徐 政

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江省杭州市 310027）

0 引言

中國(guó)海上風(fēng)能資源豐富且緊鄰負(fù)荷中心，開發(fā)海上風(fēng)電可以實(shí)現(xiàn)就近消納，是實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”的重要舉措之一。目前，已得到成功應(yīng)用的海上風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)包括常規(guī)工頻交流輸電技術(shù)和柔性直流輸電技術(shù)，其中常規(guī)工頻交流輸電技術(shù)受到輸電距離的制約，而柔性直流輸電技術(shù)則受到投資成本和運(yùn)維成本高的限制。

宏觀上看，海上風(fēng)電送出存在多種可能技術(shù)，并可以從3 個(gè)技術(shù)維度進(jìn)行劃分：第1 個(gè)技術(shù)維度描述海上風(fēng)電機(jī)組是否具有獨(dú)立構(gòu)網(wǎng)能力，分別為跟網(wǎng)型（grid-following）風(fēng)機(jī)和構(gòu)網(wǎng)型（grid-forming）風(fēng)機(jī)2 種類型；第2 個(gè)技術(shù)維度描述海上風(fēng)電機(jī)組輸出電壓和電流的頻率特征，分別為直流、低頻、工頻和中頻4 種類型；第3 個(gè)技術(shù)維度描述海上高壓主輸電通道采用的輸電方式，分別為直流、低頻交流和工頻交流3 種方式。

根據(jù)上述3 個(gè)技術(shù)維度劃分，可以組合出多種海上風(fēng)電送出方案，而從經(jīng)濟(jì)性、可靠性和技術(shù)成熟度進(jìn)行考察，存在8 種具有明顯特點(diǎn)的代表性方案。本文將分別對(duì)這8 種海上風(fēng)電送出方案的技術(shù)特點(diǎn)、關(guān)鍵問題和技術(shù)成熟度進(jìn)行評(píng)述，并提出推薦的技術(shù)開發(fā)方向。

1 海上風(fēng)電送出的典型方案及其特點(diǎn)

1.1 工頻跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電交流送出方案

工頻跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電交流送出方案的典型接線如圖1 所示。圖中：PCC 表示公共連接點(diǎn)。

圖1 工頻跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電交流送出方案(方案1)示意圖Fig.1 Schematic diagram of AC transmission scheme for power-frequency grid-following offshore wind farms (scheme 1)

這種送出方案是目前得到廣泛應(yīng)用的海上風(fēng)電送出方案。其基本特點(diǎn)包括：

1）海上風(fēng)電機(jī)組采用跟網(wǎng)型控制［1-2］，基于鎖相環(huán)（phase-locked loop，PLL）跟蹤風(fēng)機(jī)出口交流母線電壓的相位角和頻率［3-5］，技術(shù)成熟且抗擾動(dòng)能力強(qiáng)［6］。

2）由陸上交流電網(wǎng)為跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)提供支撐電源，支撐強(qiáng)度通常用短路比來表示，定義為風(fēng)電場(chǎng)交流母線的三相短路容量與風(fēng)電場(chǎng)的容量之比［7-9］。由于海上風(fēng)電場(chǎng)廣泛使用直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組，其與交流電網(wǎng)的連接依靠其網(wǎng)側(cè)換流器實(shí)現(xiàn)。因此，網(wǎng)側(cè)換流器與交流電網(wǎng)的相互作用就代表了風(fēng)電機(jī)組與交流電網(wǎng)的相互作用。根據(jù)跟網(wǎng)型電壓源換流器（voltage source converter，VSC）接入交流電網(wǎng)的強(qiáng)度要求［10］，短路比必須大于1.4 才能穩(wěn)定運(yùn)行，而IEEE 穩(wěn)定性定義工作組認(rèn)為短路比小于1.5～2.0會(huì)引起PLL 工作的不穩(wěn)定［11］，從而導(dǎo)致跟網(wǎng)型風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的不穩(wěn)定。另外，陸上交流電網(wǎng)也是海上風(fēng)電場(chǎng)的功率平衡節(jié)點(diǎn)，即海上風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的功率大小不受限制，可以完全依靠陸上電網(wǎng)進(jìn)行平衡。

3）輸電距離受海纜電容效應(yīng)（表現(xiàn)為過電壓效應(yīng)和沿海纜方向的電流分布不均衡）影響。海上沒有中間平臺(tái)對(duì)海纜進(jìn)行并聯(lián)補(bǔ)償時(shí)，輸電距離一般 在80 km 之內(nèi)［12］。

