王秀麗，趙勃揚(yáng)，鄭伊俊，寧聯(lián)輝，楊 勇

（1.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，西安 710049 2.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，蘭州 730050）

0 引言

為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，發(fā)展非煤炭的新能源將成為電力能源側(cè)推進(jìn)減少碳排放的重要手段。海上風(fēng)電風(fēng)能穩(wěn)定、不占用陸地面積，適宜大規(guī)模開發(fā)；且其靠近電力負(fù)荷中心，便于電網(wǎng)就地消納，避免了風(fēng)電的長(zhǎng)距離運(yùn)輸[1]，因此海上風(fēng)電的開發(fā)利用在近年來受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[2-4]。

我國(guó)海上風(fēng)能資源豐富，據(jù)評(píng)測(cè)在5～50 m 水深、70 m 高度可裝機(jī)容量約為5 億kW，50 m 水深以上的深海區(qū)域可裝機(jī)容量約為13 億kW[5]，發(fā)展海上風(fēng)電具有現(xiàn)實(shí)意義。世界上第一座海上風(fēng)電場(chǎng)坐落于丹麥的Vindeby，擁有11 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，于1991 年并網(wǎng)、2017 年拆除，其離岸距離為1.5～3 km，目前幾乎所有的海上風(fēng)電場(chǎng)離岸距離均大于這個(gè)距離。從2010 年開始，全球海上風(fēng)電發(fā)展呈現(xiàn)大規(guī)模化、遠(yuǎn)深?；厔?shì)[6-7]。如英國(guó)Hornsea One 風(fēng)電場(chǎng)為目前全球最大的海上風(fēng)電場(chǎng)，其裝機(jī)容量為1 218 MW，離岸距離為120 km。

據(jù)GWEC（全球風(fēng)能理事會(huì)）統(tǒng)計(jì)[8-9]，2020年全球風(fēng)電新增裝機(jī)容量為93 GW，海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量為6.07 GW，其中中國(guó)新增裝機(jī)容量為3.06 GW，占全球新增裝機(jī)容量的50%。據(jù)估計(jì)，在2030 年風(fēng)電年裝機(jī)容量將達(dá)到280 GW，為2020 年的3 倍。隨著大型風(fēng)機(jī)造價(jià)和運(yùn)維成本的降低，風(fēng)電的平準(zhǔn)化度電成本也將大大降低，其中陸上風(fēng)電降低為2018 年的75%，海上風(fēng)電降低為2018 年的45%。

近年來，多個(gè)國(guó)家依據(jù)各自能源轉(zhuǎn)型路線上調(diào)海上風(fēng)電發(fā)展目標(biāo)，同時(shí)又有新的國(guó)家進(jìn)入海上風(fēng)電領(lǐng)域，海上風(fēng)電裝機(jī)比重將逐步提高。美國(guó)在2021 年3 月宣布將建設(shè)30 GW 海上風(fēng)電項(xiàng)目，而此前美國(guó)只有42 MW 海上風(fēng)電運(yùn)行。丹麥2019 年電源總裝機(jī)容量為15 167 MW，其中風(fēng)電總裝機(jī)容量為6 103 MW（海上風(fēng)電裝機(jī)容量為1 701 MW），當(dāng)年風(fēng)電電量占總電量47.2%；規(guī)劃在2030 年前新建海上風(fēng)電2.4 GW，一期計(jì)劃新建800～1 000 MW 風(fēng)電場(chǎng)“Thor”。法國(guó)受漁業(yè)、民航和國(guó)家安全限制，截至2020 年有16.6 GW 陸上風(fēng)電和2 MW 海上風(fēng)電，預(yù)計(jì)在2023 年將新增海上風(fēng)電裝機(jī)容量976 MW，2028 年海上風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)8.75 GW。

1 海上風(fēng)電發(fā)電前沿技術(shù)

近海風(fēng)電資源開發(fā)加快，風(fēng)電向深遠(yuǎn)海發(fā)展成為必然。為實(shí)現(xiàn)更高效率風(fēng)能捕獲與利用，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量增加，漂浮式風(fēng)機(jī)商業(yè)化應(yīng)用以及風(fēng)電/儲(chǔ)能新技術(shù)成為海上風(fēng)電發(fā)電重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域。

1.1 新一代海上風(fēng)機(jī)

