徐彬，薛帥，高厚磊，彭放

（1.電網(wǎng)智能化調(diào)度與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(山東大學(xué))，山東省 濟(jì)南市 250061；2.國網(wǎng)冀北電力有限公司唐山供電公司，河北省 唐山市 063000）

0 引言

工業(yè)化以來，全球能源發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)愈發(fā)嚴(yán)峻，全球氣候變化、環(huán)境污染和化石能源枯竭日益成為各國各政府亟需解決的現(xiàn)實(shí)問題。根據(jù)美國能源情報(bào)署2019年的報(bào)告，2018—2050年全球能源需求將持續(xù)增長近50%。其中可再生能源將以每年3%的速度增長，成為世界上增長最快的能源形式，并于2050年成為世界一次能源的主要來源[1]。國家發(fā)改委的《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》[2]中也指出“可再生能源已成為全球能源轉(zhuǎn)型及實(shí)現(xiàn)應(yīng)對(duì)氣候變化目標(biāo)的重大戰(zhàn)略舉措”?？梢?，面對(duì)越來越嚴(yán)峻的能源形勢(shì)，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向可再生能源資源的開發(fā)已經(jīng)逐漸成為各個(gè)國家的共識(shí)。

在可再生能源技術(shù)中，風(fēng)力發(fā)電是最成熟、最具大規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一[3-5]。與陸上風(fēng)電相比，由于海洋環(huán)境的特殊性，海上風(fēng)電的開發(fā)仍然存在一些問題[6-7]，如施工難度大、運(yùn)營維護(hù)困難以及成本更高等。但海上風(fēng)電的優(yōu)點(diǎn)也同樣明顯：海上風(fēng)速通常較陸上風(fēng)速更高，因而同等條件下海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電量要高于陸上；海上很少有靜風(fēng)期，因而海上風(fēng)電具有更高的利用小時(shí)數(shù)；與陸地復(fù)雜的地形相比，海上的環(huán)境簡單，更均勻的風(fēng)速對(duì)設(shè)備損壞更?。缓Ｉ巷L(fēng)電不需要占用土地資源，更適宜大規(guī)模開發(fā)；與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電一般更靠近負(fù)荷中心，可以減少輸電損失，電力的消納也有保障。憑借這些優(yōu)點(diǎn)，海上風(fēng)力發(fā)電將成為未來風(fēng)電技術(shù)研究的重心和前沿，并成為未來風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向。

近10 年來，海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展十分迅速，海上風(fēng)電場的數(shù)量不斷增加、規(guī)模不斷擴(kuò)大。據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)的研究統(tǒng)計(jì)，到2025年，全球海上風(fēng)電每年新增裝機(jī)容量將突破20 GW，到2030年將突破30 GW，未來10年新增海上風(fēng)電裝機(jī)容量將超過205 GW[8]。與此同時(shí)，我國海上風(fēng)電的建設(shè)工作也將得到長足發(fā)展，到2020年年底，海上風(fēng)電的裝機(jī)容量已達(dá)到30 GW[9]。我國首部海上風(fēng)力發(fā)電場國家標(biāo)準(zhǔn)《海上風(fēng)力發(fā)電場設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[10]于2019 年10 月1 日起開始實(shí)施，這一國家標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，將更好地指導(dǎo)我國海上風(fēng)電場設(shè)計(jì)工作，對(duì)于我國海上風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展將起到重要促進(jìn)作用?？梢灶A(yù)見，海上風(fēng)電將會(huì)成為未來能源系統(tǒng)的重要組成部分，其發(fā)展也會(huì)在世界范圍內(nèi)得到大力推動(dòng)。

本文旨在通過對(duì)全球海上風(fēng)電場的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行收集匯總和整理，從海上風(fēng)電場的布局、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、海上風(fēng)電場的并網(wǎng)方式和保護(hù)控制方式等方面對(duì)當(dāng)前海上風(fēng)電行業(yè)發(fā)展的總體形勢(shì)進(jìn)行分析，并預(yù)測未來海上風(fēng)電的發(fā)展趨勢(shì)。