1.2 低頻跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電交流送出方案

低頻跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電交流送出方案的典型接線如圖2 所示。這種送出方案所基于的技術(shù)目前正在開發(fā)中［13］。

圖2 低頻跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電交流送出方案(方案2)示意圖Fig.2 Schematic diagram of AC transmission scheme for low-frequency grid-following offshore wind farms (scheme 2)

與工頻跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電交流送出方案不同，這種技術(shù)方案采用低頻交流輸電，其目的是降低海纜的電容效應(yīng)。因?yàn)殡娙菪?yīng)決定于電容電納的大小，而電容電納與運(yùn)行頻率成正比，故運(yùn)行頻率降低時(shí)電容效應(yīng)也相應(yīng)降低。這樣，采用低頻輸電后，海纜的輸電距離就可以得到擴(kuò)展。例如，當(dāng)運(yùn)行頻率降低到20 Hz 時(shí)，海纜電容電流大幅度減小，交流海纜輸送距離可達(dá)200 km 左右［14］，從而可以應(yīng)用于遠(yuǎn)海風(fēng)電的送出。

低頻交流輸電除上述擴(kuò)展輸電距離的主要優(yōu)勢(shì)外，因其頻率降低，導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)下降，載流密度提高，還可以提升海底交流電纜的載流能力［15-18］。當(dāng)然，采用低頻交流輸電也存在一些缺陷。最主要的是變壓器的體積和重量上升，因?yàn)轭l率下降意味著電磁感應(yīng)效應(yīng)降低，對(duì)于同樣容量和電壓等級(jí)的變壓器，鐵芯截面積必須加大。初步估計(jì)，當(dāng)運(yùn)行頻率降低到16.66 Hz 時(shí)，對(duì)應(yīng)相同的容量和電壓等級(jí)，低頻變壓器的體積和重量是工頻變壓器的1.75 倍左右［18-19］。

低頻跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電交流送出方案的關(guān)鍵設(shè)備是連接海上低頻交流系統(tǒng)和陸上工頻交流系統(tǒng)的接口裝置，該接口裝置一般被稱為變頻器。對(duì)該變頻器的技術(shù)要求如下：為海上低頻側(cè)交流電網(wǎng)提供幅值恒定和頻率恒定的支撐電壓，使得海上風(fēng)電機(jī)組能夠按照跟網(wǎng)模式運(yùn)行。能夠滿足上述技術(shù)要求的變頻器拓?fù)洳⒉欢啵壳?，被廣泛接受的變頻器拓?fù)涫悄K化多電平矩陣變換器（modular multilevel matrix converter，M3C）［20-21］。

M3C 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3 所示，其原理分析比較復(fù)雜［22-24］，但其功能完全等價(jià)于2 個(gè)背靠背連接的模塊化多電平換流器（modular multilevel converter，MMC）。因此，下面就按照2 個(gè)背靠背連接的MMC（MMC1 和MMC2）來說明其控制原則。

圖3 M3C 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其功能等價(jià)Fig.3 Topology and functional equivalence of M3C

陸上交流電網(wǎng)是有源電網(wǎng)，也是海上風(fēng)電場(chǎng)送出系統(tǒng)的功率平衡節(jié)點(diǎn)。因此，連接到陸上電網(wǎng)的MMC2 作為整個(gè)系統(tǒng)的功率平衡換流器使用，其表現(xiàn)形式就是該換流器的控制目標(biāo)設(shè)定為保持其直流側(cè)的電壓恒定。對(duì)應(yīng)到M3C 變頻器，其陸上工頻側(cè)的控制策略就是保持M3C 中9 個(gè)橋臂所有子模塊電容電壓的平均值為恒定值。

海上交流電網(wǎng)是低頻運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)。由于風(fēng)電機(jī)組是跟網(wǎng)型的，連接海上交流電網(wǎng)的MMC1必須為海上交流電網(wǎng)提供支撐電源。因此，MMC1必須采用定交流電壓幅值和頻率的控制方式。在這種控制方式下，MMC1 的2 個(gè)控制自由度已用盡，即沒有多余的控制自由度來控制進(jìn)入MMC1 的海上風(fēng)電場(chǎng)功率，故海上風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)入MMC1 的功率是由MMC2 來實(shí)現(xiàn)平衡的。當(dāng)陸上交流電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致MMC2 交流母線電壓跌落時(shí)，MMC2 可能失去平衡海上風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)入功率的能力，導(dǎo)致直流系統(tǒng)內(nèi)部功率盈余而發(fā)生過電壓?jiǎn)栴}，這種情況下只能在MMC1 交流母線處安裝消能裝置，以減小進(jìn)入MMC1 的海上風(fēng)電場(chǎng)功率。對(duì)應(yīng)到M3C 變頻器，其海上低頻側(cè)的控制策略就是控制其交流母線的電壓幅值和頻率恒定，并需要在低頻側(cè)交流母線上安裝消能裝置。

