近年來，隨著我國風電企業(yè)不斷探索開發(fā)深遠海風電項目，風電輸變電系統(tǒng)創(chuàng)新開始聚焦于輸電距離長且投資成本相對可控的柔性直流與低頻輸電技術上。
2021年，三峽能源江蘇如東海上風電柔性直流輸電工程投運。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)應用、設備適海性設計和測試等技術難題，是國內(nèi)首次將柔性直流輸電技術應用于海上風電送出領域。三峽能源江蘇如東海上風電柔性直流輸電工程的海上換流站，也成為當時全球容量最大、電壓等級最高、體積最大的海上換流站?？傆?10萬千瓦裝機容量海上風電項目所生產(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)。
“海上風電的交變直流轉(zhuǎn)換站，平均面積相當于一個足球場，高度相當于15層的居民樓，重達2.2萬噸，運維和投資費用十分巨大。如果海上風電項目的輸電距離沒有達到一定的長度，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海直流輸電的中間頻率上，這就使低頻輸電技術有了用武之地。
相比直流，海上風電低頻輸電系統(tǒng)可利用風電機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)。由于無需建設換流站等設施，整個輸電工程的造價更低。
“總的來說，隨著離岸距離越來越遠，工頻交流送出越發(fā)困難，成本相應上浮。在當前產(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)濟性。因此，低頻輸電在特定送出距離情況下將更有經(jīng)濟性。”上海電氣風電集團股份有限公司（下稱“電氣風電”）工程與技術研究院副院長曹廣啟在接受《風能》采訪時表示，“基于現(xiàn)有項目執(zhí)行經(jīng)驗，離岸送出距離80公里到170公里左右的項目可以考慮采用低頻方案，并通過詳細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)、無功補償、電壓動態(tài)支撐等，能夠?qū)崿F(xiàn)海上風電場黑啟動，可建立系統(tǒng)電壓/頻率，更適合于風電等新能源并網(wǎng)送出、電網(wǎng)互聯(lián)、海島供電與互聯(lián)等應用場景。
在海上風電低頻輸電系統(tǒng)中，低頻風電機組的改造與應用最為關鍵。
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、開斷設備及機組自耗電電氣設備等做適應性設計，與電氣設備相連接的整機系統(tǒng)也需要做相應的調(diào)整。
“低頻風電機組設計目前沒有國家標準可循，電氣系統(tǒng)設計更要結合借鑒工頻標準及低頻仿真、實物試驗開展，確保電氣設備的可靠。電氣風電協(xié)同國內(nèi)高校、科研院所、電力科學院、成套設計方、權威檢測中心等機構共同論證，在標準空白的情況下，突破性地實現(xiàn)了低頻方案在海上風電的批量產(chǎn)品應用。”曹廣啟表示，“低頻機組不僅是低頻電氣方案的突破，更是風電整機基于場景工況統(tǒng)籌精細化設計。一個直觀的例子是，當前低頻變壓設備的重量比工頻變壓設備重約1.5倍，給整機載荷、承載部件結構設計帶來較大的難度，在適配低頻電氣設計的同時，需要考慮整機設計的最優(yōu)方案。”
不久前，電氣風電下線了全球最大的低頻海上風電機組，單機容量達到16MW。該機型參與了浙江玉環(huán)2號海上低頻風電示范項目風電機組設備競標，并成功中標19臺共304MW海上風電機組訂單。項目將于2025年全容量并網(wǎng)。
“電氣風電充分調(diào)研了市場需求，分別推出了16MW工頻機組和16MW低頻機組，針對浙江等高風速海域及深遠海場景給出了產(chǎn)品和解決方案。從整機系統(tǒng)結合風電場角度進行了機組設計，這不僅是低頻系統(tǒng)的技術實現(xiàn)，更達成了產(chǎn)品功能和性能的最佳狀態(tài)。”曹廣啟介紹道。
曹廣啟認為，電氣風電低頻風電機組的首個批量項目應用，將推動低頻技術產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，使其更有經(jīng)濟性。
目前，除大陳島和浙江玉環(huán)2號項目外，還有不少項目適合采用低頻輸電技術。而隨著遠海風電開發(fā)的逐步展開，低頻輸電技術的應用規(guī)模將不斷增長。并且除遠海風電外，低頻風電機組還可以解決沙戈荒大基地匯集組網(wǎng)場景下的偏遠地區(qū)新能源消納受限問題，從而實現(xiàn)海陸并舉多場景延伸。
來源：《風能》雜志，文：趙靚
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