1 海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 海上風(fēng)電場規(guī)模

自從世界上第一座海上風(fēng)電場Vindeby 于1991 年在丹麥實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行后，全球海上風(fēng)電一直以較快的速度發(fā)展，預(yù)計(jì)在接下來幾年還會(huì)繼續(xù)高速增長。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前世界上共有199 個(gè)海上風(fēng)電場項(xiàng)目已經(jīng)投入運(yùn)行，此外還有71個(gè)項(xiàng)目處于在建階段或前期準(zhǔn)備階段[11-12]。

截止到2020年年底，全世界已投運(yùn)海上風(fēng)電場裝機(jī)容量達(dá)到了32.66 GW，其中歐洲裝機(jī)容量最大(25.15 GW)，其次是亞洲(7.48 GW)和美洲(0.04 GW)。在歐洲，英國和德國在發(fā)展海上風(fēng)電場方面占據(jù)主導(dǎo)地位，兩國的總裝機(jī)容量占?xì)W洲的72.06%。在亞洲，中國處于顯著的領(lǐng)先地位，海上風(fēng)電總裝機(jī)容量占亞洲的94.36%。美洲大陸只有美國一個(gè)國家建設(shè)有海上風(fēng)電場，總裝機(jī)容量為0.04 GW。全球海上風(fēng)電場裝機(jī)容量及分布情況如圖1和表1所示。

圖1 2011—2020年全球累計(jì)海上風(fēng)電裝機(jī)容量Fig.1 Global cumulative offshore wind capacity from 2011 to 2020

表1 全球海上風(fēng)電場及風(fēng)力發(fā)電機(jī)分布Tab.1 Distribution of global offshore wind farm and wind turbines

如圖1 所示，在2011—2020 年，全球海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量從3.457 GW 增長到了32.51 GW，增長幅度達(dá)到943.9%。僅2020年一年，全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量就達(dá)到了6.567 GW，是2017年全球累計(jì)裝機(jī)容量的31.04%。

與其他國家相比，中國海上風(fēng)電的起步較晚，但發(fā)展速度較快。2007年，中海油公司利用廢棄的渤海灣綏中海上油田導(dǎo)管架基礎(chǔ)，建立了中國第一座海上風(fēng)機(jī)，拉開了中國海上風(fēng)電事業(yè)發(fā)展的序幕。2010 年，中國第一個(gè)大型海上風(fēng)電場—上海東海大橋項(xiàng)目完成并網(wǎng)，至此，中國海上風(fēng)電進(jìn)入快速發(fā)展階段。在隨后的10年間，中國海上風(fēng)電的累計(jì)容量從2010 年的150 MW 增長到2020年的7.06 GW，增長約46倍。截止到2020年年底，中國海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量位于全世界第三，占全球裝機(jī)容量的21.6%。

隨著海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，海上風(fēng)電場逐漸朝著大型化和規(guī)?；l(fā)展。1991 年，丹麥的Vindeby風(fēng)電場并網(wǎng)時(shí)，只有11臺(tái)450 kW的風(fēng)機(jī)，而到2020 年，在英國并網(wǎng)的Hornsea Project One 風(fēng)電場已包含174 臺(tái)風(fēng)機(jī)，總裝機(jī)容量達(dá)到了1 218 MW。

圖2 給出了1995—2020 年不同時(shí)間段投入運(yùn)行的海上風(fēng)電場的平均裝機(jī)容量和平均風(fēng)機(jī)數(shù)量?？梢钥闯觯?995—2020 年海上風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)數(shù)量和裝機(jī)容量顯著增加，這不僅得益于海上風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)步，更是海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然要求。

圖2 1995—2020年全球海上風(fēng)電場規(guī)模Fig.2 Global offshore wind farm scake capacity from 1995 to 2020

成本問題一直是海上風(fēng)力發(fā)電的最大痛點(diǎn)，由于海上環(huán)境的特殊性，海上風(fēng)電的安裝、發(fā)電和運(yùn)行維護(hù)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他能源，而增加海上風(fēng)電場的規(guī)模有利于降低成本。一方面，大規(guī)模的海上風(fēng)電場統(tǒng)一并網(wǎng)，可以分?jǐn)偛⒕W(wǎng)建設(shè)成本；另一方面，集群化的海上風(fēng)電場有利于工作人員進(jìn)行統(tǒng)一的運(yùn)行維護(hù)，降低了平均維護(hù)成本。同時(shí)，伴隨著海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的成熟，政策補(bǔ)貼將逐漸退坡，這將導(dǎo)致成本問題更加凸顯[13]。在這種背景下，不斷規(guī)?；⒓夯?、大型化，通過規(guī)模效應(yīng)降低非技術(shù)成本將是未來海上風(fēng)電發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1.2 離岸距離和水深

