CWPE2018：上海交通大学能源研究院副院长蔡旭——《低成本高可靠海上风电直流送出技术》

 

　　上海交通大学能源研究院副院长蔡旭在嘉宾演讲环节发表了题为《低成本高可靠海上风电直流送出技术》的演讲：

 

　　简单介绍一下我们一项最新研究，低成本高可靠海上风电直流送出技术：

 

　　我们先简单看一下这个必要性，首先看直流送出为什么必要？这个已经说了很多了，但是我从电气的角度简单再说一下，这个必要性主要在于海上是要经过电缆，如果是架空线就没有这么大的事情，因为是电缆，电缆有对地电容，如果用交融的时候但电缆比较长的时候就存在电压稳定性的问题，所以它必须要做一些措施。你要用交流，要么两边加高抗，因为它是一个波动的功率传输，波动的功率这个电压波动，所以你要两边加电抗器，如果距离再长中间还要再加电抗器，这样一来整个成本就比较高，所以深远海要走直流肯定是必然的趋势。

 

　　直流大家一般都是柔直现在搞的很火，最早MMC这个方案出来之后都觉得这个非常好，而且现在在陆上已经做了很多，我们国家从两端的到三端的到五端的现在又到张北四端00千伏以上，这个发展很快。但是我们看一下这种直流适合不适合海上呢？它虽然有很多优势，模块化、容量高等等这些东西，但它存在的问题也非常多，像我们一个柔直换流站子模块的数量将达到几千个，所以这个体积非常庞大。我们在海上平台建这样一个东西，是有一系列的挑战。另外这些数量多、控制性能复杂必然影响可靠性，而且我们知道海上最重要的就是要强调可靠性的问题，这样一来我们就要看需要一种新的解决方案，有什么样更好的办法呢？

 

　　可能的方法之一就是用二极管桥来做整流，把换流站简单的用二极管整流器，这个大家都能想到而且非常简单，欧洲做了很多工作，其中典型的就是西门子做了个概念设计，他做了一下这个概念设计之后发现如果海上换流站用整流器的话，它的体积能减少80%，重量能减少65%，安装时间这些都有大幅减少，最后造成海上换流站的总成本降低到30%。而这个当然是非常理想的，但是实际上是有问题的。

 

　　它的问题在哪？如果仅仅大家设想就是一个二极管整流，那风机怎么启动？首先一个问题这个电源哪来？风机启动的电源哪来？肯定要说从风电，要么风机里头要有自启动的一些东西，储能等等这些东西这一系列，这是第一个大问题。第二个大问题，如何来使得这些风电机组都同步运行？因为我们风电机组不是一台，几百台，一般我们现在的风机运行都是怎么做的？以大电网为背景进行所项，然后进行电流控制，电网是老大，我们跟着电网走这能做到同步。现在做二极管整流了，它跟电网隔开了，所以我们风机无法启动，现有的工作模式是不行的。第三个问题，我们知道在海上交流风场这里面是有一系列的电抗、变压器等等，需要大量的无功，那谁来提供，谁来解决？实际上这种方案，纯粹的二极管整流是不可能的，那只是一个美好的概念。

 

　　在这儿我们先探讨一下目前的研究现状都到达什么程度了，我这儿就简单的先说一下西门子的方案，当时他提出了一个设想的方案，但这个方案没有实施，就是做一个二极管整流桥，实现什么问题？岸上拉一个66千伏的交流线给它提供供电，首先我还要有一套交流，如果距离远了同样这个东西要距离远，这是第一个问题。第二个问题，二极管怎样整流？要有一个门槛电压，这边的交流电压必须比那边的直流电压要高才能走过去，也就是说我们要解决一个可控性的问题，怎么可控？西门子设想一下，他是在66千伏上面加了ACAC变压器，控制电压，抬高降低，当然他还做了一系列辅助测试，由GPS来控制发电机让它同步等等，但是总的来讲这里头还是有一系列的问题和挑战，所以这个工程有些设想没有实施。

 

