海上风电送出主要方案及其关键技术问题研究

摘要：随着全球能源结构的转型和对可再生能源需求的增加，海上风电作为一种清洁、可再生的能源形式，其开发和利用受到了广泛关注，海上风电场的电力送出是实现海上风电商业化运营的关键环节。本文综述了海上风电送出的主要方案，包括高压交流输电（HVAC）、高压直流输电（HVDC）以及柔性直流输电（VSC-HVDC），并分析了这些方案的关键技术问题，还探讨了如何通过技术创新、优化输电方案和环境适应性研究来解决这些问题，以促进海上风电的高效、经济和可持续发展。

关键词：海上风电；主要方案；关键技术；问题

在全球能源转型和气候变化的大背景下，海上风电作为一种可再生的能源形式，其开发和利用受到了前所未有的关注，海上风电场的电力送出是实现海上风电商业化运营的关键环节，它不仅关系到风电场的经济效益，还影响到整个电力系统的稳定性和可靠性，因此，研究海上风电送出的主要方案及其关键技术问题，对于推动海上风电产业的发展具有重要意义。

1 海上风电送出主要方案

1.1 高压交流输电

高压交流输电（HVAC）是海上风电场并网的常规方式，其结构简单，造价相对较低，是目前输电方式中最成熟的一种技术。这种输电方式通过使用变压器将风电场产生的电能升压至高压，然后通过海底电缆传输到陆地上的变电站，再通过变压器降压后并入电网，HVAC技术的优点在于其技术成熟、运行维护相对简单，且在风电场距离陆地较近时，输电效率和经济性都较为理想。但是随着风电场距离陆地越来越远，HVAC的输电效率和经济性会受到影响，由于交流输电在长距离传输时会遇到较大的电阻损耗和电抗损耗，导致电能损失增加，因此对于远距离海上风电场而言，HVAC可能不是最经济有效的输电方式。此外，长距离的高压交流输电还可能需要更多的海底电缆和更复杂的变电站设施，这会进一步增加建设和维护成本。尽管HVAC技术在海上风电场的并网中得到了广泛应用，但随着风电场规模的扩大和距离的增加，其局限性也逐渐显现。因此，对于远距离海上风电场，可能需要考虑其他输电技术[1]。

1.2 电网换相型高压直流输电

电网换相型高压直流输电（LCC-HVDC）是一种成熟的高压直流输电技术，它利用电网换相技术来实现直流电与交流电之间的转换，这种技术通过使用可控硅（晶闸管）作为换流器的主要元件，通过控制晶闸管的导通和关断来实现电流的换相，LCC-HVDC系统通常包括整流站、逆变站和连接两者的直流输电线路。整流站将交流电转换为直流电，直流电通过输电线路传输到逆变站，逆变站再将直流电转换回交流电并入电网[2]。LCC-HVDC技术在输电效率和功耗方面具有优势，尤其是在长距离输电中，其输电损耗相对较小，能够有效减少电能损失，由于直流输电不受交流输电中电抗的影响，因此在相同电压等级下，直流输电线路的传输能力更强。然而，LCC-HVDC技术在连接弱电网时可能会遇到换相失败的问题，这是因为弱电网的电压稳定性较差，可能导致换流器的换相过程不顺利。尽管LCC-HVDC技术在输电效率和功耗方面具有优势，但其在连接弱电网和控制谐波方面存在一定的局限性，随着电力电子技术的发展，柔性直流输电（VSC-HVDC）技术逐渐成为海上风电场并网的另一种选择。

1.3 柔性直流输电

柔性直流输电（VSC-HVDC）是一种基于电压源换流器技术的高压直流输电方式，它允许对无功功率进行独立控制，这对于海上风电场的并网尤为重要。VSC-HVDC系统使用绝缘栅双极晶体管等全控型电力电子器件，这些器件能够实现快速的开关操作，从而实现对直流电压和电流的精确控制。这种技术的灵活性使得它特别适合于连接分布式电源，如海上风电场，以及与弱电网的连接。由于其能够独立控制无功功率，因此可以有效改善电网的电压稳定性，减少电网的波动。此外，该系统在故障情况下能够快速响应，有助于提高电网的可靠性，然而，这一技术的初期投资成本相对较高，这主要是由于全控型电力电子器件和相关控制系统的成本较高。尽管如此，随着技术的进步和规模化生产，这些成本有望逐渐降低。随着海上风电场规模的扩大和距离的增加，VSC-HVDC技术因其在长距离输电和并网方面的优势而越来越受到重视，它不仅能够减少输电过程中的能量损耗，还能够提供更好的电网稳定性，这对于海上风电场的高效运行至关重要。随着海上风电技术的不断发展，VSC-HVDC有望成为海上风电并网的主流技术之一。