海上風(fēng)機(jī)容量呈現(xiàn)大型化發(fā)展趨勢(shì)，圖1 和圖2 分別展示了國(guó)外、國(guó)內(nèi)海上風(fēng)機(jī)技術(shù)路線及其單機(jī)容量，直驅(qū)風(fēng)機(jī)和半直驅(qū)式風(fēng)機(jī)發(fā)展迅速。根據(jù)伍德麥肯茲研究[10]，在海上風(fēng)電中，SGRE（西門子歌美颯）占據(jù)24.3%的市場(chǎng)份額，且其直驅(qū)風(fēng)機(jī)在海上風(fēng)電占據(jù)主導(dǎo)地位，東方風(fēng)電、明陽科技等中國(guó)公司占比分別超過20%和10%。2020 年5 月西門子歌美颯推出SG 14-222 DD 的直驅(qū)風(fēng)機(jī)，其額定功率為14 MW，葉輪直徑為222 m。通用電氣在2021 年公布為位于英國(guó)的海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目Dogger Bank 第三期提供升級(jí)的Haliade-X 14 MW 的直驅(qū)風(fēng)機(jī)，葉片長(zhǎng)107 m。三峽集團(tuán)長(zhǎng)樂海上風(fēng)電場(chǎng)使用了30 臺(tái)東方風(fēng)電制造的10 MW 風(fēng)機(jī)；由明陽科技制造的MySE8.3-180 為半直驅(qū)風(fēng)機(jī)，其葉輪直徑為178 m。

圖1 國(guó)外海上風(fēng)機(jī)技術(shù)路線及單機(jī)容量趨勢(shì)

圖2 國(guó)內(nèi)海上風(fēng)機(jī)技術(shù)路線及單機(jī)容量趨勢(shì)

輕型化是新一代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要特征。風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般布置于風(fēng)機(jī)塔頂部，風(fēng)機(jī)容量不斷上升導(dǎo)致采用傳統(tǒng)稀土永磁體的發(fā)電機(jī)重量不斷增大，不利于風(fēng)機(jī)成本控制與安裝運(yùn)輸，亟待采取新型技術(shù)路線。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室對(duì)15 MW 永磁發(fā)電機(jī)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，利用3D 打印技術(shù)，并使用硅鐵合金/軟磁復(fù)合材料、燒結(jié)磁體/聚合物粘結(jié)磁體復(fù)合材料分別作為轉(zhuǎn)子鐵心與永磁體，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)減重15.1 t[11]。美國(guó)超導(dǎo)公司利用高溫超導(dǎo)材料替代永磁體，將發(fā)電機(jī)的體積與重量減少50%，但成本由于采用高溫超導(dǎo)材料而提高；通用電氣則采用低溫超導(dǎo)體作為定子繞組，最高可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)減重50%、成本減少10%，但這一方案的難點(diǎn)在于繞組的溫度控制[12]。另外，傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化也可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)輕型化。

雖然新一代海上風(fēng)機(jī)單機(jī)成本變高，但其提供的發(fā)電量增加，風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)數(shù)量減少，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工、陣列電纜安裝等成本將降低。隨著風(fēng)機(jī)技術(shù)進(jìn)一步創(chuàng)新以及監(jiān)管運(yùn)維技術(shù)的提升，總體而言，海上風(fēng)電平準(zhǔn)化度電成本將大幅度降低。

1.2 漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)