M3C 是本輸送方案的關(guān)鍵設(shè)備，研發(fā)高電壓、大容量的M3C 是其關(guān)鍵技術(shù)。由于國(guó)內(nèi)已有研制高電壓、大容量MMC 的成熟經(jīng)驗(yàn)，而M3C 可以看作是MMC 的擴(kuò)展，故借鑒已經(jīng)成熟的MMC 制造技術(shù)，研制成功大容量M3C 是可期望的。

1.3 工頻跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電直流送出方案

工頻跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電直流送出方案的典型接線如圖4所示。這種送出方案是目前國(guó)內(nèi)外已投運(yùn)的海上風(fēng)電直流送出工程所普遍采用的技術(shù)方案［10］。

圖4 工頻跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電直流送出方案(方案3)示意圖Fig.4 Schematic diagram of HVDC transmission scheme for power-frequency grid-following offshore wind farms (scheme 3)

海上風(fēng)電采用直流送出的根本優(yōu)勢(shì)是輸送距離遠(yuǎn)和輸送容量大。如前所述，受海纜電容效應(yīng)影響，工頻交流輸送方案的輸電距離一般在80 km 之內(nèi)［12］，更遠(yuǎn)距離的送出工程通常只有2 種技術(shù)可以選擇，即直流輸電技術(shù)和低頻交流輸電技術(shù)。而就技術(shù)成熟度而言，直流輸電技術(shù)比低頻交流輸電技術(shù)更成熟。

工頻跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電直流送出方案的技術(shù)特點(diǎn)為［10，25］：

1）海上換流站MMC1 必須采用構(gòu)網(wǎng)型控制。海上風(fēng)電機(jī)組是跟網(wǎng)型的，因此，直流輸電海上換流站MMC1 必須為海上交流電網(wǎng)提供支撐電源。這樣，MMC1 本身必須采用構(gòu)網(wǎng)型控制，最常用的方式就是采用定換流站交流母線電壓幅值和頻率控制，即采用定V/f控制。值得指出的是，對(duì)于跟網(wǎng)型的海上風(fēng)電機(jī)組，海上風(fēng)電直流送出方案不可能采用基于電網(wǎng)換相換流器（line commutated converter，LCC）的常規(guī)直流輸電技術(shù)，因?yàn)長(zhǎng)CC 本身必須有源換相［26］，即LCC 本身必須有支撐電源才能工作，故其無法為海上風(fēng)電機(jī)組提供支撐電源。

2）海上換流站MMC1 是海上交流電網(wǎng)的功率平衡站。從功率平衡的角度看，MMC1 是海上交流電網(wǎng)的功率平衡站，其作用等價(jià)于交流電網(wǎng)潮流計(jì)算中的平衡母線。如果用潮流計(jì)算的概念來描述跟網(wǎng)型海上風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)行為，那么每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組出口可以用一個(gè)PQ節(jié)點(diǎn)或者PV節(jié)點(diǎn)來描述，即每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組都是按照定有功功率和定無功功率（或者定交流電壓）運(yùn)行的；而MMC1 的交流母線是海上風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)的平衡母線，即其電壓幅值為設(shè)定值，其電壓相角為海上交流電網(wǎng)的參考相角。這樣，無論海上風(fēng)電機(jī)組的有功和無功功率如何變化，最終都由MMC1 換流站來平衡。

3）陸上換流站MMC2 是高壓直流輸電通道的功率平衡站。仍從功率平衡的角度看，陸上換流站MMC2 是整個(gè)高壓直流輸電系統(tǒng)的功率平衡站，其表現(xiàn)形式為MMC2 控制直流系統(tǒng)的電壓為恒定值；當(dāng)直流電壓保持恒定時(shí)，就意味著MMC2 將通過MMC1 進(jìn)入直流系統(tǒng)的有功功率全部送入了受端交流電網(wǎng)。但當(dāng)受端交流電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，MMC2有可能無法完成作為整個(gè)直流系統(tǒng)功率平衡站的功能。因?yàn)镸MC2 的輸出功率與MMC2 交流母線電壓成正比，當(dāng)受端交流電網(wǎng)故障時(shí)，MMC2 交流母線電壓跌落，從而降低了MMC2 的功率輸出能力。此時(shí)，直流系統(tǒng)內(nèi)部的盈余功率必須通過額外的消能裝置來消耗掉，否則會(huì)引起直流系統(tǒng)過電壓，威脅到設(shè)備安全。

