国网智能电网研究院陆振纲：海上风电柔性低频交流送出技术及未来应用前景

“海上风电走向深远海，海上输电系统占到成本的比例也随之增加，大规模海上风能的高效汇集和经济送出，也是助力海上风电平价的关键之一。

目前主流的海上风电汇集送出技术主要有工频交流输电和柔性直流输电两种，柔性低频交流输电是我国原创突破的一种新型高效经济的交流输电技术，是工频交流与直流输电的有益补充，可提升输电能力、柔性控制与灵活组网。通过交交换流器与风电机组的无功电压协同优化控制，可以进一步提升海缆利用率和系统稳定性。我国目前已经对海风柔性低频典型方案和关键装备开展了广泛的研究和示范应用，技术日渐成熟。面向未来大规模海上风电开发送出需求，柔性低频可多端/跨电压组网送出，通道输电利用率和送出系统可靠性更高，过载能力强、故障率低，在50-170km范围内更具有经济性。”

——国网智能电网研究院电力电子研究所柔性输电装备室主任 陆振纲

国网智能电网研究院电力电子研究所柔性输电装备室主任陆振纲

6月8-9日，由北极星电力网、北极星风力发电网主办的“迎风向海，迈入深蓝——第三届海上风电创新发展大会”成功召开，国网智能电网研究院电力电子研究所柔性输电装备室主任 陆振纲在大会上分享了《海上风电柔性低频交流送出系统典型方案及无功电压控制技术》。

发言整理如下：

国网智能电网研究院有限公司是国家四家电网公司直属科研单位之一，国网前沿技术创新中心和先进装备研发中心。承担了“十四五”国家重点研发计划“柔性低频输电关键技术”和国网几乎全部低频输电项目。2022年初，中标德国BorWin6海风柔直送出工程，这是我们国家柔直技术首次打入国际市场。

我今天的分享以下几个方面：

海上风电主要送出方式

随着向深远海走近之后，海上输电系统占到成本的比例也会增加，所以我们认为大规模海上风能的高效汇集和经济送出，也是助力海上风电平价的关键之一。

现在主流的海上风电汇集送出技术主要分两种：

1.工频交流输电

技术成熟、成本低，是国内外近海风电场的主要送出方式，但是：

海缆对地电容相对较大，充电无功大，限制有功传输，随着距离/容量提升，须配置无功补偿；

随着输电距离/容量提升，可能出现两端电流超出海缆允许载流量或线路中段电压超限；

采用海上、岸上两端无功补偿时，输电距离在150km内，输电功率受海缆线路载流约束，超出150km线路输电功率受电压超限约束；

随着风场容量增大，电压等级提高，充电无功呈平方关系快速增加。

2.柔性直流输电

柔性直流输电是解决海上风电远距离公平送出的新技术方案之一，直流海缆造价低且无充电无功问题。

但是有两个不足：

一是柔性直流海上换流平台（尤其是深海平台）造价昂贵。随着水深增加，换流平台造价快速上升；二是海上换流站元器件多、结构复杂、抗扰性差，其可靠性低于电磁元件，同时受海上可达到性差、台风等不利海况因素，运维成本高、难度大。

针对这些问题，我们近些年也在研究新型的输电技术，如柔性低频交流输电。该技术是借助电力电子技术变换优选低于50Hz频率，以提升电网输送容量和柔性调控能力，是一种新型高效经济的交流输电技术。

其优势在于：线路阻抗小，线路压降和充电功率小，电缆载流量高，可显著提升输电距离与容量；具备交流易多端跨电压组网的优势，并且新能源可直接输出低频电能，无需海上换流站；采用电压源型换流器，实现频率变换同时，有功、无功可四象限运行，具备类似柔性直流输电的柔性调控能力，如潮流灵活调节、无功补偿、电压动态支撑等。

在输电能力与输电距离上，采用20Hz的单回低频海缆，200km内220kV/330kV可送出300MW~650MW，500kV可送出1.2GW左右，满足海风单场送出需求。

柔性调控方面，柔性交交变频器向工/低频系统补偿无功，进一步平抑系统无功和电压波动；电压调节功能，实现工频/低频电压解耦，放宽线路电压降约束；实现电网跨区异步互联，解决功角稳定问题，进一步提升系统稳定性。

