上海交通大學能源研究院副院長蔡旭在嘉賓演講環節發表了題為《低成本高可靠海上風電直流送出技術》的演講：

 

　　簡單介紹一下我們一項最新研究，低成本高可靠海上風電直流送出技術：

 

　　我們先簡單看一下這個必要性，首先看直流送出為什么必要？這個已經說了很多了，但是我從電氣的角度簡單再說一下，這個必要性主要在于海上是要經過電纜，如果是架空線就沒有這么大的事情，因為是電纜，電纜有對地電容，如果用交融的時候但電纜比較長的時候就存在電壓穩定性的問題，所以它必須要做一些措施。你要用交流，要么兩邊加高抗，因為它是一個波動的功率傳輸，波動的功率這個電壓波動，所以你要兩邊加電抗器，如果距離再長中間還要再加電抗器，這樣一來整個成本就比較高，所以深遠海要走直流肯定是必然的趨勢。

 

　　直流大家一般都是柔直現在搞的很火，最早MMC這個方案出來之后都覺得這個非常好，而且現在在陸上已經做了很多，我們國家從兩端的到三端的到五端的現在又到張北四端00千伏以上，這個發展很快。但是我們看一下這種直流適合不適合海上呢？它雖然有很多優勢，模塊化、容量高等等這些東西，但它存在的問題也非常多，像我們一個柔直換流站子模塊的數量將達到幾千個，所以這個體積非常龐大。我們在海上平臺建這樣一個東西，是有一系列的挑戰。另外這些數量多、控制性能復雜必然影響可靠性，而且我們知道海上最重要的就是要強調可靠性的問題，這樣一來我們就要看需要一種新的解決方案，有什么樣更好的辦法呢？

 

　　可能的方法之一就是用二極管橋來做整流，把換流站簡單的用二極管整流器，這個大家都能想到而且非常簡單，歐洲做了很多工作，其中典型的就是西門子做了個概念設計，他做了一下這個概念設計之后發現如果海上換流站用整流器的話，它的體積能減少80%，重量能減少65%，安裝時間這些都有大幅減少，最后造成海上換流站的總成本降低到30%。而這個當然是非常理想的，但是實際上是有問題的。

 

　　它的問題在哪？如果僅僅大家設想就是一個二極管整流，那風機怎么啟動？首先一個問題這個電源哪來？風機啟動的電源哪來？肯定要說從風電，要么風機里頭要有自啟動的一些東西，儲能等等這些東西這一系列，這是第一個大問題。第二個大問題，如何來使得這些風電機組都同步運行？因為我們風電機組不是一臺，幾百臺，一般我們現在的風機運行都是怎么做的？以大電網為背景進行所項，然后進行電流控制，電網是老大，我們跟著電網走這能做到同步。現在做二極管整流了，它跟電網隔開了，所以我們風機無法啟動，現有的工作模式是不行的。第三個問題，我們知道在海上交流風場這里面是有一系列的電抗、變壓器等等，需要大量的無功，那誰來提供，誰來解決？實際上這種方案，純粹的二極管整流是不可能的，那只是一個美好的概念。

 

　　在這兒我們先探討一下目前的研究現狀都到達什么程度了，我這兒就簡單的先說一下西門子的方案，當時他提出了一個設想的方案，但這個方案沒有實施，就是做一個二極管整流橋，實現什么問題？岸上拉一個66千伏的交流線給它提供供電，首先我還要有一套交流，如果距離遠了同樣這個東西要距離遠，這是第一個問題。第二個問題，二極管怎樣整流？要有一個門檻電壓，這邊的交流電壓必須比那邊的直流電壓要高才能走過去，也就是說我們要解決一個可控性的問題，怎么可控？西門子設想一下，他是在66千伏上面加了ACAC變壓器，控制電壓，抬高降低，當然他還做了一系列輔助測試，由GPS來控制發電機讓它同步等等，但是總的來講這里頭還是有一系列的問題和挑戰，所以這個工程有些設想沒有實施。

 