4）本方案存在的主要不足是海上平臺(tái)體積和重量大，如何降低海上平臺(tái)和換流站的體積和重量是當(dāng)前研發(fā)的主要方向。

1.4 中頻跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電直流送出方案

中頻跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電直流送出方案的典型接線如圖5 所示［27］。這種送出方案與圖4 的工頻跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電直流送出方案相比，僅僅是海上風(fēng)電場(chǎng)變成了中頻電網(wǎng)，其余部分完全相同。

圖5 中頻跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電直流送出方案(方案4)示意圖Fig.5 Schematic diagram of HVDC transmission scheme for medium-frequency grid-following offshore wind farms (scheme 4)

中頻跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電直流送出方案的技術(shù)特點(diǎn)為［27］：

1）海上交流電網(wǎng)是中頻交流電網(wǎng)。海上風(fēng)電機(jī)組是跟網(wǎng)型的，因此，直流輸電海上換流站MMC1必須為海上交流電網(wǎng)提供中頻的支撐電源，即MMC1 采用定V/f控制，只是這里的頻率f是中頻頻率，如150 Hz［28］。

2）海上平臺(tái)和換流站可以做得更小。由于海上換流站MMC1 接入海上中頻交流電網(wǎng)，MMC1 的橋臂子模塊電容值C可以大幅下降，從而可以降低子模塊的體積和重量，最終降低海上平臺(tái)的體積和重量，節(jié)省海上平臺(tái)和換流站的投資成本。其理論依據(jù)是［10］：子模塊中的電容電壓波動(dòng)率ε與MMC 的等容量放電時(shí)間常數(shù)H成正比，與交流系統(tǒng)角頻率ω成反比，即ε=1/（Hω）。而H與子模塊電容值C成正比，這樣，對(duì)于同樣的ε，如果ω上升到原來數(shù)值的3 倍，那么H就下降到原來數(shù)值的1/3，也就是子模塊電容值C下降到原來數(shù)值的1/3。

3）風(fēng)機(jī)和海上交流電網(wǎng)變壓器可以做得更小。由于交流變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=4.44fnΦ=4.44fnSB，其中，E為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值，f為交流電頻率，n為繞組匝數(shù)，Φ為磁通幅值，S為鐵芯截面積，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值。在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E相同的條件下，如果保持B和N不變，那么fS就是定值。意味著f上升3 倍，S就下降到原來的1/3。因此，海上風(fēng)電機(jī)組采用中頻后，變壓器的鐵芯截面積可以下降，從而減小了變壓器的體積和重量。

4）海纜的載流量下降和損耗上升。中頻海底電纜與工頻海底電纜相比，頻率升高，金屬導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)體的載流量會(huì)有所下降，損耗會(huì)有所上升。根據(jù)初步的評(píng)估，在保持工頻海纜結(jié)構(gòu)不變的條件下，以中頻頻率取150 Hz 為例，中頻電阻比工頻電阻上升50%左右，中頻載流量比工頻載流量下降10%左右［28］。如果就中頻頻率對(duì)海纜進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，載流量下降和損耗上升問題還可以得到一些改善。應(yīng)當(dāng)指出的是，本方案總體上屬于高壓直流送出方案，中頻頻率僅應(yīng)用于海上集電系統(tǒng)，通常集電系統(tǒng)的集電距離小于30 km，目前趨勢(shì)性的做法是采用66 kV 交流電纜直接將風(fēng)機(jī)連接到海上直流換流站，省去海上升壓平臺(tái)。目前，海底交流電纜在220 kV 及以下，都是采用三芯電纜。對(duì)于三芯電纜，電纜護(hù)套內(nèi)三相電流之和等于零，故正常情況下護(hù)套中的環(huán)流接近于零，這與采用單芯電纜時(shí)完全不同。因此，在中頻海纜載流量分析中，海纜護(hù)套環(huán)流不構(gòu)成限制因素，用三芯海纜可以使護(hù)套環(huán)流接近于零。

5）技術(shù)成熟度。本方案與工頻跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電直流送出方案相比，差別僅僅是海上集電系統(tǒng)為中頻電網(wǎng)，其他方面并沒有變化。盡管目前還沒有基于這種方案的實(shí)際工程，但可以認(rèn)為這種方案在技術(shù)上是成熟的，完全可以應(yīng)用于實(shí)際工程。