而且，柔性低频交流输电技术具备交流系统交变过零的特点，可通过传统的交流断路器进行开断；可通过电磁变压器实现电压等级变换及电气隔离，具备交流灵活组网的优势。

重要的是，600-800MW内采用220kV低频输电与±250kV/±400kV柔性直流输电海缆线路数一致，由于直流海缆造价低于220kV交流海缆，两者等价经济距离大于250km；800MW-1200MW内，220kV低频输电须采用三回交流线路送出，±400kV柔性直流输电则采用两路直流线路，两者等价经济距离为170km；采用330kV低频送出等价距离可进一步提升。

未来大规模海风开发的基础上，柔性低频送电在可靠性和经济性上更好。

海上风电柔性低频系统关键装备及典型方案

海上风电低频输电系统可利用风机直接输出低频电能，通过汇集系统将低频电能传输至海上平台，并通过低频变压器升压后经海缆线路送出，最后通过陆上交交变频站将低频电能变换为工频，汇入工频电网。

低频输电关键装备主要包括交交换流阀、输电线路、变压器、断路器等，频率会影响输电设备的设计与制造，需要开展针对频率变化的优化设计与研发。

需要注意的是，新能源低频并网是柔性低频输电系统在新能源汇集送出应用的前提之一。海上风电多采用直驱/半直驱型风机，其均采用全功率换流，可对现有的风电机组进行一定的改造或者重新设计。通过改变风机换流器控制及滤波、取能回路，直接输出低频电能实现低频并网，该操作不会对风电机组的成本造成比较大的影响。

在我们对华东某800MW海上风电示范工程做出的方案中，送出海缆约80km，规划1座海上升压站、1座陆上换频站及配套送出工程。

工程拟采用20Hz柔性低频汇集，经单回或双回海缆低频送出，通过陆上20Hz/50Hz交交换流站，并入工频500kV电网，通过这个工程，可以对大规模海洋风电低频送出系统和装备进行整体的验证。

柔性低频输电技术近期进展

柔性低频输电关键技术是“2021年国家重点研发计划储能与智能电网技术重点专项”内项目，项目负责人是汤广福院士。目前，项目技术进展主要体现在以下几个方面：

1.高压大容量交交换器

针对主流的矩阵式模块化多电平(M3C)交交换流器，国网智研院提出多层级模块均压、环流抑控制、缺桥臂运行及共模电压注入等优化设计及控制技术，可减少桥臂子模块数13.4%，提高换流阀运行可靠性。联合南瑞中电普瑞公司研制了容量330MVA的M3C装备应用于220kV杭州柔性低频输电工程。

针对M3C模块数多、成本高、损耗大问题，智研院创新了基于半波变频的新型交交换流器拓扑：一方面采用半波换流思想实现频率变换，具备四象限运行能力；另一方面大幅减少模块数及器件使用数量，对比M3C拓扑，开关器件数量减少30%以上，大幅降低换流器成本，是海上风电低频交流送出最具前景的拓扑。

2.低频电气设备

分别战队低频断路器和低频变压器进行优化和研发。研制220kV低频断路器，经测试分闸速度达到13.5m/s，分闸时间不大于8ms；研制220kV/330MVA低频变压器并在杭州工程应用。

在浙江台州大陈岛柔性低频联网示范工程中，将大陈岛上“新星风电场”发出的低频电能经低频海缆与陆上电网相连，显著提升了海岛风电的外送能力、海缆供电能力，验证了低频风机和海缆低频运行等技术。

其它应用场景分析中，一个典型的应用是配合藏东南水光互补一体化电源基地大规模开发，在藏东南形成500kV低频组网，汇集藏东南水电站及光伏场站，并与西藏电网异步互联。较工频组网方式，节省通道占用，电网结构与支撑控制能力大幅提升，有力支撑大规模直流外送。

应用进展

柔性低频输电通过降低输电频率，较工频输电大幅减小海缆充电功率，解决载流量受限问题；减小架空线阻抗，解决长线路静稳和电压越限问题；具备电压/潮流等柔性调节功能，弥补工频输电调节支撑能力不足。

柔性低频输电仍属交流输电，可电磁变压、过零开断，避免了直流组网下直流变压和直流故障开断的难题。

柔性低频输电是工频交流与直流输电的有益补充，是我国自主原始创新的新型输电技术。在中/远距离海上风电、沙戈荒大型新能源基地组网送出，西北广域弱电网互联等场景中具有广阔应用前景。

未来，我们也希望能在海上构建一个具备经济高效、灵活柔性、安全可靠等特征，与陆上主网多点互联的海上柔性低交流频输电网，支撑大规模海上风电组网送出、海岛及海上生产平台互联供电；

在西北部沙戈荒大规模风、光(水互补)基地建立可再生能源多基地柔性低频送端广域组网送出系统、广域弱电网柔性低频交流互联系统等。