在中國，14億人口大部分集中在東部和中東部地區，重要經濟活動也主要分布在沿海地區。要保證東部地區正常用電，以往就只能從能源豐富的西部地區輸送電能到東部和南部。
但是現在，能源消耗還有另一個選擇——海上風電。
電能難以儲存，要遠距離輸送就需要建設“電力高速公路”。陸地上的“電力高速公路”技術早已不是難題，但“海上電力高速公路”則不然，如何在變化莫測的深遠海中，兼顧經濟性和技術性，建設一條“深海電力高速公路”，讓大容量風電在環境惡劣的深海中“踏浪前行”并被準確輸送到負荷中心?
在廣東陽江三山島海上風電柔直輸電工程(以下簡稱“三山島工程”)建設中，南方電網給出的方案是——超大規模海上風電海陸一體直流輸電技術方案。
原創性技術開辟輸電模式新路徑
在廣東陽江，三山島工程陸上關鍵線路江門段施工現場，工程車輛往來穿梭，巨型吊臂如鋼鐵巨擘起起落落，施工正緊鑼密鼓地推進。
這一工程是全球首個±500千伏海上風電海陸一體、超遠距離的柔性直流輸電工程，它將實行一種新型的海上風電輸電方案，經濟高效地破解千萬千瓦級海上風電開發送出瓶頸。
同樣是遠距離海上風電輸送，三山島工程的新型輸電方案主要“新”在哪?“我們在國內首次提出的‘超大規模海陸一體柔性直流協同輸電技術’。”南網科研院直流輸電與電力電子技術研究所一級項目經理鄒常躍說。
當前，我國現有大規模海上風電開發普遍采用“海上換流站+直流海纜+陸上換流站+交流架空線”的模式,將風電輸送至陸上負荷中心。海上風電送出工程各投資主體各自開展前期工作，容量相似、布局接近的海上風電廠項目采用多種輸電方式、多電壓等級送出。
專業人士坦言，在近海、小規模海上風電時期，這種模式是首選。但是，隨著海上風電送出規模持續增長，各種潛在問題便與日俱增。
“陸上換流站重復建設、交流輸電走廊占用土地資源大、負荷中心短路電流超標等問題日益突出，千萬千瓦級海上風電基地的規模化開發需求難以得到滿足。”鄒常躍介紹。
于是，自2018年開始，南網科研院持續開展技術攻關，研制了國內首套緊湊型柔性直流換流閥子模塊和閥塔物理樣機，開創性提出66千伏無升壓站的千兆瓦級風機直接匯集組網方案，并提出“超大規模海陸一體柔性直流協同輸電技術”。
“該技術實現了海上與陸上輸電環節的全柔直化，大規模風電通過‘海上換流站+直流海纜+陸上直流架空線’直達負荷中心。”鄒常躍向記者解釋。區別于我國現有大規模海上風電開發普遍采用的方案，三山島工程不需要在登陸點建設大量換流站，也不需要在輸電通道上新建大量交流架空線，而是通過陸上直流架空線將海上風電輸送至負荷中心。“這就大大緩解了廣東沿海城市海岸線土地資源和輸電通道的緊張。”廣東電網電網規劃研究中心(廣東省電力規劃中心)副主任李峰說。
三山島工程的風電匯集規模相比世界最高水平將再提升200%，國土空間資源利用率提升100%，輸電成本降低15%，破解了城市中心輸電走廊無法支撐沿海千萬千瓦級海上風電開發的瓶頸，同時提升了受端電網無功支撐能力、緩解了短路電流超標問題。
“多個2000兆瓦海上風電場經直流海纜登陸匯集后，通過直流架空線直送粵港澳大灣區負荷中心，輸電系統成本可以節省約50億元。”鄒常躍給記者算了筆賬。
“陽江三山島海上風電直流輸電工程的建設，標志著我國海上風電輸電技術邁入全新階段。”李峰表示。
電力傳輸困境催生科技突圍
三山島工程提出的新型海上風電輸電方案必然經過多輪論證，但是在實際落地的過程中依然會帶來很多新的挑戰，比如，直流架空線故障穿越的難題。
針對此難題，南網科研院研究團隊首次提出無直流斷路器、無集中耗能裝置技術方案。“因為在昆柳龍直流已經驗證了柔性直流架空線路故障自清除功能的可靠性，所以不依賴直流斷路器實現直流故障穿越，我們有一定的經驗。”鄒常躍說。
不過，新的挑戰依然存在。與昆柳龍直流工程主要采用網對網輸送模式、送端有電網承擔盈余功率不同，在三山島項目中，由于海上風機都是獨立的，一旦陸上電網側發生故障，海上風機功率調節速度過慢，就可能導致直流海纜能量堆積、電壓升高，造成設備損壞和系統停運。
所以三山島工程不能只考慮清除故障，還需要解決與風機協同及盈余功率等問題。“對于這一問題，以往有企業考慮采用直流耗能裝置+直流斷路器的方案，但大多因直流斷路器體重大、成本高而被放棄。”南網科研院研究直流所技術總監趙曉斌介紹，三山島海上風電柔直工程推出了無直流斷路器、無集中耗能裝置的創新技術方案，“其核心是借助風機全功率變流器自帶的耗能裝置，實現盈余功率的分散式就地耗散，充分發揮每個風機自身具備的耗能能力，配合電網進行協調。”趙曉斌說。
但是，新的問題又出現了——無直流斷路器、無集中耗能裝置的方案對通訊速度的要求極高。
正常來說，一次協調指令的傳遞需要600毫秒，但是如果線路發生故障，風機的盈余能量會在10毫秒以內讓柔直閥過壓跳閘，再加上故障檢測等時間，最終留給協調的時間只有——1毫秒。
科學研究往往如此，當提出一個解題方案，就會引出另一個新問題，科研人員又需要提出另一個解題方案。
此次科研團隊的解題方案是：利用低成本的專用通訊裝置，實現柔直與風機的快速協同。“我們設置了光纖傳輸的專網通訊網絡，和幾百臺風機直接聯通進行指令下達，把協調的時間控制在1毫秒內。”鄒常躍說，他們已在廣東臨海風電試驗基地開展了快速調用風機耗能裝置的模擬試驗，結果顯示“大約0.6毫秒就能完成協調”，這有力地驗證了該技術方案的可行性。
“建設過程中，還會不斷出現新的科研難題需要我們去解題，但是，我們善于用‘創新’突破難題，這也正是電力科技工作者的價值所在。”鄒常躍說。
南網報記者 黃璐 通訊員 金南汐 黃一洪
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