1.5 低頻構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電交流送出方案

所謂構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機(jī)，其外部特性表現(xiàn)為電壓源特性，既可以接入有源電網(wǎng)，也可以接入無源電網(wǎng)。當(dāng)接入無源電網(wǎng)時(shí)，構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機(jī)就是無源電網(wǎng)的支撐電源。如果將海上風(fēng)電機(jī)組構(gòu)造成低頻的構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機(jī)，那么海上風(fēng)電可以采用低頻交流的方式送到陸上，但陸上的變頻器可以采用更簡(jiǎn)單的形式，如采用二極管整流單 元（diode rectifier unit，DRU）加MMC 的 形 式。

低頻構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電交流送出方案的典型接線如圖6 所示［29］。

圖6 低頻構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電交流送出方案(方案5) 示意圖Fig.6 Schematic diagram of AC transmission scheme for low-frequency grid-forming offshore wind farms (scheme 5)

這種方案的關(guān)鍵技術(shù)問題是如何設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)控制器。對(duì)風(fēng)機(jī)控制器的要求如下：1）控制風(fēng)機(jī)端口的電壓幅值和頻率為設(shè)定值；2）所有接入海上交流電網(wǎng)的風(fēng)機(jī)能夠保持同步運(yùn)行。對(duì)于主流的全功率換流器型海上風(fēng)電機(jī)組，上述對(duì)風(fēng)機(jī)控制器的要求是通過風(fēng)機(jī)的2 個(gè)背靠背換流器的協(xié)調(diào)控制來實(shí)現(xiàn)的，如圖7 所示［29］。圖中：PWM 表示脈寬調(diào)制；udcwt為機(jī)側(cè)換流器與網(wǎng)側(cè)換流器之間的直流電容器的電壓；udcwt，ref為udcwt的 參 考 值；usabc和isabc分 別 為 發(fā) 電 機(jī)機(jī)端的三相電壓和電流；ωm為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速；θm為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置角；usdq和isdq分別為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和電流的d軸和q軸分量；isdq，ref為isdq的參考值；umdq，ref和umabc，ref分別為機(jī)側(cè)換流器在dq坐標(biāo)系和abc 坐標(biāo)系中的交流側(cè)電壓參考值；ugabc和igabc分別為網(wǎng)側(cè)換流器交流側(cè)的三相電壓和電流；ω0為給定的風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)角頻率；θ為與ω0對(duì)應(yīng)的相位角；ugdq和igdq分別為網(wǎng)側(cè)換流器交流側(cè)電壓和電流的d軸 和q軸 分 量；ugdq，ref為ugdq的 參 考 值；ucdq，ref和ucabc，ref分別為網(wǎng)側(cè)換流器在dq坐標(biāo)系和abc 坐標(biāo)系中的交流側(cè)電壓參考值；p和q為網(wǎng)側(cè)換流器輸出到風(fēng)電場(chǎng)交流電網(wǎng)的實(shí)際有功功率和無功功率；pwt，ref和qwt，ref分別為p和q的參考值。

圖7 海上風(fēng)電機(jī)組的構(gòu)網(wǎng)型控制策略Fig.7 Grid-forming control strategy of offshore wind turbines

圖7 中，機(jī)側(cè)換流器和網(wǎng)側(cè)換流器的控制策略與跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)完全不同。機(jī)側(cè)換流器在跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)中采用的是最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）控制策略，而在構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機(jī)中則采用保持直流側(cè)電容電壓恒定的控制策略；網(wǎng)側(cè)換流器在跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)中采用的是保持直流側(cè)電容電壓恒定的控制策略，而在構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機(jī)中則采用保持網(wǎng)側(cè)換流器交流母線電壓幅值和頻率為設(shè)定值的控制策略。

網(wǎng)側(cè)換流器的控制器通常由3 層組成［29］。最外層的控制器根據(jù)有功功率設(shè)定值和無功功率設(shè)定值確定網(wǎng)側(cè)換流器交流母線電壓的幅值和頻率。如何設(shè)計(jì)該最外層控制器是構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機(jī)最核心的技術(shù)問題。2015 年，西班牙學(xué)者［30］已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有功-電壓模值（P-V）、無功-電壓頻率（Q-f）的控制方案是可行的，但沒有說明這種方案可行的原因。文獻(xiàn)［31］基于靈敏度分析證明了Q-f下垂控制滿足控制器設(shè)計(jì)的基本原則，具有運(yùn)行域全局適應(yīng)性。而根據(jù)風(fēng)電機(jī)組最大功率點(diǎn)跟蹤和功率平衡的要求，有功功率設(shè)定值就取風(fēng)機(jī)的最大功率；無功功率設(shè)定值可以取某個(gè)固定的值，如取零。網(wǎng)側(cè)換流器的內(nèi)2 層控制器與常規(guī)的定電壓幅值和頻率控制沒有差別［10］，即為常規(guī)的定V/f控制，此處不再贅述。

