大力發(fā)展海上風(fēng)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(fēng)電開發(fā)向深遠(yuǎn)海邁進(jìn)，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，由國網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司（以下簡稱“國網(wǎng)經(jīng)研院”）承擔(dān)成套設(shè)計(jì)與工程調(diào)試的我國首個(gè)遠(yuǎn)海風(fēng)電經(jīng)直流送出項(xiàng)目——江蘇如東海上風(fēng)電柔性直流工程（以下簡稱“如東工程”）已安全穩(wěn)定運(yùn)行513天，實(shí)現(xiàn)年上網(wǎng)電量約26億千瓦時(shí)，相當(dāng)于約105萬戶家庭年用電量，為海上風(fēng)電深遠(yuǎn)海大規(guī)模開發(fā)提供了關(guān)鍵解決方案。
《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》提出，優(yōu)化近海海上風(fēng)電布局，開展深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電規(guī)劃。近年來，我國海上風(fēng)電裝機(jī)容量持續(xù)增長，截至2022年累計(jì)裝機(jī)容量已超3000萬千瓦，居全球首位。受生態(tài)環(huán)境保護(hù)、交通航道占用等因素影響，近海風(fēng)電資源日趨緊張，遠(yuǎn)海具備更廣闊的海域資源和更龐大的風(fēng)能儲量，開發(fā)潛力更大。
向深遠(yuǎn)海挺進(jìn)，就意味著更遠(yuǎn)的輸電距離，風(fēng)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(fēng)電并網(wǎng)，而遠(yuǎn)海大容量海上風(fēng)電必須采用柔性直流并網(wǎng)技術(shù)。”國網(wǎng)經(jīng)研院直流技術(shù)咨詢中心主任李明說，在2016年以前，遠(yuǎn)海風(fēng)電柔直并網(wǎng)技術(shù)仍被國外長期嚴(yán)密封鎖，沒有任何經(jīng)驗(yàn)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(yuǎn)海風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，相繼攻克高壓大容量遠(yuǎn)海風(fēng)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(shè)計(jì)實(shí)施等重大技術(shù)難題，完成高壓大容量遠(yuǎn)海風(fēng)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)研院如東工程項(xiàng)目經(jīng)理趙崢介紹，“源—直—網(wǎng)”交互協(xié)同難，主要因?yàn)榇笠?guī)模海上風(fēng)電孤島柔直受端單線、長距離饋入電網(wǎng)，海上風(fēng)電場無濾波裝置，系統(tǒng)耦合特性復(fù)雜、諧波劣化嚴(yán)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(shí)可有效化解海上風(fēng)電接入柔直系統(tǒng)的寬頻振蕩風(fēng)險(xiǎn)。
該團(tuán)隊(duì)根據(jù)海上柔直環(huán)境惡劣、平臺空間布局緊張、運(yùn)維工況復(fù)雜的特點(diǎn)，研發(fā)出滿足高可靠性、強(qiáng)適海性與免維護(hù)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(shè)備空間比國外均降低10%以上，大幅降低了核心設(shè)備與海上換流平臺的設(shè)計(jì)制造難度和整體投資水平。
因?yàn)槿狈Ω邏捍笕萘恐绷骱哪苎b置、海上換流閥等適海設(shè)備，工程進(jìn)展受到嚴(yán)重影響。該團(tuán)隊(duì)提出了高性能、低成本的海上風(fēng)電柔直核心設(shè)備設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和研發(fā)技術(shù)規(guī)范，支撐國內(nèi)設(shè)備制造單位成功研制出世界電壓等級最高的直流耗能裝置、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%。
“這些研發(fā)成果填補(bǔ)了我國遠(yuǎn)海風(fēng)電柔直送出領(lǐng)域技術(shù)空白，打破了國外在遠(yuǎn)海風(fēng)電柔直并網(wǎng)領(lǐng)域的技術(shù)封鎖，是我國遠(yuǎn)海風(fēng)電發(fā)展的重要里程碑。”李明說。
據(jù)介紹，如東工程是世界上電壓等級最高、輸送容量最大的海上風(fēng)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(yuǎn)海風(fēng)電大規(guī)模消納難題上取得重大技術(shù)突破，創(chuàng)造了8項(xiàng)世界第一，對我國大規(guī)模遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)建設(shè)具有重大示范意義。國網(wǎng)經(jīng)研院黨委書記、執(zhí)行董事郭銘群表示：“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(fēng)電并網(wǎng)消納的最優(yōu)手段。”
預(yù)計(jì)2030年，我國遠(yuǎn)海風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模將超過1億千瓦。目前，多條遠(yuǎn)海風(fēng)電柔直并網(wǎng)工程已進(jìn)入可行論證階段，柔直并網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用前景非常廣闊。但隨著我國海上風(fēng)電從高補(bǔ)貼階段進(jìn)入平價(jià)上網(wǎng)時(shí)代，降低遠(yuǎn)海風(fēng)電的開發(fā)利用成本成為首要任務(wù)，亟待研發(fā)輕型緊湊化并網(wǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)。
“目前已開發(fā)出輕型化主回路設(shè)計(jì)技術(shù)，攻克了‘阻—感—容’暫態(tài)特性全局優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與百微秒級超高速保護(hù)協(xié)同方法，提出了多路徑核心設(shè)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(shí)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(shè)計(jì)目標(biāo)，為大規(guī)模海上風(fēng)電安全、可靠、經(jīng)濟(jì)送出奠定技術(shù)基礎(chǔ)。”趙崢介紹。
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(fēng)電場大容量、遠(yuǎn)距離輸電問題，對未來我國海上風(fēng)電集中連片規(guī)?；瓦h(yuǎn)海大容量風(fēng)電開發(fā)建設(shè)具有重要意義。