深遠(yuǎn)海風(fēng)電將在未來海上風(fēng)電中占據(jù)重要地位，相較于近海區(qū)域，深遠(yuǎn)海風(fēng)電資源更為豐富，但工況更為復(fù)雜，對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)、海纜等多個(gè)技術(shù)方面提出更高的要求[13]。固定式風(fēng)機(jī)在深海區(qū)不具備經(jīng)濟(jì)性，深遠(yuǎn)海風(fēng)能資源將主要由漂浮式風(fēng)機(jī)開發(fā)利用[14]。2009 年挪威率先開展2.3 MW漂浮式風(fēng)電機(jī)組驗(yàn)證，美國(guó)、日本也緊隨其后。截至目前，多個(gè)漂浮式海上風(fēng)機(jī)項(xiàng)目已經(jīng)制成兆瓦級(jí)全尺寸樣機(jī)，并成功實(shí)施海試和并網(wǎng)發(fā)電，代表著當(dāng)前漂浮式海上風(fēng)力機(jī)的最高水平。在挪威2.3 MW 漂浮式風(fēng)電機(jī)組驗(yàn)證后，日本、蘇格蘭分別投建漂浮式風(fēng)電驗(yàn)證與示范工程。截至2020 年底，歐洲共有62 MW 漂浮式風(fēng)電裝機(jī)容量，占全球漂浮式風(fēng)電裝機(jī)容量的83%。借由海上石油平臺(tái)經(jīng)驗(yàn)，預(yù)計(jì)到2030 年漂浮式風(fēng)機(jī)全區(qū)裝機(jī)容量達(dá)到6.2 GW，并將快速發(fā)展[8]。我國(guó)漂浮式海上風(fēng)機(jī)起步較晚，2021 年7 月13 日組裝完成首個(gè)漂浮式海上風(fēng)電平臺(tái)并裝載全球首個(gè)抗臺(tái)風(fēng)漂浮式風(fēng)機(jī)，單機(jī)容量為5.5 MW，為我國(guó)大規(guī)模開發(fā)深遠(yuǎn)海風(fēng)能資源奠定基礎(chǔ)。

隨著對(duì)漂浮式海上風(fēng)機(jī)研究的加深，出現(xiàn)多種新形式漂浮式風(fēng)機(jī)，根據(jù)靜穩(wěn)性原理可分為[15]：

1）張力腿式?？稍陉懮辖M裝，但是錨泊載荷很大，海上裝配技術(shù)要求較高導(dǎo)致成本極高?？刹捎枚嗑€錨泊系統(tǒng)提升穩(wěn)定度。

2）立柱式。安裝水深至少80 m，裝配施工需要特種裝備才可完成。

3）半潛式?？稍陉懮辖M裝，使用現(xiàn)有施工船只拖至施工現(xiàn)場(chǎng)安裝。截至2020 年底，在全球15 個(gè)漂浮式風(fēng)電工程中，共有10 個(gè)工程使用半潛式風(fēng)機(jī)，占比67%。

由于漂浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及海上環(huán)境的特殊性，漂浮式風(fēng)機(jī)相比陸上風(fēng)機(jī)或淺海固定式風(fēng)機(jī)會(huì)承受更加復(fù)雜的環(huán)境載荷。與傳統(tǒng)固定式風(fēng)機(jī)一樣，風(fēng)輪和塔筒受到作用在葉片上的氣動(dòng)力載荷，此外，機(jī)組的漂浮式基礎(chǔ)還會(huì)受到波浪和海流作用的水動(dòng)力載荷，以及系泊系統(tǒng)受支撐平臺(tái)上的系泊載荷[16]。漂浮式海上風(fēng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)可分為3 個(gè)平動(dòng)自由度和3 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)，分別為：平動(dòng)的縱蕩、垂蕩和橫蕩，轉(zhuǎn)動(dòng)的橫搖、縱搖和艏搖，其轉(zhuǎn)動(dòng)特性如圖3 所示?？傮w來看，漂浮式風(fēng)機(jī)組系統(tǒng)呈現(xiàn)多自由度、非線性、強(qiáng)耦合的特點(diǎn)。

圖3 漂浮式海上風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)

1.3 海上風(fēng)電制氫技術(shù)

作為清潔能源，氫能具有能量密度高、易存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)化效率高、零碳排放等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛認(rèn)為是最有發(fā)展?jié)摿Φ哪茉粗籟17-19]。風(fēng)電耦合制氫具有以下優(yōu)勢(shì)：能夠有效充分利用風(fēng)電、緩解棄風(fēng)問題，進(jìn)而有效降低制氫成本[20-21]；利用電解裝置的快速響應(yīng)特性平滑風(fēng)電出力的波動(dòng)性、提高風(fēng)電的電能質(zhì)量和供電可靠性，進(jìn)而減小大規(guī)模風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)的沖擊[22]；利用可再生的風(fēng)能制氫，減少溫室氣體和有害氣體排放[23]。