低頻構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電交流送出方案的主要技術(shù)特點(diǎn)為：

1）具有低頻輸電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，可以將交流海纜輸電距離擴(kuò)展到200 km 左右［14］。

2）陸上變頻站可以采用DRU 加MMC 結(jié)構(gòu)。由于海上風(fēng)電機(jī)組為構(gòu)網(wǎng)型電源，可以直接帶DRU運(yùn)行，這樣，陸上變頻站可以采用DRU 加MMC 的背靠背結(jié)構(gòu)，如圖6 所示，成本比M3C 大幅下降。

3）技術(shù)成熟度。本方案的技術(shù)關(guān)鍵是構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組，而且海上所有風(fēng)電機(jī)組能夠同步運(yùn)行。與技術(shù)成熟的工頻跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)相比，需要改變的主要是風(fēng)機(jī)的網(wǎng)側(cè)換流器，主電路要適應(yīng)低頻的需要，控制器要適應(yīng)構(gòu)網(wǎng)的要求。在規(guī)?；蜆?biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用之前，需要進(jìn)行多方面的研發(fā)和實(shí)際工程試驗(yàn)。此外，由于陸上變頻站采用了DRU，海上風(fēng)電場(chǎng)的啟動(dòng)不能依靠DRU 來實(shí)現(xiàn)，故還需要研究合適的海上風(fēng)電場(chǎng)啟動(dòng)方案。

1.6 中頻構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電直流送出方案

中頻構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電直流送出方案的典型接線如圖8 所示［30-32］。這種方案的關(guān)鍵技術(shù)問題與低頻構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電交流送出方案相同，仍是海上風(fēng)電機(jī)組的控制器設(shè)計(jì)和同步運(yùn)行問題，此處不再贅述。

圖8 中頻構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電直流送出方案(方案6)示意圖Fig.8 Schematic diagram of HVDC transmission scheme for medium-frequency grid-forming offshore wind farms(scheme 6)

中頻構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電直流送出方案的主要技術(shù)特點(diǎn)為［30-32］：

1）海上換流站采用DRU 后，與采用MMC 作為海上換流站的遠(yuǎn)海風(fēng)電直流送出方案相比，提高了系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。在可靠性方面，采用DRU后，由于二極管沒有觸發(fā)電路，可以看作是與電阻、電感、電容相同的無源元件，很容易采用封閉結(jié)構(gòu)安裝。這對(duì)于海上環(huán)境是特別有利的，其可靠性比通常帶觸發(fā)控制電路的MMC 高得多，并且可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)年免維護(hù)。在經(jīng)濟(jì)性方面，DRU 與MMC 相比，在成本、體積和重量方面優(yōu)勢(shì)更加明顯，且不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上。這樣，在采用直流輸電的海上風(fēng)電送出方案中，中頻構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電直流送出方案優(yōu)勢(shì)明顯。因此，筆者認(rèn)為這種方案是遠(yuǎn)海風(fēng)電送出的優(yōu)選方案，與其他方案相比，該方案更為簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠。

2）海上風(fēng)電機(jī)組和集電系統(tǒng)的額定運(yùn)行頻率采用中頻（100～400 Hz），可以大幅降低DRU 換流變壓器和DRU 交流濾波器的體積和重量，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

3）海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)采用中頻后，會(huì)縮短海底電纜的輸電距離，但海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)范圍較小，海纜輸電距離縮短并不構(gòu)成限制因素［28］。此外，關(guān)于中頻海纜的載流量下降和損耗上升問題，1.4 節(jié)已有描述，此處不再贅述。

4）技術(shù)成熟度。本方案目前在理論上已經(jīng)成熟［30-32］，但仍缺乏實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，需要建設(shè)試驗(yàn)工程對(duì)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。與技術(shù)成熟的工頻跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)相比，需要改變的主要是風(fēng)機(jī)的網(wǎng)側(cè)換流器，主電路要適應(yīng)中頻的需要，控制器要適應(yīng)構(gòu)網(wǎng)的要求。此外，由于海上換流站采用了DRU，海上風(fēng)電場(chǎng)的啟動(dòng)不能依靠DRU 來實(shí)現(xiàn)，還需要研究合適的海上風(fēng)電場(chǎng)啟動(dòng)方案。

