6月3日，國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院與臺(tái)州供電公司聯(lián)合完成了臺(tái)州柔性低頻輸電示范工程中低頻風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)試驗(yàn)。就在9天前，該工程的柔性交流換頻閥帶海纜運(yùn)行試驗(yàn)取得成功，首次實(shí)現(xiàn)20赫茲低頻交流電在海底電纜上的功率傳輸，邁出了柔性低頻輸電技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵一步。
為了讓中遠(yuǎn)海風(fēng)電高效、經(jīng)濟(jì)送出，浙江電科院組建柔性低頻輸電技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，創(chuàng)新研究電網(wǎng)柔性低頻互聯(lián)技術(shù)及風(fēng)機(jī)低頻接入技術(shù)，并在35千伏柔性低頻輸電示范工程中應(yīng)用，提升海纜輸送風(fēng)電的能力，改善新能源發(fā)電的并網(wǎng)特性。該工程在臺(tái)州落地，主體包含低頻風(fēng)機(jī)、低頻海纜、柔性交流換頻站等，構(gòu)建了陸地-海島-風(fēng)機(jī)20赫茲柔性低頻輸電系統(tǒng)。
20赫茲 中遠(yuǎn)海風(fēng)電送出更經(jīng)濟(jì)
為促進(jìn)“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，“十四五”期間，浙江省重點(diǎn)發(fā)展海上風(fēng)電，著力打造海上風(fēng)電基地。隨著近海風(fēng)電項(xiàng)目的站址資源日趨緊張，中遠(yuǎn)海因具有更廣闊的海域、更豐富的風(fēng)能資源，成為海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)布局的新戰(zhàn)場(chǎng)。目前，近海的風(fēng)電主要采用50赫茲交流方式傳輸。由于海纜的充電無(wú)功功率相對(duì)較大，有功功率的傳輸受限，風(fēng)電傳輸距離一旦超過(guò)70千米就很難有效送出。
柔性低頻輸電技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)成員倪曉軍介紹，柔性直流輸電(頻率為0赫茲)不存在海纜充電無(wú)功功率問(wèn)題，有效傳輸距離更遠(yuǎn)。但該方式需要配備大型海上換流平臺(tái)，在200千米以外的遠(yuǎn)海風(fēng)電送出時(shí)更具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，用在離岸200千米內(nèi)的中遠(yuǎn)海風(fēng)電送出時(shí)成本偏高。
為此，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了電網(wǎng)柔性低頻互聯(lián)技術(shù)和風(fēng)機(jī)低頻接入技術(shù)研究。該技術(shù)通過(guò)電力電子裝置控制，可靈活選擇0至50赫茲的頻率輸送電能，既具有與柔性直流輸電相似的功率控制、電壓動(dòng)態(tài)調(diào)整、異步電網(wǎng)互聯(lián)等功能，又兼有交流輸電方式的電壓變換容易、組網(wǎng)便捷等優(yōu)勢(shì)。而且采用該技術(shù)不用建設(shè)和運(yùn)維大型海上換流平臺(tái)。
確定了技術(shù)路線只是開(kāi)始，結(jié)合傳輸距離、輸送容量選擇合適的頻率才能高效、經(jīng)濟(jì)輸電。攻關(guān)團(tuán)隊(duì)于2019年開(kāi)展了柔性低頻輸電系統(tǒng)的典型應(yīng)用研究，結(jié)合柔性低頻輸電的傳輸能力分析、損耗分析和設(shè)備選型，建立了柔性低頻輸電技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法。根據(jù)未來(lái)海上風(fēng)電建設(shè)的容量趨勢(shì)，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)結(jié)合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)多種因素，以100萬(wàn)千瓦風(fēng)電實(shí)現(xiàn)200千米有效輸送為目標(biāo)，綜合考慮海島互聯(lián)及城市供區(qū)互聯(lián)等應(yīng)用場(chǎng)景，選取了20赫茲作為柔性低頻輸電系統(tǒng)頻率。
經(jīng)過(guò)計(jì)算驗(yàn)證，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)確定20赫茲輸電的適宜距離為離岸70千米至185千米的中遠(yuǎn)海范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)百萬(wàn)千瓦風(fēng)電全額送出，比柔性直流輸電更具經(jīng)濟(jì)性。
應(yīng)用M3C 頻率轉(zhuǎn)換更高效
我國(guó)負(fù)荷側(cè)應(yīng)用的是50赫茲的工頻交流電，通過(guò)低頻傳輸后的電能還需經(jīng)過(guò)頻率轉(zhuǎn)換方可并網(wǎng)。近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，模塊化多電平矩陣變換器(M3C)拓?fù)渲饾u成熟。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有模塊化程度高、輸出諧波特性好等優(yōu)勢(shì)。2021年2月，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)提出將M3C拓?fù)鋺?yīng)用于當(dāng)時(shí)正在規(guī)劃中的臺(tái)州柔性低頻輸電示范工程，以實(shí)現(xiàn)高效的電能頻率轉(zhuǎn)換。