海上風(fēng)電制氫系統(tǒng)由海上風(fēng)電場(chǎng)、電解槽、制氫裝置和儲(chǔ)氫裝置組成，可以根據(jù)電解槽所處位置分為海上電解槽系統(tǒng)和陸上電解槽系統(tǒng)[24]。對(duì)于海上電解槽系統(tǒng)，海上風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電力經(jīng)過很短的輸電線路將電能傳輸至電解槽平臺(tái)，淡化后的海水在電解槽電解出氫氣后壓縮至管道或者經(jīng)輪船輸送到陸上。其工作原理如圖4 所示。對(duì)于陸上電解系統(tǒng)，電能通過傳統(tǒng)電纜輸送至陸上，然后在陸上選擇將電力出售給電網(wǎng)或用于制氫。陸上電解系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)在于其靈活性強(qiáng)，當(dāng)電網(wǎng)電價(jià)低或者限電時(shí)，能將電能定向儲(chǔ)存為氫能，當(dāng)電網(wǎng)電價(jià)高時(shí)，直接售出所有電量。

圖4 海上電解槽系統(tǒng)制氫

Crivellari 等人給出了海上風(fēng)電制氫系統(tǒng)的具體技術(shù)路線，如圖5 所示[25]。除陸上電解槽系統(tǒng)是將電能直接傳輸至陸上外，海上電解槽系統(tǒng)需要將在海上產(chǎn)生的氫氣通過管道輸送，共有4 種方案：在天然氣中摻少量氫氣，將混合氣體用天然氣管道輸送；新建一條專用輸氫管道；將氫氣和外購的二氧化碳合成的天然氣用原有天然氣管道輸送；利用二氧化碳和氫氣合成甲醇并用輪船運(yùn)送至陸上使用。其中，在天然氣中摻少量氫氣被認(rèn)為是沒有危險(xiǎn)的，含氫量低于20%濃度的混合氣體與純天然氣的爆炸嚴(yán)重程度相差不大[26]，不同國(guó)家對(duì)于天然氣管道含氫量上限差異很大，如在英國(guó)含氫量限制在0.1%以內(nèi)，而在荷蘭允許在12%以內(nèi)[27]。

圖5 海上風(fēng)電制氫系統(tǒng)技術(shù)路線

以英國(guó)、荷蘭與丹麥為代表的歐洲國(guó)家已經(jīng)率先開展海上風(fēng)電制氫應(yīng)用示范工程。英國(guó)在建的Dolphyn 項(xiàng)目預(yù)計(jì)在北海開發(fā)一個(gè)4 GW 容量的風(fēng)電場(chǎng)，采用10 MW 漂浮式風(fēng)機(jī)，并在每臺(tái)風(fēng)機(jī)上配備制氫子單元，氫氣通過中壓管道輸送至陸上能量處理站，其中部分氫氣將根據(jù)需求用于發(fā)電，實(shí)現(xiàn)能源供給。據(jù)估計(jì)，Dolphyn 項(xiàng)目將在21 世紀(jì)20 年代末期到30 年代早期完成一期100～300 MW 商用風(fēng)電制氫，30 年代中期實(shí)現(xiàn)4 GW 風(fēng)電制氫。位于荷蘭的NortH2 項(xiàng)目預(yù)計(jì)在2030 年建成3～4 GW 海上風(fēng)電工程用于制氫，在2040 年達(dá)到10 GW 規(guī)模并產(chǎn)氫80 萬t，相當(dāng)于減少700 萬t 二氧化碳排放。丹麥政府實(shí)行能源島計(jì)劃，預(yù)計(jì)在北海和波羅的海開發(fā)2 座能源島，可用于匯聚深遠(yuǎn)海風(fēng)電，起到能源路由器的作用；除為丹麥提供能源外，電能經(jīng)由能源島還將輸送至其他國(guó)家或地區(qū)，英國(guó)、德國(guó)、荷蘭等國(guó)都將從中受益；其一期將在北海和波羅的海提供3 GW 和2 GW 風(fēng)電，未來位于北海離岸80 km的能源島將擴(kuò)大規(guī)模至10 GW 并配備制氫裝備以提高風(fēng)電利用率。

2 海上風(fēng)電送出關(guān)鍵技術(shù)