1.7 直流端口型風(fēng)機(jī)并聯(lián)后經(jīng)直流變壓器升壓的海上風(fēng)電直流送出方案

海上風(fēng)電機(jī)組大多采用全功率換流器型風(fēng)電機(jī)組，如圖7 所示?？梢钥闯?，風(fēng)機(jī)定子發(fā)出的交流電首先通過機(jī)側(cè)換流器轉(zhuǎn)換為直流電，再通過網(wǎng)側(cè)換流器轉(zhuǎn)換為交流電接入海上交流電網(wǎng)，然后經(jīng)升壓后通過高壓輸電系統(tǒng)輸送到陸上電網(wǎng)。當(dāng)海上輸電主通道采用高壓直流輸電方式時(shí)，交-直-交變換的環(huán)節(jié)較多，對(duì)此提出了海上風(fēng)電全直流集電網(wǎng)和輸電系統(tǒng)的方案［33-36］，以減少交-直-交變換環(huán)節(jié)并提高輸電效率。采用全直流集電網(wǎng)和輸電系統(tǒng)方案時(shí)，對(duì)應(yīng)的風(fēng)電機(jī)組必須被構(gòu)造成直流端口型風(fēng)機(jī)。構(gòu)造直流端口型風(fēng)機(jī)的2 條典型技術(shù)途徑如圖9所示。

圖9 中，技術(shù)途徑（a）采用DC/DC 隔離型直流變壓器將低壓直流（2 kV 左右）提升到中壓直流（50 kV 左右）；技術(shù)途徑（b）采用交-交變頻器將低頻交流變換為高頻交流。如果將單臺(tái)風(fēng)機(jī)接入常規(guī)交流集電網(wǎng)的交流端口型風(fēng)機(jī)作為比較的基準(zhǔn)，則在集電系統(tǒng)這個(gè)層面，直流端口型風(fēng)機(jī)與交流端口型風(fēng)機(jī)的成本是可以進(jìn)行對(duì)比的。對(duì)于技術(shù)途徑（a），DC/DC 隔離型直流變壓器與DC/AC 低壓VSC 加一臺(tái)工頻變壓器相比，在成本上不存在明顯優(yōu)勢(shì)。對(duì)于技術(shù)途徑（b），AC/AC 變頻器加一臺(tái)高頻變壓器與DC/AC 低壓VSC 加一臺(tái)工頻變壓器相比，在成本上也不存在明顯優(yōu)勢(shì)。這樣，接入直流集電網(wǎng)的直流端口型風(fēng)機(jī)與接入交流集電網(wǎng)的交流端口型風(fēng)機(jī)相比，在成本上并不存在明顯優(yōu)勢(shì)。

圖9 直流端口型風(fēng)機(jī)的2 條實(shí)現(xiàn)途徑Fig.9 Two ways to realize DC-port wind turbines

當(dāng)直流端口型風(fēng)機(jī)并聯(lián)后經(jīng)直流變壓器升壓通過高壓直流輸電系統(tǒng)送出時(shí)，其結(jié)構(gòu)如圖10所示［33-34］。

圖10 直流端口型風(fēng)機(jī)并聯(lián)后經(jīng)直流變壓器升壓的直流送出方案(方案7)示意圖Fig.10 Schematic diagram of HVDC transmission scheme with step-up DC transformer for DC-port wind turbines connected in parallel (scheme 7)

如果將常規(guī)工頻跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)海上風(fēng)電直流送出方案作為比較的基準(zhǔn)，那么圖10 中的DC/DC 直流變壓器及其海上平臺(tái)就要與圖4 中的海上換流站MMC1 及其海上平臺(tái)進(jìn)行對(duì)比。按照目前的技術(shù)水平評(píng)估，圖10 中的DC/DC 直流變壓器與圖4 中的MMC1 相比，在成本上并不存在明顯優(yōu)勢(shì)。

這樣，綜合考察直流集電網(wǎng)和高壓直流輸電系統(tǒng)，直流端口型風(fēng)機(jī)并聯(lián)后經(jīng)直流變壓器升壓的海上風(fēng)電直流送出方案的優(yōu)勢(shì)并不明顯。

