傳統(tǒng)交流傳輸方式受電纜充電功率限制，僅適用于近海小容量風電并網(wǎng)，而遠海大容量海上風電必須采用柔性直流并網(wǎng)技術(shù)。在2016年以前，遠海風電柔直并網(wǎng)技術(shù)仍被國外長期嚴密封鎖，沒有任何經(jīng)驗可供借鑒，自主創(chuàng)新是唯一出路。

為攻克該難題，國網(wǎng)經(jīng)研院組建了遠海風電并網(wǎng)技術(shù)攻關(guān)團隊，相繼攻克高壓大容量遠海風電“源—網(wǎng)—直”交互協(xié)同、直流系統(tǒng)構(gòu)建、成套裝備研發(fā)和工程設計實施等重大技術(shù)難題，完成高壓大容量遠海風電柔性直流系列創(chuàng)新，研發(fā)出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的全套技術(shù)解決方案。

國網(wǎng)經(jīng)研院相關(guān)工程師介紹，“源—直—網(wǎng)”交互協(xié)同難，主要因為大規(guī)模海上風電孤島柔直受端單線、長距離饋入電網(wǎng)，海上風電場無濾波裝置，系統(tǒng)耦合特性復雜、諧波劣化嚴重。攻克該難題后，可以確保百萬千瓦柔直在多故障工況下平穩(wěn)穿越，同時可有效化解海上風電接入柔直系統(tǒng)的寬頻振蕩風險。

該團隊根據(jù)海上柔直環(huán)境惡劣、平臺空間布局緊張、運維工況復雜的特點，研發(fā)出滿足高可靠性、強適海性與免維護等需求的柔性直流系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)，在保證系統(tǒng)安全前提下，柔性直流過電壓、海上設備空間比國外均降低10%以上，大幅降低了核心設備與海上換流平臺的設計制造難度和整體投資水平。

因為缺乏高壓大容量直流耗能裝置、海上換流閥等適海設備，工程進展受到嚴重影響。該團隊提出了高性能、低成本的海上風電柔直核心設備設計標準和研發(fā)技術(shù)規(guī)范，支撐國內(nèi)設備制造單位成功研制出世界電壓等級高的直流耗能裝置、世界首套輕型化適海型±400千伏換流閥等，直流耗能裝置投切電壓波動小于3%，成本和尺寸比國外分布式裝置均降低30%，海上換流閥尺寸和重量比陸上分別降低15%和10%。

據(jù)介紹，如東工程是世界上電壓等級高、輸送容量大的海上風電柔直工程，額定直流電壓為±400千伏，額定容量為1100兆瓦，在破解遠海風電大規(guī)模消納難題上取得重大技術(shù)突破，對我國大規(guī)模遠海風電開發(fā)建設具有重大示范意義。柔性直流具有自主構(gòu)網(wǎng)、靈活可控等優(yōu)勢，可破解交流送出容量、距離受限難題，是目前百萬千瓦、百公里級海上風電并網(wǎng)消納的優(yōu)先手段。

預計2030年，我國遠海風電并網(wǎng)規(guī)模將超過1億千瓦。目前，多條遠海風電柔直并網(wǎng)工程已進入可行論證階段，柔直并網(wǎng)技術(shù)應用前景非常廣闊。但隨著我國海上風電從高補貼階段進入平價上網(wǎng)時代，降低遠海風電的開發(fā)利用成本成為首要任務，亟待研發(fā)輕型緊湊化并網(wǎng)設計技術(shù)。

目前已開發(fā)出輕型化主回路設計技術(shù)，攻克了“阻—感—容”暫態(tài)特性全局優(yōu)化設計方法與百微秒級超高速保護協(xié)同方法，提出了多路徑核心設備功率密度提升技術(shù)，使海上平臺的尺寸、重量相比如東均降低40%以上，使工程的總體投資水平降低30%以上，可實現(xiàn)柔直成套裝備輕型化、海上平臺緊湊化、工程投資低量化的整體設計目標，為大規(guī)模海上風電安全、可靠、經(jīng)濟送出奠定技術(shù)基礎。

業(yè)內(nèi)人士表示，柔性直流輸電技術(shù)因海纜線路輸送容量大、損耗小，使用壽命長，輸送距離基本不受限制，可有效解決海上風電場大容量、遠距離輸電問題，對未來我國海上風電集中連片規(guī)?；瓦h海大容量風電開發(fā)建設具有重要意義。
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