海上風(fēng)電場的離岸距離和水深影響建設(shè)投資支出和運(yùn)行維護(hù)成本，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。海上風(fēng)電場一般經(jīng)海上升壓站采用海纜方式上岸,離岸距離直接影響海纜長度及費(fèi)用，風(fēng)電場距離海岸線越遠(yuǎn)，與安裝過程和并網(wǎng)相關(guān)的成本就越高。此外，由于荷載的增加，更深的水域處風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)規(guī)模更大，這將導(dǎo)致風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)、海上升壓站平臺(tái)基礎(chǔ)相關(guān)的建設(shè)成本上升。歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)的研究表明，淺水風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的成本(包括安裝費(fèi)用)大約在150萬～200萬歐元/MW，該成本隨水深增加呈指數(shù)級(jí)升高[14]。

圖3 為全球正在運(yùn)行的海上風(fēng)電場的離岸距離和水深示意圖，其中氣泡的尺寸代表該海上風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)總數(shù)。可以看出，已投運(yùn)的海上風(fēng)力發(fā)電場基本位于離岸距離50 km 以內(nèi)，其中大部分位于離岸20 km 以內(nèi)、平均水深小于30 m 的海域內(nèi)。

圖3 正在運(yùn)行的海上風(fēng)電場的平均離岸距離和水深Fig.3 Average water depth and distance to shore of operational offshore wind farms

然而，遠(yuǎn)海具有更高、更平穩(wěn)的風(fēng)速、更少的紊流和更開闊的空間，風(fēng)能質(zhì)量更高[15]。同時(shí)，相較于近海風(fēng)電，遠(yuǎn)海風(fēng)電無需過多考慮環(huán)境保護(hù)以及影響海岸線、占用航線等問題。不同時(shí)間段投運(yùn)風(fēng)電場的平均離岸距離和水深如圖4所示，可以看出，在海上風(fēng)電的發(fā)展過程中，海上風(fēng)電場所處水域的水深和離岸距離均呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)。隨著海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，近海風(fēng)電資源的開發(fā)將逐步趨于飽和，因此，未來海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)勢(shì)必將向深水遠(yuǎn)海發(fā)展。

圖4 不同時(shí)間段投運(yùn)風(fēng)電場的平均離岸距離和水深Fig.4 Average water depth and distance to shore of offshore wind farms put into operation in different time periods

2 海上風(fēng)電場關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基礎(chǔ)類型

與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電建設(shè)處在更為復(fù)雜的海洋環(huán)境中，海上風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)除其結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載之外，還受波浪力、水流力等因素的影響，因此海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)與陸上風(fēng)電有較大差異。同時(shí)，根據(jù)風(fēng)機(jī)的大小、桿塔尺寸、離岸距離和水深等建設(shè)條件的不同，發(fā)展出了不同的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型。通常海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式有重力式基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)、高樁承臺(tái)基礎(chǔ)、三腳樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、負(fù)壓桶基礎(chǔ)和浮式基礎(chǔ)等類型[16-17]，目前已投運(yùn)的海上風(fēng)電場中主要使用的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型如圖5 所示，每種結(jié)構(gòu)類型的特點(diǎn)和適用條件如表2所示[18-19]。

圖5 海上風(fēng)電場基礎(chǔ)類型Fig.5 Offshore wind turbine foundations

表2 海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)特征總結(jié)Tab.2 Summary of characteristics of offshore wind turbine foundations

從表2 可以看出，單樁基礎(chǔ)是已投運(yùn)海上風(fēng)電場中應(yīng)用最為廣泛的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，采用單樁基礎(chǔ)的風(fēng)機(jī)占全部海上風(fēng)機(jī)的75.38%。然而，隨著海上風(fēng)電向深水遠(yuǎn)海發(fā)展，單樁基礎(chǔ)不能很好地適應(yīng)更深水域的要求，面對(duì)新的場景、新的海洋氣候環(huán)境，需要新的、更先進(jìn)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。對(duì)于20～50 m 水深的海域，可以采用三腳樁基礎(chǔ)和導(dǎo)管架式基礎(chǔ)來提供更好的穩(wěn)定性和基礎(chǔ)強(qiáng)度；對(duì)于50 m以上的深水海域，固定式基礎(chǔ)的技術(shù)性不完善且經(jīng)濟(jì)性較差，可以采用浮式基礎(chǔ)。