1.8 直流端口型風(fēng)機(jī)相互串聯(lián)升壓的海上風(fēng)電直流送出方案

為了降低全直流集電網(wǎng)和輸電系統(tǒng)方案的設(shè)備成本，本方案采用直流端口型風(fēng)機(jī)串聯(lián)升壓，以去掉圖10 中昂貴的大容量DC/DC 直流變壓器，其基本結(jié)構(gòu)如圖11 所示［35-36］。

圖11 直流端口型風(fēng)機(jī)相互串聯(lián)升壓的海上風(fēng)電直流送出方案(方案8)示意圖Fig.11 Schematic diagram of HVDC transmission scheme for DC-port wind turbines connected in series(scheme 8)

圖11 中，為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)負(fù)極海纜為地電位，正極海纜為500 kV。這樣，與正極海纜相連的那臺(tái)直流端口型風(fēng)機(jī)的正負(fù)極對(duì)地電位都在500 kV 量級(jí)。假定該直流端口型風(fēng)機(jī)是按照?qǐng)D9 中的途徑（b）實(shí)現(xiàn)的，顯然途徑（b）中高頻變壓器的網(wǎng)側(cè)繞組將會(huì)有500 kV 量級(jí)的直流偏置電壓，而該變壓器的機(jī)側(cè)繞組接近地電位，這意味著該高頻變壓器的原副邊繞組間需要承受500 kV 量級(jí)的直流電壓，這對(duì)于單臺(tái)風(fēng)機(jī)容量的變壓器來說，成本不成比例，經(jīng)濟(jì)性是其制約因素。

綜上所述，盡管本方案在高壓直流送出系統(tǒng)中省去了直流升壓變壓器，但每臺(tái)風(fēng)機(jī)的成本可能會(huì)大幅增加，其經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)并不明顯。

2 各種典型方案的特點(diǎn)匯總

為了更直觀地展示各種海上風(fēng)電送出方案的特性，表1 對(duì)第1 章所討論的8 種典型方案的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了匯總。表1 中對(duì)比的維度包括風(fēng)機(jī)的構(gòu)網(wǎng)能力、風(fēng)機(jī)輸出端口的頻率、海上平臺(tái)及其設(shè)備的成本和復(fù)雜度、主干輸電通道采用的輸電方式、陸上接入裝置的成本和復(fù)雜度等。理論上，設(shè)備的復(fù)雜度與其可靠性和運(yùn)維成本緊密相關(guān)，復(fù)雜度越高，則運(yùn)維成本越高、可靠性越低。表1 還特別給出了每種方案的技術(shù)成熟度信息，可以作為技術(shù)研發(fā)和工程方案選擇的參考。

表1 各種方案的技術(shù)特點(diǎn)匯總Table 1 Summary of technical characteristics of each scheme

3 結(jié)語(yǔ)

本文從風(fēng)電機(jī)組、集電系統(tǒng)、送出通道3 個(gè)技術(shù)維度探討海上風(fēng)電送出技術(shù)。對(duì)有代表性的8 種技術(shù)方案在經(jīng)濟(jì)性、可靠性和技術(shù)成熟度方面進(jìn)行了比較，主要結(jié)論如下：

1）目前，海上風(fēng)電送出的成熟技術(shù)是基于工頻跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)的交流送出方案和基于工頻跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)的直流送出方案。

2）跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)比構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機(jī)的技術(shù)成熟度更高，因此，基于M3C 變頻器的低頻跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)交流送出方案和基于中頻跟網(wǎng)型風(fēng)機(jī)的直流送出方案是研發(fā)難度相對(duì)較低的未工程化應(yīng)用技術(shù)，應(yīng)加快其工程化應(yīng)用研發(fā)。

3）基于低頻構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機(jī)的海上風(fēng)電交流送出方案可以采用DRU+MMC 作為變頻器，在經(jīng)濟(jì)上存在優(yōu)勢(shì)，但技術(shù)上還不夠成熟，需要進(jìn)一步研發(fā)。

4）采用DRU 作為海上換流器的中頻構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機(jī)直流送出方案是海上風(fēng)電送出的優(yōu)選方案。與采用MMC 作為海上換流站的遠(yuǎn)海風(fēng)電直流送出方案相比，經(jīng)濟(jì)性和可靠性更為優(yōu)越，應(yīng)加速這種技術(shù)的研發(fā)。

5）基于直流端口型風(fēng)機(jī)的并聯(lián)型和串聯(lián)型2 種海上風(fēng)電全直流組網(wǎng)與送出方案，與既有技術(shù)相比優(yōu)勢(shì)不明顯。