近年來，隨著我國風(fēng)電企業(yè)不斷探索開發(fā)深遠(yuǎn)海風(fēng)電項(xiàng)目，風(fēng)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(shù)上。
2021年，三峽能源江蘇如東海上風(fēng)電柔性直流輸電工程投運(yùn)。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(yīng)用、設(shè)備適海性設(shè)計(jì)和測試等技術(shù)難題，是國內(nèi)首次將柔性直流輸電技術(shù)應(yīng)用于海上風(fēng)電送出領(lǐng)域。三峽能源江蘇如東海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的海上換流站，也成為當(dāng)時(shí)全球容量最大、電壓等級最高、體積最大的海上換流站。總計(jì)110萬千瓦裝機(jī)容量海上風(fēng)電項(xiàng)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(fēng)電的交變直流轉(zhuǎn)換站，平均面積相當(dāng)于一個(gè)足球場，高度相當(dāng)于15層的居民樓，重達(dá)2.2萬噸，運(yùn)維和投資費(fèi)用十分巨大。如果海上風(fēng)電項(xiàng)目的輸電距離沒有達(dá)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(yuǎn)海直流輸電的中間頻率上，這就使低頻輸電技術(shù)有了用武之地。
相比直流，海上風(fēng)電低頻輸電系統(tǒng)可利用風(fēng)電機(jī)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(shè)換流站等設(shè)施，整個(gè)輸電工程的造價(jià)更低。
“總的來說，隨著離岸距離越來越遠(yuǎn)，工頻交流送出越發(fā)困難，成本相應(yīng)上浮。在當(dāng)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(jì)性。因此，低頻輸電在特定送出距離情況下將更有經(jīng)濟(jì)性。”上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司（下稱“電氣風(fēng)電”）工程與技術(shù)研究院副院長曹廣啟在接受《風(fēng)能》采訪時(shí)表示，“基于現(xiàn)有項(xiàng)目執(zhí)行經(jīng)驗(yàn)，離岸送出距離80公里到170公里左右的項(xiàng)目可以考慮采用低頻方案，并通過詳細(xì)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(bǔ)償、電壓動態(tài)支撐等，能夠?qū)崿F(xiàn)海上風(fēng)電場黑啟動，可建立系統(tǒng)電壓/頻率，更適合于風(fēng)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(yīng)用場景。
在海上風(fēng)電低頻輸電系統(tǒng)中，低頻風(fēng)電機(jī)組的改造與應(yīng)用最為關(guān)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(shè)備及機(jī)組自耗電電氣設(shè)備等做適應(yīng)性設(shè)計(jì)，與電氣設(shè)備相連接的整機(jī)系統(tǒng)也需要做相應(yīng)的調(diào)整。
“低頻風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)目前沒有國家標(biāo)準(zhǔn)可循，電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)更要結(jié)合借鑒工頻標(biāo)準(zhǔn)及低頻仿真、實(shí)物試驗(yàn)開展，確保電氣設(shè)備的可靠。電氣風(fēng)電協(xié)同國內(nèi)高校、科研院所、電力科學(xué)院、成套設(shè)計(jì)方、權(quán)威檢測中心等機(jī)構(gòu)共同論證，在標(biāo)準(zhǔn)空白的情況下，突破性地實(shí)現(xiàn)了低頻方案在海上風(fēng)電的批量產(chǎn)品應(yīng)用。”曹廣啟表示，“低頻機(jī)組不僅是低頻電氣方案的突破，更是風(fēng)電整機(jī)基于場景工況統(tǒng)籌精細(xì)化設(shè)計(jì)。一個(gè)直觀的例子是，當(dāng)前低頻變壓設(shè)備的重量比工頻變壓設(shè)備重約1.5倍，給整機(jī)載荷、承載部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來較大的難度，在適配低頻電氣設(shè)計(jì)的同時(shí)，需要考慮整機(jī)設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案。”
不久前，電氣風(fēng)電下線了全球最大的低頻海上風(fēng)電機(jī)組，單機(jī)容量達(dá)到16MW。該機(jī)型參與了浙江玉環(huán)2號海上低頻風(fēng)電示范項(xiàng)目風(fēng)電機(jī)組設(shè)備競標(biāo)，并成功中標(biāo)19臺共304MW海上風(fēng)電機(jī)組訂單。項(xiàng)目將于2025年全容量并網(wǎng)。
“電氣風(fēng)電充分調(diào)研了市場需求，分別推出了16MW工頻機(jī)組和16MW低頻機(jī)組，針對浙江等高風(fēng)速海域及深遠(yuǎn)海場景給出了產(chǎn)品和解決方案。從整機(jī)系統(tǒng)結(jié)合風(fēng)電場角度進(jìn)行了機(jī)組設(shè)計(jì)，這不僅是低頻系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，更達(dá)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(rèn)為，電氣風(fēng)電低頻風(fēng)電機(jī)組的首個(gè)批量項(xiàng)目應(yīng)用，將推動低頻技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，使其更有經(jīng)濟(jì)性。
目前，除大陳島和浙江玉環(huán)2號項(xiàng)目外，還有不少項(xiàng)目適合采用低頻輸電技術(shù)。而隨著遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)的逐步展開，低頻輸電技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模將不斷增長。并且除遠(yuǎn)海風(fēng)電外，低頻風(fēng)電機(jī)組還可以解決沙戈荒大基地匯集組網(wǎng)場景下的偏遠(yuǎn)地區(qū)新能源消納受限問題，從而實(shí)現(xiàn)海陸并舉多場景延伸。
來源：《風(fēng)能》雜志，文：趙靚
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