2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，是海上風(fēng)電場的重要組成部分。在過去10 年中，能源生產(chǎn)需求呈指數(shù)級(jí)增長，導(dǎo)致海上風(fēng)電機(jī)組安裝數(shù)量和裝機(jī)容量持續(xù)增長，機(jī)組額定功率已突破10 MW[20]。表3顯示了按風(fēng)電機(jī)容量劃分的已投運(yùn)風(fēng)電機(jī)數(shù)量和這些風(fēng)機(jī)所在海上風(fēng)電場的數(shù)量。全球風(fēng)力發(fā)電機(jī)的平均容量在3～4 MW，這一區(qū)間包括了全球43個(gè)風(fēng)電場，共2 366臺(tái)風(fēng)電機(jī)，占全球正在運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)總數(shù)的近50%。

表3 不同風(fēng)機(jī)容量下風(fēng)機(jī)數(shù)量和風(fēng)電場數(shù)量Tab.3 Number of turbines and wind farms under different turbine capacities

此外，自1995年以來，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的容量也獲得了巨大提升，全球平均風(fēng)力發(fā)電容量系數(shù)從2010 年的不到22%提高到2017 年的超過24%[17]。如圖6所示，在過去25，年風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量從第一批海上風(fēng)電場平均約70 kW 的額定容量提升到2020年額定容量為5 MW或更高。

圖6 海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量發(fā)展歷程Fig.6 Development of offshore wind turbine capacity

風(fēng)力發(fā)電機(jī)種類繁多，從總體上可以分為恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)；按工作原理不同，可以分為同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)和異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。目前投入商業(yè)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要采用鼠籠式風(fēng)力發(fā)電機(jī)、雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)3種類型，如表4所示。

表4 海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型Tab.4 Types of offshore wind turbine

在這3 種類型的風(fēng)機(jī)中，鼠籠式風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活，能很好地滿足風(fēng)電場對(duì)系統(tǒng)提出的高可靠、免維護(hù)的性能要求，但需要額外的無功補(bǔ)償裝置，電壓和功率因數(shù)控制也比較困難[21]；雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有變頻器容量小、成本低、易于維護(hù)、發(fā)電機(jī)變速運(yùn)行范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)榛h(huán)、電刷的存在，容易產(chǎn)生摩擦損耗，降低了可靠性，且控制回路多、控制較復(fù)雜、要求變頻器具有低電壓穿越等并網(wǎng)運(yùn)行能力[22]。與異步式發(fā)電機(jī)相比，永磁同步發(fā)電機(jī)由于其效率高、功率密度大、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活多樣、重量輕且可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為大容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主力機(jī)型之一[23]。

從表4 中可以看出，由于可靠性高、維護(hù)要求低的特性更加適應(yīng)海上風(fēng)電復(fù)雜環(huán)境的需求，鼠籠式風(fēng)力發(fā)電機(jī)是全球已投運(yùn)海上風(fēng)電場中應(yīng)用最為廣泛的風(fēng)機(jī)類型，占全部風(fēng)機(jī)數(shù)量的41.36%。但隨著海上風(fēng)電向深水遠(yuǎn)海發(fā)展，能源需求不斷提高，更大容量的海上風(fēng)機(jī)成為未來發(fā)展的趨勢(shì)。由表4可知，永磁同步風(fēng)機(jī)與另2種風(fēng)機(jī)類型相比，其平均容量和最大容量均顯著增大。尤其在近些年，永磁同步海上風(fēng)電機(jī)組發(fā)展極為迅速，在2015—2019年新增的海上風(fēng)電場中，投運(yùn)的永磁同步發(fā)電機(jī)占發(fā)電機(jī)總數(shù)的69.09%?？梢姡来磐斤L(fēng)機(jī)將是未來海上風(fēng)電機(jī)組大型化研究的重要方向。

2.3 集電系統(tǒng)