2.1 集電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

集電系統(tǒng)是連接風(fēng)電機(jī)組和放置升壓換流設(shè)備的海上平臺(tái)之間的中壓電氣網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前集電系統(tǒng)分為交流集電系統(tǒng)和直流集電系統(tǒng)[28]。交流集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有鏈形、星形、單邊環(huán)形、雙邊環(huán)形和復(fù)合環(huán)形等，直流集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有并聯(lián)形、串聯(lián)形、并聯(lián)串行和MI（矩陣互聯(lián)）形[29-30]。已有研究以集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性為目標(biāo)，從優(yōu)化角度出發(fā)，利用改進(jìn)遺傳算法[31]和改進(jìn)模糊聚類算法[32]對(duì)集電系統(tǒng)展開優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[33]提出了一種用于海上風(fēng)電場(chǎng)電纜布局拓?fù)淙謨?yōu)化的框架，比較了不同規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)環(huán)形和鏈形集電系統(tǒng)并綜合考慮網(wǎng)損、可靠性和投資，結(jié)果表明大型海上風(fēng)電場(chǎng)環(huán)形系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)。

除集電系統(tǒng)拓?fù)渫?，斷路器配置方案也是集電系統(tǒng)優(yōu)化的重要方向。斷路器配置方案可分為傳統(tǒng)配置、完全配置和部分配置3 種方案，其成本、可靠性和斷路器數(shù)量對(duì)比如表1 所示[7]。一般來說，斷路器數(shù)量越多，其成本越高、可靠性越高。對(duì)于大型深遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)，需要采用完全配置方案；對(duì)于中小型風(fēng)電場(chǎng)，傳統(tǒng)配置或者部分配置即可滿足要求[34]。文獻(xiàn)[35]以環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，在部分開關(guān)配置的可靠性模型下，利用NSGA-Ⅱ算法實(shí)現(xiàn)可靠性及成本的Pareto 最優(yōu)，并設(shè)計(jì)出最優(yōu)開關(guān)配置方案。文獻(xiàn)[36]根據(jù)鏈形拓?fù)涞奶攸c(diǎn)證明了遠(yuǎn)離母線側(cè)無需裝配開關(guān)進(jìn)而減少變量個(gè)數(shù)，提升了4.7%的綜合效益，并評(píng)估最終方案的可靠性。

表1 斷路器配置方案對(duì)比

由于海上運(yùn)行環(huán)境惡劣，風(fēng)電設(shè)備受鹽霧、臺(tái)風(fēng)、海浪等因素影響，故障率高且維修時(shí)間長(zhǎng)、成本高，故障損失更嚴(yán)重[37]，因此集電系統(tǒng)可靠性不容忽視。完成預(yù)期發(fā)電量的幾率或相關(guān)某一變量均可作為可靠性指標(biāo)，可大致分為概率指標(biāo)和頻率指標(biāo)，具體到集電系統(tǒng)，常用的指標(biāo)有平均故障率、平均停電時(shí)間、平均停電持續(xù)時(shí)間、平均停電頻率、平均修復(fù)時(shí)間、電量不足期望值等。文獻(xiàn)[38]提出基于保護(hù)區(qū)和等值風(fēng)機(jī)模型的風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)可靠性建模與評(píng)估方法，能有效減少系統(tǒng)故障狀態(tài)數(shù)，得到系統(tǒng)停運(yùn)表與概率、頻率指標(biāo)。海上集電系統(tǒng)常使用蒙特卡洛模擬法進(jìn)行可靠性評(píng)估，抽樣次數(shù)越多，得到的結(jié)果就越精確。文獻(xiàn)[39]面向環(huán)形集電系統(tǒng)給出集電系統(tǒng)分區(qū)、優(yōu)化、評(píng)估一體化方案，在可靠性評(píng)估上采用序貫蒙特卡洛模擬法，綜合考量經(jīng)濟(jì)性和可靠性并得出最優(yōu)方案。

常規(guī)海上風(fēng)電場(chǎng)單臺(tái)風(fēng)機(jī)通過就地升壓變將電壓升至35 kV 匯集再輸送至岸上[28]，但隨著深遠(yuǎn)海風(fēng)的推進(jìn)和海上風(fēng)電單機(jī)容量逐漸增大，35 kV海纜的通流能力將制約集電系統(tǒng)，66 kV 海上風(fēng)電集電系統(tǒng)將成為發(fā)展趨勢(shì)[40]。文獻(xiàn)[41-43]對(duì)35 kV 和66 kV 集電系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)性對(duì)比分析，結(jié)果表明：相較于35 kV 集電系統(tǒng)，66 kV 集電系統(tǒng)有效減少了集電電纜長(zhǎng)度，減少了低壓側(cè)開關(guān)等電氣設(shè)備投入[41]；66 kV 集電系統(tǒng)取消海上升壓站，極大地降低投資和運(yùn)維成本[42-43]；66 kV集電系統(tǒng)電壓等級(jí)更高，因而有功損耗和無功損耗均更低[41-42]。