　　再看看還有一些其它的文章，也有一些文章做了MMC匯合二極管橋，VSC匯合二極管橋這些方案，但是這些方案都解決不了倒充電的問題，目前只解決了無功支撐，還有諧波、濾波的問題，就是我怎么取電，怎樣使得工廠啟動。

 

　　現在這個是我們提出的一個解決方案，是什么呢？主要是把換流站做了改造，這個改造是有兩部分組成的，一部分是二極管整流橋這是存在的，另外我們要搞另外一個叫輔助換流器，我們這個輔助換流器來干什么？從高壓直流取電，取電之后變成交流，然后這個交流再經過變壓器匹配電壓接到PCC點上，這是這個情況。現在來分析一下這個事情怎么工作的？細節已經有了，2018年第19期發表了文章，所有的專利都已經申請完畢，包括歐洲專利也都申請了。

 

　　來看看這個東西怎么來工作？它的工作就是由岸上換流站來控制直流電壓，高壓直流這邊過來，經過輔助變換器倒充電，倒充電之后給風場供電，他這時候送出來的這個輔助換流器工作在什么狀態？VF控制，工作在頻率，這樣就可以給PCC點提供電壓源，我風機不要做任何改動，你鎖定該怎么工作就怎么工作，相當于有一個交流電網過來了，原來的變流器該怎么工作就怎么工作，這樣就實現啟動。一旦啟動之后，這個風電發出來的電，先是經過換流器慢慢送，一開始是換流器倒送電，慢慢發電了慢慢的送的越來越少，送到一定程度上由輔助換流器控制PCC點電壓抬高，這個電壓一抬高之后二極管橋開始整流工作，這樣工作就把電能送過去了。再接下來的工作是什么呢？同時這個輔助換流器來提供無功率補償，再進一步我們還可以把輔助換流器切除，讓它掛在這上面做無功補償和諧波補償。

 

　　下面看一下最關鍵的就是輔助換流器，這個輔助換流器是怎樣的拓撲結構以及工作原理。下面就是我們提出來的輔助換流器的概念，實際上從高壓直流上經過電抗和電容環節，在電抗電容上用子模塊串，然后這邊接過來一個小的MMC，是這樣一個結構。這個結構我介紹一下它是怎么工作的，這個工作就是說由LC電路還有串聯的子模塊形成一個振蕩環流，把電能傳送到小的MMC上，傳過來之后由它來經過變壓器升壓到PCC點上，所以這時候能量傳過來，風機啟動，啟動了之后我這兒開始由它來控制這個電壓抬高電壓，能量送出，這時候如果我們需要的話，我繼續這個工作，它提供無功功率支撐，同時它還能濾波這樣一個作用。最后一個環節，如果我們要做到進一步減少損耗，一旦風能啟動之后我們這個子模塊串是可以斷開的，因為這時候不需要了，僅僅需要掛接底下一個小的MMC，來做濾波和無功作用，當然也可以一直掛在上面保證它的可靠性，這是這個的工作原理。

 

　　我下面來進一步闡述一下這個工作到底是怎么來做到的，輔助換流器的圖在這兒，那是接到直流端，L和C經過隔離之后，是在電容跟這個之間形成高頻環流，然后把能量打進來這樣一個過程。打進來之后它進行調制，調制出兩個高頻的，疊加在我們給定的頻率上，最初輸出的東西是抵消掉的，正好是供頻過去，這是它的容量工作原理。

 

　　我們再看看它的交流端，這個東西怎么能濾波的呢？實際上這個道理很簡單，在它的交流端就是這樣連接的，這邊是風電場，這是輔助換流器，那是二極管整流橋，怎么產生諧波的？二極管產生諧波，它相當于諧波源。看看風電場對變流器的控制是什么控制？電流原性控制，意味著它的阻抗比較大。當然我們這個輔助換流器是怎樣一個控制方式？VF控制，電壓原控制，意味著阻抗幾乎是0，這樣一來實際上看諧波出來之后是流不到這兒來的，這兒的阻抗比較大，這邊比較小，所以它基本上通過這個阻抗流過來，由它實現濾波。無功補償這個更簡單。