集電系統(tǒng)是海上風(fēng)電場電氣系統(tǒng)的重要組成部分，包含的設(shè)備、元件繁多，連接方式復(fù)雜，其總成本占整個(gè)海上風(fēng)電場建造成本的15%～30%，僅中壓海底電纜所占比例就高達(dá)5%[24]。

由于海上風(fēng)電場運(yùn)行條件十分惡劣，集電系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，其維護(hù)、檢修工作難度更大，耗時(shí)更長。因此，海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)系著整個(gè)海上風(fēng)電場的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，成為工程技術(shù)人員關(guān)注的焦點(diǎn)之一。

集電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括集電系統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化、設(shè)備選型等方面，目前相關(guān)研究成果較多，但還需結(jié)合工程實(shí)際來檢驗(yàn)和改進(jìn)。海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)任務(wù)是將各風(fēng)電機(jī)組輸出的電能通過中壓海底電纜匯集到海上變電站的匯流母線。海上風(fēng)電場常用的集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有以下5 種：放射形結(jié)構(gòu)、星形結(jié)構(gòu)、單邊環(huán)形、雙邊環(huán)形及復(fù)合環(huán)形。

近年來有不少學(xué)者從設(shè)計(jì)、優(yōu)化及評(píng)估等方面對(duì)集電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步研究，并提出了集電網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[25-26]使用標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法對(duì)海上風(fēng)電場電氣系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出了若干風(fēng)電場電氣系統(tǒng)整體配置的優(yōu)化方案；文獻(xiàn)[27]對(duì)前述算法特性進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[28]在海上風(fēng)電場基本電氣結(jié)構(gòu)確定的基礎(chǔ)上給出了冗余設(shè)計(jì)方法，并以成本最低為目標(biāo)，利用不同的算法對(duì)風(fēng)電場內(nèi)部電氣連接進(jìn)行了優(yōu)化。此外，還有基于最小生成樹算法的優(yōu)化方法以及基于模糊C 均值聚類的優(yōu)化方法等[24]。相關(guān)優(yōu)化算法以集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性或可靠性為優(yōu)化目標(biāo)，得出滿足相關(guān)條件的優(yōu)化結(jié)果。

2.4 并網(wǎng)方式

海上風(fēng)電的并網(wǎng)方式可以主要分為高壓交流輸電技術(shù)(high voltage alternating current，HVAC)和高壓直流輸電技術(shù)(high voltage direct current，HVDC)2 種，分別適用于不同的工程情況。風(fēng)電場額定容量在400 MW以內(nèi)，離岸距離在70 km之內(nèi)可考慮采用高壓交流輸電方式，但HVAC 對(duì)于長距離、大容量的輸電存在一定問題[29]。當(dāng)HVAC 技術(shù)不能滿足并網(wǎng)需求時(shí)，可以采用高壓直流輸電的方式來進(jìn)行并網(wǎng)。與HVAC 相比，HVDC 技術(shù)具有輸送距離遠(yuǎn)、運(yùn)行調(diào)控靈活等優(yōu)點(diǎn)，是未來海上風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)的趨勢(shì)。圖7 為高壓直流并網(wǎng)風(fēng)電場的典型結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7 典型的高壓直流并網(wǎng)海上風(fēng)電場結(jié)構(gòu)Fig.7 Typical structure of HVDC grid-connected offshore wind farm

HVDC 技術(shù)按照器件類型可以分為基于晶閘管的電網(wǎng)換相換流器(line commutated converter，LCC)型LCC-HVDC 輸電方式和基于電壓源換流器(voltage source converter，VSC)的VSC-HVDC輸電方式。與LCC-HVDC 輸電技術(shù)相比，VSCHVDC 輸電技術(shù)可以通過穩(wěn)定的電壓和頻率獨(dú)立地控制有功和無功，能夠連接非常弱的系統(tǒng)甚至是無源網(wǎng)絡(luò)，因此，目前世界上采用直流輸電的海上風(fēng)電場均采用VSC-HVDC技術(shù)[29]。VSC-HVDC技術(shù)根據(jù)風(fēng)電場集電系統(tǒng)運(yùn)行頻率又可以進(jìn)一步細(xì)分，當(dāng)采用的交流頻率為低頻(10～20 Hz)時(shí)，海上風(fēng)電場為低頻電網(wǎng)，線路無功電流大幅減少，可以解決遠(yuǎn)海風(fēng)電送出問題；當(dāng)采用的交流頻率為中頻(100～400 Hz)時(shí)，海上風(fēng)電場為中頻電網(wǎng)，變壓器和濾波器的體積和重量得以大幅減小，集電系統(tǒng)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性得以提高[30]。此外，文獻(xiàn)[31]提出了直流集電系統(tǒng)的高壓直流并網(wǎng)海上風(fēng)電場設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)更小的集電系統(tǒng)損耗，并且省去了集電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償設(shè)備及笨重的變壓器設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 采用直流集電系統(tǒng)的高壓直流并網(wǎng)海上風(fēng)電場結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of HVDC grid-connected offshore wind farm using DC collector system