海上風(fēng)電中壓直流匯集拓?fù)淅蔑L(fēng)機(jī)串大容量直流升壓變換器代替若干機(jī)頭直交變換，若干簇風(fēng)電機(jī)組分別經(jīng)中壓直流匯集后接入直流升壓變壓器。

2.2 工頻交流并網(wǎng)方式改進(jìn)

海上風(fēng)電場(chǎng)通過常規(guī)高壓交流并網(wǎng)的工程經(jīng)驗(yàn)豐富，但是受到交流電纜充電電流影響，傳輸距離和傳輸容量受到限制，一般適用于離岸小于70 km、容量小于400 MW 的近海風(fēng)場(chǎng)[44-45]。隨著海纜長(zhǎng)度增加，對(duì)地及相間電容逐漸增大，使得線路傳輸有功功率的容量迅速減少。一般在海纜兩側(cè)增設(shè)無功補(bǔ)償裝置能在一定程度上延長(zhǎng)海纜輸送距離，但對(duì)于更遠(yuǎn)距離的傳輸，在傳輸路徑中增設(shè)海上無功補(bǔ)償站是一種有效手段[46]。如圖6 所示，以英國(guó)的Hornsea Project One 海上風(fēng)電場(chǎng)為例，該風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量1 218 MW，采用三回220 kV 線路送出，單回線路總長(zhǎng)度142 km，建設(shè)3 座220 kV 海上升壓站和1 座海上無功補(bǔ)償站。

圖6 英國(guó)Hornsea Project One 海上風(fēng)電場(chǎng)輸電

通過高壓交流電纜輸電時(shí)，空載線路的電容效應(yīng)和不對(duì)稱接地故障引起的工頻過電壓不容忽視。通常采用高抗等無功補(bǔ)償裝置對(duì)電纜進(jìn)行一端補(bǔ)償或兩端補(bǔ)償，從抑制電容效應(yīng)來看，兩端同補(bǔ)的補(bǔ)償容量大，效果也更佳[47]。也有學(xué)者對(duì)比了不同規(guī)模、不同傳輸距離海上風(fēng)電場(chǎng)采用兩端補(bǔ)償和陸上單端補(bǔ)償2 種方案時(shí)輸出海纜導(dǎo)體損耗，結(jié)果表明：在風(fēng)電場(chǎng)低出力水平及長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，兩端補(bǔ)償損耗更低[48]。文獻(xiàn)[49]提出一種基于工頻過電壓保護(hù)的無功配置方案，案例中在海上升壓站裝設(shè)固定高抗，在陸上裝設(shè)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置。文獻(xiàn)[50]考慮空載、突然甩負(fù)荷以及單相接地故障產(chǎn)生的工頻過電壓3 種工況，研究并聯(lián)電抗器及SVG（靜止無功發(fā)生器）的選取與校核方案。海上風(fēng)機(jī)本身也具有無功容量和調(diào)節(jié)能力，應(yīng)充分發(fā)揮風(fēng)電機(jī)組的無功控制能力。如圖7 所示，通過調(diào)整網(wǎng)側(cè)變流器與機(jī)側(cè)變流器控制結(jié)構(gòu)，使網(wǎng)側(cè)變流器由直流電壓控制和定無功控制，轉(zhuǎn)化為對(duì)直流電壓控制并增加電壓控制環(huán)路。該控制環(huán)路可以利用機(jī)組無功控制能力，參與電網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)[51]。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，使直驅(qū)風(fēng)機(jī)受控、向電網(wǎng)輸送或吸收一定的無功功率。

圖7 改進(jìn)的網(wǎng)側(cè)變流器控制

海上風(fēng)電場(chǎng)工頻交流送出系統(tǒng)故障穿越方面，短路故障暫態(tài)過程可以分為4 個(gè)階段：電壓跌落階段、低電壓持續(xù)階段、電壓恢復(fù)階段、電壓恢復(fù)正常。通過優(yōu)化海上風(fēng)電機(jī)組硬件保護(hù)電路和控制策略，可改善電網(wǎng)故障下機(jī)組暫態(tài)應(yīng)力特性，提升對(duì)電網(wǎng)的支撐作用。海上風(fēng)電場(chǎng)的故障特性，由風(fēng)電機(jī)組故障的電氣特性和動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)臅簯B(tài)響應(yīng)特性共同決定。因此，改善動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的控制策略，提升補(bǔ)償裝置快速響應(yīng)能力，可以為電網(wǎng)電壓迅速提供無功支撐，增強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)故障穿越能力。