　　再看看还有一些其它的文章，也有一些文章做了MMC汇合二极管桥，VSC汇合二极管桥这些方案，但是这些方案都解决不了倒充电的问题，目前只解决了无功支撑，还有谐波、滤波的问题，就是我怎么取电，怎样使得工厂启动。

 

　　现在这个是我们提出的一个解决方案，是什么呢？主要是把换流站做了改造，这个改造是有两部分组成的，一部分是二极管整流桥这是存在的，另外我们要搞另外一个叫辅助换流器，我们这个辅助换流器来干什么？从高压直流取电，取电之后变成交流，然后这个交流再经过变压器匹配电压接到PCC点上，这是这个情况。现在来分析一下这个事情怎么工作的？细节已经有了，2018年第19期发表了文章，所有的专利都已经申请完毕，包括欧洲专利也都申请了。

 

　　来看看这个东西怎么来工作？它的工作就是由岸上换流站来控制直流电压，高压直流这边过来，经过辅助变换器倒充电，倒充电之后给风场供电，他这时候送出来的这个辅助换流器工作在什么状态？VF控制，工作在频率，这样就可以给PCC点提供电压源，我风机不要做任何改动，你锁定该怎么工作就怎么工作，相当于有一个交流电网过来了，原来的变流器该怎么工作就怎么工作，这样就实现启动。一旦启动之后，这个风电发出来的电，先是经过换流器慢慢送，一开始是换流器倒送电，慢慢发电了慢慢的送的越来越少，送到一定程度上由辅助换流器控制PCC点电压抬高，这个电压一抬高之后二极管桥开始整流工作，这样工作就把电能送过去了。再接下来的工作是什么呢？同时这个辅助换流器来提供无功率补偿，再进一步我们还可以把辅助换流器切除，让它挂在这上面做无功补偿和谐波补偿。

 

　　下面看一下最关键的就是辅助换流器，这个辅助换流器是怎样的拓扑结构以及工作原理。下面就是我们提出来的辅助换流器的概念，实际上从高压直流上经过电抗和电容环节，在电抗电容上用子模块串，然后这边接过来一个小的MMC，是这样一个结构。这个结构我介绍一下它是怎么工作的，这个工作就是说由LC电路还有串联的子模块形成一个振荡环流，把电能传送到小的MMC上，传过来之后由它来经过变压器升压到PCC点上，所以这时候能量传过来，风机启动，启动了之后我这儿开始由它来控制这个电压抬高电压，能量送出，这时候如果我们需要的话，我继续这个工作，它提供无功功率支撑，同时它还能滤波这样一个作用。最后一个环节，如果我们要做到进一步减少损耗，一旦风能启动之后我们这个子模块串是可以断开的，因为这时候不需要了，仅仅需要挂接底下一个小的MMC，来做滤波和无功作用，当然也可以一直挂在上面保证它的可靠性，这是这个的工作原理。

 

　　我下面来进一步阐述一下这个工作到底是怎么来做到的，辅助换流器的图在这儿，那是接到直流端，L和C经过隔离之后，是在电容跟这个之间形成高频环流，然后把能量打进来这样一个过程。打进来之后它进行调制，调制出两个高频的，叠加在我们给定的频率上，最初输出的东西是抵消掉的，正好是供频过去，这是它的容量工作原理。

 

　　我们再看看它的交流端，这个东西怎么能滤波的呢？实际上这个道理很简单，在它的交流端就是这样连接的，这边是风电场，这是辅助换流器，那是二极管整流桥，怎么产生谐波的？二极管产生谐波，它相当于谐波源。看看风电场对变流器的控制是什么控制？电流原性控制，意味着它的阻抗比较大。当然我们这个辅助换流器是怎样一个控制方式？VF控制，电压原控制，意味着阻抗几乎是0，这样一来实际上看谐波出来之后是流不到这儿来的，这儿的阻抗比较大，这边比较小，所以它基本上通过这个阻抗流过来，由它实现滤波。无功补偿这个更简单。

 

