国内海上风电未来发展特点
● 规模大、深远海区域占比高
三山岛海上风电柔直工程技术探索
● 不仅海上采用柔性直流技术，风电登陆后，将继续走直流架空线至负荷中心
● 首次提出无直流断路器、无集中耗能装置技术方案
● 利用风机全功率变流器自带的耗能装置实现盈余功率分散式就地耗散
近日，阳江三山岛海上风电柔直输电工程(以下简称“三山岛海上风电柔直工程”)获得核准批复。
该项目由广东电网公司统一规划、统一建设。工程包括海陆两部分，将在海上建设一座±500千伏海上换流站，通过500千伏直流海底电缆及直流架空线方式把阳江三山岛海上风电一至四项目(总规划装机容量为2000兆瓦)的风能输送至粤港澳大湾区。
该项目打破常规，采用超大规模海上风电海陆一体直流输电技术方案，将从源头破解大规模、深远海区域风电送出难题。
统一规划，让海陆更协同
规模大、深远海区域占比高正成为国内海上风电发展的特点。
今年以来，浙江、广东、海南等地亦出台相应政策及资金支持，加快推进深远海风电开发。与之前主要是近海小规模海上风电相比，深远海区域风电送出，统一规划势在必行。
当下海上风电送出工程中，各投资主体各自开展前期工作，容量相似、布局接近的海上风电厂项目采用多种输电方式、多电压等级送出。在近海小规模海上风电时期，这样的模式并没有问题。随着海上风电的高速发展，海上风电送出通道、登陆点日渐捉襟见肘，海陆不协调问题将制约海上风电长远发展。
广东电网公司规划研究中心技术专家彭穗认为，首先是海上路径资源未得到充分利用，怎么更节约用海需要统筹考虑。其次是海陆两侧衔接问题。相关媒体报道，广东阳江沙扒、青洲海上风电规划装机约700万千瓦，多家风电业主各自独立建设陆上汇集站，导致登陆点附近密集分布多个汇集站，重复建设现象明显。
最后还有更大范围的海陆统筹问题。“以往海上风电场规模比较小，或交流架空线在本地电网消纳，或优化原有送出廊道送至负荷中心。但是广东省海上风电的规划容量超过7000万千瓦，如果按既有的思路，需要30回交流架空线路送至粤港澳大湾区等负荷中心。然而从阳江、汕头往珠三角走，根本找不出这样的输电走廊。”彭穗认为，海陆的统筹，已不仅仅是海上风电场址与登陆点的统筹规划，必须把更大范围的输电廊道纳入进去考虑。
三山岛海上风电柔直工程在前期规划中恰恰做到了此点，其采用的超大规模海上风电海陆一体直流输电技术方案试图从源头解决大规模、远海风电送出的难题。
柔性直流输电技术再次成为关键
2021年年底，中国科学院院士陈十一曾总结道：“大型风电机组、规模化开发、漂浮式基础、海上智慧运维，以及深远海柔直输电技术，是海上风电发展方向。”
其中，以柔性直流、中频技术、低频技术为主开展的远距离电力输配电技术，能够适应距离海岸百公里级的大规模深远海项目开发。2021年年底，亚洲首个400千伏海上风电柔性直流输电工程如东海上柔直工程实现风电场全容量并网。三山岛海上风电柔直工程则更进一步，不仅海上采用柔性直流技术，风电登陆后，将继续走直流架空线至负荷中心。
南网科研院直流输电与电力电子技术研究所一级项目经理邹常跃介绍，常规海上风电经柔性直流送出方案中，风电登陆后依赖“登陆点换流站+交流架空线”实现陆上电能传输。在欧洲，海上风电登陆后主要通过直流陆缆将电能输送至负荷中心。
“这两种方案对我们来说都不是优选。陆缆成本是架空线5倍，在海上风电要平价上网的目标下，这种方案很难接受。陆上交流送出架空线也将很难适应未来的广东。”邹常跃解释，广东沿海城市海岸线土地资源、沿海到珠三角输电通道的紧张，导致广东很难在登陆点建设大量换流站、在输电通道上新建大量交流架空线将海上风电输送至负荷中心。而且在登陆点建设的柔性直流换流站，难以发挥对负荷中心电网的稳定支撑作用。
在此情况下，采用海陆一体协同直流输电技术成为最优选择。具体来讲，每2000兆瓦容量对应建设一个柔性直流换流站，风电场产生的电能先过海上换流站，再分别经一回直流海缆接入到登陆点的终端转换站，后走直流架空线，各回直流架空线再统一接入附近陆上开关汇集站，汇集6000兆瓦到10000兆瓦，最后直流架空线直送负荷中心。根据电网运行需要，在受端负荷中心可建设大容量的柔性直流换流站。
这里面涉及直流架空线故障穿越的难题。三山岛海上风电柔直工程首次提出无直流断路器、无集中耗能装置技术方案。
不依赖直流断路器实现直流故障穿越，南方电网公司有一定的经验。在昆柳龙直流工程中已经验证了柔性直流架空线路故障自清除功能的可靠性。但是这次和昆柳龙直流工程又有不同，因为还需要和风机协同，解决盈余功率等问题。
邹常跃解释，“像昆柳龙直流工程，主要是网对网，送端有个电网扛着盈余功率，工程只需要考虑清除故障。但是海上风机一个个是独立的，一旦陆上电网侧发生故障，海上风机功率调节速度过慢，就可能导致直流海缆能量堆积、电压升高、造成设备损坏和系统停运。”这次工程，他们选择通过控制保护策略实现和风机的协同。
三山岛海上风电柔直工程将利用风机全功率变流器自带的耗能装置实现盈余功率分散式就地耗散。“耗能这个能力每个风机本身都具备，它会配合电网做协调，但是比较慢。以前，告诉它一次得500毫秒到1秒钟，电网的柔直阀只能硬抗10毫秒左右，再算上故障检测等时间，留给协调的时间最多1毫秒。”根据南网科研院团队和设备厂家最近在广东临海风电试验基地做的快速调用风机耗能装置模拟试验，“确定大概600微秒就可以完成协调。试验有效验证了海风柔直输电工程无直流断路器、无集中耗能装置的技术方案可行性。”邹常跃说。
阳江三山岛海上风电柔直输电工程带来的新挑战还有很多。彭穗认为：“海上风电发展到最后，制约我们发展的可能不是我们最开始设想的困难。但是通过这样一个工程，我们用创新突破难关，从源头上解决大规模、远距离海上风电送出难题，非常有价值。