2.3 新型并網(wǎng)送出方式

工頻交流送出方式的最大缺陷是無功功率導(dǎo)致的過電壓?jiǎn)栴}以及遠(yuǎn)距離下電纜可用載流量急劇降低的問題。為了避免無功功率的不良影響，海上風(fēng)電可采用HVDC（高壓直流）送出方式或FFTS（分頻輸電）送出方法提升并網(wǎng)性能[52]。

基于LCC（電網(wǎng)換相換流器）的HVDC 和基于VSC（自換相的電壓源換流器）的HVDC 是HVDC的2 種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，兩者結(jié)構(gòu)如圖8 和圖9 所示。文獻(xiàn)[45，52-54]詳細(xì)探討了LCC-HVDC 和VSC-HVDC的優(yōu)缺點(diǎn)，相比于LCC-HVDC，VSC-HVDC 技術(shù)具有諧波成分少、不存在換相失敗問題、可為無源系統(tǒng)供電、能夠有效隔離系統(tǒng)故障等優(yōu)勢(shì)，因此目前世界上大多數(shù)海上直流輸電采用的VSC-HVDC 技術(shù)，其建設(shè)成本高、換流站損耗大等問題也催生更多新技術(shù)的發(fā)展。MMC（模塊化多電平換流器）技術(shù)通過多個(gè)子模塊的疊加，容易實(shí)現(xiàn)較高的直流電壓，進(jìn)一步降低VSC-HVDC 開關(guān)損耗和諧波含量，提高故障穿越能力[55]，使其更適合海上風(fēng)電送出。德國(guó)深遠(yuǎn)海VSC-HVDC 送出走在世界前列，目前已經(jīng)建成包括BorWin 1-3，DolWin 1-3 等9 座海上高壓直流換流站，容量從400～900 MW，目前DolWin5和DorWin6 2 座900 MW 海上直流換流站訂單已被ABB 和西門子接入，預(yù)計(jì)分別將在2024 年和2023 年投產(chǎn)?？傃b機(jī)容量3.6 GW 的Dogger Bank也是英國(guó)首個(gè)采用高壓直流方式將海上風(fēng)機(jī)所發(fā)電能傳輸回陸地的項(xiàng)目。

圖8 LCC-HVDC 結(jié)構(gòu)

圖9 VSC-HVDC 結(jié)構(gòu)

海上混合直流輸電是將LCC-HVDC 和VSCHVDC 兩者結(jié)合的技術(shù)，即海上變電站采用VSC技術(shù)，岸上變電站采用LCC 技術(shù)，該技術(shù)不但可以保留柔性直流輸電技術(shù)的絕大部分優(yōu)勢(shì)，而且可以優(yōu)化工程造價(jià)，對(duì)于海上電網(wǎng)的并網(wǎng)具有很大優(yōu)勢(shì)[56]。為了節(jié)省海上換流站的投資（減輕重量，降低運(yùn)維成本，提升可靠性），有學(xué)者提出將直流海上換流站改為VSC-DR（二極管整流站），如圖10 所示[57]。VSC-DR 最大的優(yōu)勢(shì)是海上換流站建造成本大幅降低，但由于其啟動(dòng)策略復(fù)雜，需要配置額外的輔助VSC 電壓源或改造風(fēng)機(jī)；另外，二極管整流還會(huì)帶來諧波問題。

圖10 DR-VSC 結(jié)構(gòu)