按照換流器的拓?fù)漕愋?，VSC-HVDC 可以劃分為基于兩電平、三電平技術(shù)的VSC-HVDC輸電技術(shù)、以及基于模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)的MMC-HVDC 輸電技術(shù)，其中，早期多以兩電平和三電平為主，但其存在諧波含量高、開關(guān)損耗大等缺陷。MMC技術(shù)通過多個(gè)開關(guān)器件的串聯(lián)，允許子模塊使用較低的開關(guān)頻率，減少了器件的損耗，此外，通過使用更多的電平降低了電壓的諧波含量，從而省去了濾波器的配置要求。

由于MMC 換流站占地空間及建造成本均較LCC 換流站要大，文獻(xiàn)[32]提出了采用混合直流輸電技術(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)于海上風(fēng)電的并網(wǎng)具有很大優(yōu)勢(shì)。進(jìn)一步地，為了減少海上風(fēng)電場高壓直流換流站的能源消耗及建設(shè)難度，文獻(xiàn)[33]提出了將海上VSC換流站替換為晶閘管，而陸上換流站依然采用VSC 型輸電結(jié)構(gòu)，使傳輸損耗和建造成本分別下降了20%和30%。

考慮到技術(shù)的成熟性，在已投運(yùn)的風(fēng)電場中，只有德國和中國的部分風(fēng)電場采用了VSC-HVDC并網(wǎng)的技術(shù)，其他風(fēng)電場均采取的是不同電壓等級(jí)的高壓交流并網(wǎng)。同時(shí)，在德國的海上風(fēng)電場中，VSC-HVDC并網(wǎng)的比例很高。在已投運(yùn)的19座德國風(fēng)電場中，有5 座采用的是高壓柔直并網(wǎng)的方式。在建的風(fēng)電場中，所有來自德國的項(xiàng)目采用的均是高壓柔直并網(wǎng)的方式?？梢姡琕SCHVDC 并網(wǎng)技術(shù)在德國的大規(guī)模海上風(fēng)電場項(xiàng)目中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，也是德國海上風(fēng)電場未來并網(wǎng)方式發(fā)展的主流。

對(duì)于其他國家的海上風(fēng)電場，高壓交流并網(wǎng)仍然是主要選擇。但英國在建的Hornsea I 和Hornsea II兩個(gè)項(xiàng)目擬采用HVDC并網(wǎng)，可見更多的國家正意識(shí)到HVDC 并網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)。在海上風(fēng)電駛向遠(yuǎn)海的背景下，HVDC 并網(wǎng)技術(shù)將成為未來海上輸電技術(shù)的熱點(diǎn)。

3 結(jié)論

詳細(xì)總結(jié)了全球海上風(fēng)電的發(fā)展現(xiàn)狀、未來趨勢(shì)，并重點(diǎn)介紹了海上風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、風(fēng)電場集電系統(tǒng)以及海上風(fēng)電場并網(wǎng)方式等。研究結(jié)果表明，當(dāng)前海上風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)正向著更深、更遠(yuǎn)海域發(fā)展，風(fēng)電場向更大規(guī)模、更多風(fēng)機(jī)發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向更大裝機(jī)容量發(fā)展，永磁同步風(fēng)機(jī)成為未來海上風(fēng)機(jī)的主要選擇。

隨著海上風(fēng)電開發(fā)區(qū)域不斷向深海拓展，有效降低開發(fā)成本至關(guān)重要。為克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷并降低海上風(fēng)電場開發(fā)成本，仍然需要學(xué)術(shù)領(lǐng)域開展持續(xù)的研究和創(chuàng)新。