2 海上风电送出关键技术问题

海上风电送出关键技术问题主要有以下几点：1.输电效率：随着风电场距离陆地的增加，输电效率会下降，导致更多的能量损耗。2.技术成熟度：一些新型的输电技术如VSC-HVDC虽然具有优势，但其成熟度和可靠性仍需进一步验证。3.环境适应性：海上风电场面临的环境条件复杂，如盐雾、海浪等，对输电设备的耐腐蚀性和稳定性提出了更高要求。4.并网技术：海上风电并网技术需要解决与陆上电网的兼容性问题，包括电压稳定、频率调节等。

3 海上风电送出关键技术问题解决方案

3.1 优化输电方案

优化输电方案是确保海上风电高效、经济并网的关键，这涉及到对风电场的地理位置、风能资源以及与电网的连接点等多方面因素的综合考量，在选择输电方案时，需要考虑风电场与陆地电网之间的距离，因为这直接影响到输电成本和效率。对于距离较近的风电场，高压交流输电可能是更经济的选择，因为它结构简单、成本较低。而对于距离较远的风电场，高压直流输电技术，尤其是柔性直流输电，可能因为其在长距离输电和并网方面的优势而成为更合适的选择。大规模风电场可能需要更高的输电容量和更可靠的输电技术。在这些情况下，VSC-HVDC技术因其能够提供更好的系统稳定性和对电网的适应性，可能成为首选。

3.2 技术创新

随着海上风电产业的快速发展，对输电技术的要求也越来越高，这促使了对新技术的研发和应用。例如，柔性直流输电技术（VSC-HVDC）的出现，就是对传统LCC-HVDC技术的创新。VSC-HVDC技术通过使用全控型电力电子器件，如IGBT，实现了对无功功率的独立控制，提高了输电系统的稳定性。此外，VSC-HVDC技术还能够更好地适应海上风电场的波动性，提供更灵活的并网解决方案。通过改进海底电缆的设计和制造工艺，可以提高其耐腐蚀性和机械强度，从而延长其使用寿命并降低维护成本。通过优化换流站的设计，可以减少设备的占地面积和能耗，提高系统的整体效率。

3.3 环境适应性研究

海上风电场通常位于开阔海域，面临强风、巨浪等自然条件的考验，这些因素对输电设备的材料、结构和性能提出了特殊要求，例如，盐雾和潮汐可能导致设备腐蚀，而强风和巨浪则可能对设备的机械强度和稳定性构成威胁，因此，环境适应性研究需要关注如何选择耐腐蚀材料、设计抗风浪结构以及确保设备在极端天气条件下的安全运行。通过监测设备在实际运行中的性能表现，可以评估其对环境因素的适应性，并及时发现潜在问题。

3.4 井网技术升级

海上风电场的并网技术升级涉及多个方面，包括但不限于电网接入点的选择、并网设备的配置、以及并网控制策略的优化，在选择电网接入点时，需要考虑电网的结构、负荷分布以及风电场的地理位置，以确保风电场能够高效、稳定地并入电网。并网设备的配置则需要考虑设备的可靠性和技术先进性，以确保风电场能够适应电网的各种运行条件。可以采用先进的电力电子设备，如柔性直流输电技术（VSC-HVDC），来提高风电场的并网性能。这些设备能够提供更好的无功功率控制和故障穿越能力，从而提高风电场的并网稳定性。

4 结语

综上所述，海上风电送出方案的选择和优化是一个复杂的过程，需要综合考虑技术、经济等多方面因素，通过不断的技术创新和优化，海上风电产业有望实现可持续的发展。

参考文献：

[1]赵泽昕，陈维江，赵国亮，等.海上风电柔性低频交流送出系统输送能力计算与分析[J].电力系统自动化，2023，47（11）：1-8.

[2]王帅，任军辉，娄彦涛，等.±525kV/2GW海上风电柔性直流送出系统海上换流站设备选型探讨[J].高压电器，2022，58（7）：11-17.