低频交流输电在深远海上风电场的应用

海上风资源丰富且风能稳定，海上风力发电具有发电利用小时数高、不占用土地资源且环境影响小等优势，已成为我国可再生能源发电领域发展的重要组成部分。截至2021年底，我国海风累计装机容量约为26.38GW，跃居世界第一。大批海上风电场规划投产导致近海海域资源日益紧张。我国深远海蕴涵大的风能资源有待挖掘，海上风电向深远海发展是未来的重要方向。

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三种海上风电送出方式简介

目前，我国在深远海风电工程还处于起步阶段，制约其发展的主要原因是大容量风电远距离传输与并网问题尚未妥善解决。国内外已建海上风电送出技术主要采用高压交流(High Voltage Alternating Current，HVAC)送出或者高压直流(High Voltage Direct Current，HVDC)送出。

高压交流送出(HVAC)

1.1

海上风机输出工频电能，经海上升压站汇集升压后，由工频交流电缆送出并最终接入陆地电网。工频高压交流送出方式结构相对简单、技术成熟、工程经验丰富，但由于电缆充电电流和充电功率的限制，传输距离有限，且电压等级越高，充电电流越大。通过增大送出海缆截面、提高输电电压、合理优化补偿方案是延长工频交流输电输送距离、提升输送能力的有效手段。

图1 海上风电场工频交流输电方案(HVAC)

高压直流送出(HVDC)

1.2

对于中远距离风电输送及并网，目前大多采用基于MMC的高压柔性直流输电(HVDC)技术。海上风机输出工频电能接入海上换流站(整流)，经过直流海缆送入陆上换流站(逆变)，并入工频电网。高压直流送出可避免电缆电容的影响，满足大容量、远距离海上风电的输送需求。但由于在电能传输过程中要实现交-直-交的2次电能变换，必须建造海上和陆上2个换流站，投资及运行维护的费用高，中短距离的HVDC海上风电送出方案的经济性受限。

图2 海上风电场柔性直流送出(VSC-HVDC)

低频交流输电送出(LFTS)

1.3

综合HVAC和HVDC的优缺点，第三种海上风电并网方式——低频交流输电系统(Low-Frequency Transmission System，LFTS)，为大规模海上风电并网提供了更为经济、有效的选择。海上风机直接输出低频交流电，经低频海上升压站汇集升压后经低频交流海底电缆送至陆地变流站，在陆上变流站将低频转换为工频后并网。由于海上风机变流器可灵活改变输出频率，在避免建设海上换流站的同时实现远海风电送出，因此远距离海上风电送出被认为是低频输电最具潜力的应用场景。

图3 海上风电柔性低频交流输电(LFTS)

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低频输电技术原理及研究现状

低频输电技术原理

2.1

根据静态传输极限原理和电缆容升效应，当传输线路频率降低时，线路电抗成正比下降，因此线路静态稳定有功传输极限上升，线路的电压降落也有所降低。此外，海缆充电无功功率下降使得可用于传输的有功功率提升，从而大大延长了电能传输距离。海缆损耗、电阻等参数的下降，使得海缆载流量提升。

低频交流输电方案适用于海上风电送出场景的原因还有以下几点：1)风机直接输出低频交流电，无需建设海上换流平台，避免了高比例电力电子器件在海上运行可靠性低、运行维护工作成本高及难度大等缺点;2)低频海上升压站与工频升压站相当，经济性较优。根据学者们对于低频交流输电应用于深远海风电并网的技术经济性分析，以装机容量400MW的海上风电场为例，采用220kV HVAC的技术经济传输极限约为80km;LFAC的技术经济区间约为75～300km;当传输距离大于300km时HVDC技术经济性开始凸显。

另根据广东院低频海上输电系统创新团队现阶段研究情况，以1000MW和150km海上风电典型场景为例，对工频交流(HVAC)、柔性直流(HVDC)、低频交流(LFTS)三种并网方式的经济性进行了测算。从初期投资来看，低频交流(LFTS)输电方案比柔性直流(HVDC)输电方案略低，工频交流(HVAC)初期投资最高。从运行维护费用来看，低频交流(LFTS)输电方案运行费用略高于工频交流(HVAC)输电方案，柔性直流(HVDC)输电方案最高。综合考虑全生命周期费用折算到现值，低频交流(LFTS)输电方案比工频交流(HVAC)输电方案、柔性直流(HVDC)输电方案更具经济性。(注：本表格投资方案仅用于方案对比，后续设备材料价格波动会对整体造价产生影响，具体投资以后续阶段计列价格为准。)

图4 远距离海上风电送出典型场景三种送出方案经济性对比

柔性低频输电的国内外研究进展

2.2

20世纪初，德国、澳大利亚、瑞典、挪威等国采用低频(16.7Hz)供电方式用于铁路机车牵引，这是低频供电技术的首次工业实践。随着近年来新能源规模的不断增大，以及海上供电平台等特殊场景的需求，低频输电技术逐渐引起广泛关注。ABB、西门子、三菱、GE等跨国公司积极开展相关专利布局，在铁路供电、工业负载互联领域的低频系统构建、换流器拓扑等方面取得了若干基础专利。

我国低频输电系统的研究起步较早，1994年中国科学院院士、西安交通大学王锡凡教授提出“分频输电系统”的概念。近年来，众多国内学者团队对M3C数学建模、控制策略、主回路参数设计、子模块平衡控制进行了理论推导和仿真建模、M3C的分层分布式控制架构和控制策略展开研究，并搭建了仿真动模进行测试。

在工程实践方面，2021年5月，浙江杭州供电公司220千伏中埠-亭山柔性低频输电示范项目正式启动。该项目通过在输电线路两侧建设换频站实现城市电网的低频互联。2022年6月，世界首个柔性低频输电示范工程——国家电网浙江台州35kV柔性低频输电示范工程正式商业投运。项目通过低频风机直接产生低频电能，经35kV低频工程海缆接入陆上换频站，换成工频后并入主网。该工程的商业投运标志着海上风电低频送出时代的开启。依托以上的国家级科技项目及示范工程，国内初步形成了低频变压器、输变电设备、变流器、低频风机等的低频关键设备研制的产业基础。