FFTS（分頻輸電）由王錫凡院士于1994 年首次提出[58]，其主要思想是在不提高電壓等級(jí)的前提下，通過降低輸電頻率來降低電抗、縮短電氣距離，提高輸送功率并減少輸電回?cái)?shù)和出線走廊[52]。海上風(fēng)電的FFTS 并網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖11 所示，海上風(fēng)機(jī)直接輸出低頻電能，經(jīng)匯流、升壓、輸送至陸地后升至工頻并網(wǎng)。FFTS 不需要建造海上換流站，大幅降低了一次建設(shè)成本和維護(hù)成本。另外，電纜充電功率減小可顯著延長(zhǎng)電能輸送距離，使其具有媲美HVDC 的輸電半徑。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在海上分頻輸電的穩(wěn)定性分析[59]、經(jīng)濟(jì)性分析[60]、控制策略[61-63]和模擬計(jì)算[64]等方面做了大量研究，驗(yàn)證了海上分頻系統(tǒng)的可行性和優(yōu)越性。雖然尚未有海上風(fēng)電工程案例使用FFTS技術(shù)，但隨著國(guó)內(nèi)外研究的深入，相信FFTS 將會(huì)成為深遠(yuǎn)海風(fēng)電送出的重要技術(shù)手段。

圖11 FFTS 結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論與展望

海上風(fēng)能資源豐富，海上風(fēng)電將為減少碳排放做出重要貢獻(xiàn)。本文在分析海上風(fēng)電發(fā)展基礎(chǔ)上，介紹了3 種海上風(fēng)電發(fā)電技術(shù)和風(fēng)電送出關(guān)鍵技術(shù)，得到以下結(jié)論：

1）為實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，海上風(fēng)電平準(zhǔn)化度電成本將不斷下降，裝機(jī)容量將繼續(xù)保持大幅度增長(zhǎng)；此外，深海遠(yuǎn)風(fēng)電也是海上風(fēng)電一大趨勢(shì)。

2）新型風(fēng)電機(jī)組、漂浮式風(fēng)機(jī)以及海上風(fēng)電制氫是風(fēng)電發(fā)展與能源轉(zhuǎn)型的前沿技術(shù)。海上風(fēng)機(jī)朝著大尺寸、大容量方向發(fā)展，我國(guó)海上風(fēng)機(jī)容量與世界先進(jìn)水平仍有不小差距，但隨著國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電開發(fā)進(jìn)程加快，正在快速追趕中?？紤]深海區(qū)環(huán)境的特殊性，漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)在深遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)中起關(guān)鍵作用，世界各國(guó)尤其是歐洲國(guó)家對(duì)其研究較為深入；漂浮式風(fēng)機(jī)由于其結(jié)構(gòu)特殊性，所受載荷復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)海上風(fēng)機(jī)，整體呈現(xiàn)多自由度、非線性、強(qiáng)耦合的特點(diǎn)。海上風(fēng)電制氫在制氫成本和環(huán)境友好性等方面具有優(yōu)勢(shì)，有多種技術(shù)路線，歐洲國(guó)家已有很多海上風(fēng)電制氫項(xiàng)目并在規(guī)劃更大規(guī)模海上風(fēng)電制氫工程。

3）深度挖掘新型并網(wǎng)送出方式潛力，進(jìn)一步提升海上風(fēng)電利用效率與經(jīng)濟(jì)效益。集電系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化和斷路器配置方案是集電系統(tǒng)研究重點(diǎn)，隨著海上風(fēng)機(jī)單機(jī)容量增大，35 kV 集電系統(tǒng)正在逐漸向66 kV 集電系統(tǒng)趨勢(shì)發(fā)展。工頻交流系統(tǒng)由于電纜的充電電流和電容效應(yīng)限制了輸電距離，且過電壓?jiǎn)栴}嚴(yán)重，針對(duì)無功配置的研究顯得格外重要；應(yīng)充分利用風(fēng)電機(jī)組本身無功控制，為系統(tǒng)提供電壓支撐，增強(qiáng)故障穿越能力。在避免無功影響和遠(yuǎn)距離海上輸電上，HVDC 和FFTS 優(yōu)勢(shì)明顯；VSC-HVDC，LCC-VSC，VSCDR 等新型直流輸電結(jié)構(gòu)各有千秋，在工程實(shí)際中需要綜合考量；FFTS 兼顧HVAC 和HVDC 兩者優(yōu)勢(shì)，既能遠(yuǎn)距離輸電，又無需海上換流站，經(jīng)濟(jì)性好，應(yīng)針對(duì)海上分頻輸電的集電系統(tǒng)匯流、一次設(shè)備、二次設(shè)備和FFTS 控制策略等進(jìn)行深入研究，以便于FFTS 技術(shù)落地海上風(fēng)電。