但要實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用還需突破諸多技術(shù)難題。為實(shí)現(xiàn)高效的頻率轉(zhuǎn)換，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)需要考慮M3C換頻閥與低頻風(fēng)機(jī)、低頻海纜等各類設(shè)備之間的協(xié)同聯(lián)接，解決主回路參數(shù)設(shè)計(jì)、過(guò)電壓與絕緣配合、控制和保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等多方面的問(wèn)題。同時(shí)，M3C換頻閥由眾多功率子模塊組合而成，不同頻率的能量在各模塊中分散交換，風(fēng)電接入引起的隨機(jī)波動(dòng)也導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行工況更為復(fù)雜，換頻閥精準(zhǔn)控制難度較大。
為此，2021年5～9月，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)先后針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景開(kāi)展工程的建設(shè)方案和設(shè)備參數(shù)設(shè)計(jì)，調(diào)整合理的參數(shù)和控制策略，以解決M3C換頻閥應(yīng)用于電網(wǎng)時(shí)可能存在的過(guò)壓、過(guò)流等問(wèn)題。攻關(guān)團(tuán)隊(duì)對(duì)M3C換頻閥、低頻風(fēng)機(jī)、低頻海纜等設(shè)備進(jìn)行了系統(tǒng)行為分析和控制策略研究，歷經(jīng)30萬(wàn)余次仿真驗(yàn)證，確定了換頻閥、低頻變壓器等工程設(shè)備的核心參數(shù)，設(shè)計(jì)了不同運(yùn)行工況或故障情況下M3C換頻閥的針對(duì)性控制保護(hù)策略。
設(shè)計(jì)過(guò)程中，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)提出采用降壓-轉(zhuǎn)換-升壓的換頻設(shè)計(jì)，通過(guò)參數(shù)選配實(shí)現(xiàn)較低的電壓等級(jí)下轉(zhuǎn)換頻率，將35千伏電壓等級(jí)的換頻過(guò)程，替換為降壓至12千伏轉(zhuǎn)換頻率后再升壓的過(guò)程，利用各功率子模塊的額定通流能力，降低換頻閥過(guò)電壓和絕緣要求，同時(shí)節(jié)約設(shè)備制造成本。2021年9月20日，隨著團(tuán)隊(duì)完成最后一組過(guò)電壓絕緣計(jì)算和避雷器選型，工程的成套設(shè)計(jì)基本完成。
為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換的精準(zhǔn)控制，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)對(duì)換流閥的配套控制保護(hù)裝置開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室仿真聯(lián)調(diào)，采用數(shù)模混合閉環(huán)仿真技術(shù)，全面模擬工程應(yīng)用中可能出現(xiàn)的運(yùn)行工況，于2021年11月至2022年4月先后開(kāi)展了控制、保護(hù)、故障穿越等22個(gè)大項(xiàng)的試驗(yàn)，改善M3C換頻閥運(yùn)行性能，把頻率轉(zhuǎn)換效率提高至98%以上。5月8日，該換頻閥在工程的鹽場(chǎng)換頻站中正式解鎖運(yùn)行。
測(cè)試設(shè)備性能 推進(jìn)工程應(yīng)用
臺(tái)州柔性低頻輸電示范工程采用風(fēng)機(jī)低頻接入技術(shù)，將大陳島上的風(fēng)電進(jìn)行低頻匯集，經(jīng)低頻海纜輸送至陸上柔性交流換頻站，再通過(guò)頻率轉(zhuǎn)換將風(fēng)電匯入大電網(wǎng)。工程投運(yùn)前，需對(duì)關(guān)鍵設(shè)備開(kāi)展投運(yùn)前的各類性能試驗(yàn)。由于該工程所用的低頻設(shè)備均為特制的國(guó)內(nèi)首套20赫茲額定頻率設(shè)備，傳統(tǒng)的工頻試驗(yàn)方案和試驗(yàn)儀器不再適用。
2021年8月起，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)研究頻率變化對(duì)設(shè)備運(yùn)行特性的影響，歷時(shí)半年主導(dǎo)編制完成一套適用于20赫茲低頻關(guān)鍵設(shè)備的試驗(yàn)大綱。大綱涵蓋低頻變壓器、低頻開(kāi)關(guān)柜、低頻互感器等設(shè)備的型式、出廠、交接試驗(yàn)的全部試驗(yàn)項(xiàng)目，明確了各項(xiàng)試驗(yàn)頻率、關(guān)鍵參數(shù)、試驗(yàn)方法及判據(jù)。
針對(duì)需在低頻條件下開(kāi)展的部分試驗(yàn)，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)研究低頻設(shè)備的頻率特性和試驗(yàn)原理，主導(dǎo)研制了國(guó)內(nèi)首套低頻試驗(yàn)儀器，可開(kāi)展工程投運(yùn)前必備的10種試驗(yàn)項(xiàng)目。4月11日至27日，浙江電科院聯(lián)合臺(tái)州供電公司在工程現(xiàn)場(chǎng)采用該套儀器完成了臺(tái)州柔性低頻輸電示范工程低頻設(shè)備的參數(shù)測(cè)量，對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行了“全面體檢”。
除了變頻站內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備外，低頻海纜運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)和評(píng)估也尤為重要。為檢驗(yàn)低頻海纜絕緣質(zhì)量，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了長(zhǎng)距離低頻海纜的振蕩波局部放電試驗(yàn)，分析低頻海纜的局部放電特征，定位局部放電位置，確保海纜“健康”。5月9日，這條海纜在臺(tái)州完成敷設(shè)，全長(zhǎng)達(dá)25.7千米，成為臺(tái)州大陳島與大陸之間風(fēng)電輸送的“橋梁”。
目前，臺(tái)州柔性低頻輸電示范工程進(jìn)入投運(yùn)前的調(diào)試階段。浙江電科院正陸續(xù)開(kāi)展多類試驗(yàn)，保障工程順利投運(yùn)。（謝浩鎧 馬鈺 朱李）
作者：謝浩鎧 馬鈺 朱李
評(píng)論