　　接下来我再简单的说一下这个设计的时候我们要注意哪些东西，我们要做到低成本，低成本体现在哪？这个东西怎么低成本了？我们看这里头最关键的就是一个二极管桥不用说了，肯定成本很低，关键辅助换流器会占多少成本，你的可靠性如何来解决。在这儿是这样，我们看这个子模块串基本上承担的电压是90%的高压直流，底下这个MMC只承担10%，所以它实际上就是容量很小。所以整个这个加下来所有的字模快就相当于一个全MMC这种柔性换流站的1/3，那也就意味着它的成本基本上就是全柔值的1/3，30-40%，这是辅助换流器的概念。二极管桥那个是多少？大概10%，所以我们这样加起来就相当于比全MMC的这种在成本上会降到50%这样一个情况。

 

　　实际上这一张图就展示了这个情况，我们看所用的子模块一共是全功率的30%左右，我们的损耗减少到40%。综合情况我们来看二极管桥这一块的是12.5%，辅助换流器1/3全柔值的1/3，所以整个的成本最后换流器降50%，平台会降的更多，因为平台的重量大幅降低，整个重量体积缩小平台的载荷也小了，它整个平台的建设成本会更小。

 

　　这是我刚才讲的原理，讲了原理总规要验证一下，所以这是我们构造的一个仿真的验证，就风场用一个聚合模型，用一个全功率的变换器来模拟它，这就是我们这个混合换流站的整个的情况。在这儿我要特别强调的，就是我们最后真正用的这个二极管整流器不会是刚才简单的一个桥，因为一个桥谐波太大了，我们一般要用的12迈，要用两个，或者是再向上18迈、24迈都有可能，我们建议是12迈。这样做了以后我们看一下仿真的情况，上面就是风电场的输出电流和功率，第一个段里头是倒送电阶段，到后面就进入发电，然后功率转移。从第二张图我们看二极管整流器，在那个位置上大概1秒多的位置上，全都转移到二极管整流器上，这个就是辅助换流器它的电流情况。一开始是倒送这是有功功率，倒送到后来是从它发电也是送有功，在这后面就是无功电流还有谐波等等这些情况。这是仿真分析的结果。

 

　　这个实际上就是把每一个辅助换流器的直流式电流、二极管整流器的直流式电流做了一个仿真的模型。仅仅做仿真我们认为还是不能完整说明这个事到底是不是真的，所以我们要做一个试验，我们构造了一个试验系统，这边就是参数表，相当于我们在实验室搭一个系统，这个系统直流电压基本上在200V，然后用了二极管整流器12迈的，构筑了一个辅助换流器，这边就用一个逆变器来代替一个风电场，只要构造了这么一个试验系统，参数在那儿。这是我们整个试验系统的雏形，其实这里面的核心是辅助换流器，是由72个半桥子模块构成18个模组，在这个系统上我们最后做了试验验证，经过验证我们发现二极管整流器的电流，这张图就是我们看从启动开始到发出这样一个过程。放大的图实际上就是截取上面小的那部分把它放大，我们看二极管整流器的电流。另外一个就是辅助换流器的电流截了两个部分，一个是在启动阶段的，一个是启动之后的。这是整个风电场的输出电流情况，那是PCC处的电压，就是说我们怎样来控制那个电压，让它是整流过去还是不整流过去这样一个情况。

 

　　下面我做一个简单的结论，我们实际上就是提出了这么一个混合型换流器方案，这个方案是全部创新的，并且我们进行了验证，感觉这个方案有一定的可行性。我们初步的估算，这个换流器坐下来之后总的成本能降低30%，体积减小也是大概32%左右，重量减轻32%左右，我这是保守的估计，这样可靠性会大幅提升，因为复杂程度降低了。我们做了仿真的验证，还做了试验的验证，证明这个东西都是切实可行的。另外这些换流器的拓扑控制等等我们在国内国际都申请了专利，但是我们是希望这些东西在国内能够落地，所以我在这儿也是非常欢迎跟工业界展开合作，希望能得到工程上的推广应用。

 

　　（发言整理自现场速记，未经本人审核）