 

　　接下來我再簡單的說一下這個設計的時候我們要注意哪些東西，我們要做到低成本，低成本體現在哪？這個東西怎么低成本了？我們看這里頭最關鍵的就是一個二極管橋不用說了，肯定成本很低，關鍵輔助換流器會占多少成本，你的可靠性如何來解決。在這兒是這樣，我們看這個子模塊串基本上承擔的電壓是90%的高壓直流，底下這個MMC只承擔10%，所以它實際上就是容量很小。所以整個這個加下來所有的字模快就相當于一個全MMC這種柔性換流站的1/3，那也就意味著它的成本基本上就是全柔值的1/3，30-40%，這是輔助換流器的概念。二極管橋那個是多少？大概10%，所以我們這樣加起來就相當于比全MMC的這種在成本上會降到50%這樣一個情況。

 

　　實際上這一張圖就展示了這個情況，我們看所用的子模塊一共是全功率的30%左右，我們的損耗減少到40%。綜合情況我們來看二極管橋這一塊的是12.5%，輔助換流器1/3全柔值的1/3，所以整個的成本最后換流器降50%，平臺會降的更多，因為平臺的重量大幅降低，整個重量體積縮小平臺的載荷也小了，它整個平臺的建設成本會更小。

 

　　這是我剛才講的原理，講了原理總規要驗證一下，所以這是我們構造的一個仿真的驗證，就風場用一個聚合模型，用一個全功率的變換器來模擬它，這就是我們這個混合換流站的整個的情況。在這兒我要特別強調的，就是我們最后真正用的這個二極管整流器不會是剛才簡單的一個橋，因為一個橋諧波太大了，我們一般要用的12邁，要用兩個，或者是再向上18邁、24邁都有可能，我們建議是12邁。這樣做了以后我們看一下仿真的情況，上面就是風電場的輸出電流和功率，第一個段里頭是倒送電階段，到后面就進入發電，然后功率轉移。從第二張圖我們看二極管整流器，在那個位置上大概1秒多的位置上，全都轉移到二極管整流器上，這個就是輔助換流器它的電流情況。一開始是倒送這是有功功率，倒送到后來是從它發電也是送有功，在這后面就是無功電流還有諧波等等這些情況。這是仿真分析的結果。

 

　　這個實際上就是把每一個輔助換流器的直流式電流、二極管整流器的直流式電流做了一個仿真的模型。僅僅做仿真我們認為還是不能完整說明這個事到底是不是真的，所以我們要做一個試驗，我們構造了一個試驗系統，這邊就是參數表，相當于我們在實驗室搭一個系統，這個系統直流電壓基本上在200V，然后用了二極管整流器12邁的，構筑了一個輔助換流器，這邊就用一個逆變器來代替一個風電場，只要構造了這么一個試驗系統，參數在那兒。這是我們整個試驗系統的雛形，其實這里面的核心是輔助換流器，是由72個半橋子模塊構成18個模組，在這個系統上我們最后做了試驗驗證，經過驗證我們發現二極管整流器的電流，這張圖就是我們看從啟動開始到發出這樣一個過程。放大的圖實際上就是截取上面小的那部分把它放大，我們看二極管整流器的電流。另外一個就是輔助換流器的電流截了兩個部分，一個是在啟動階段的，一個是啟動之后的。這是整個風電場的輸出電流情況，那是PCC處的電壓，就是說我們怎樣來控制那個電壓，讓它是整流過去還是不整流過去這樣一個情況。

 

　　下面我做一個簡單的結論，我們實際上就是提出了這么一個混合型換流器方案，這個方案是全部創新的，并且我們進行了驗證，感覺這個方案有一定的可行性。我們初步的估算，這個換流器坐下來之后總的成本能降低30%，體積減小也是大概32%左右，重量減輕32%左右，我這是保守的估計，這樣可靠性會大幅提升，因為復雜程度降低了。我們做了仿真的驗證，還做了試驗的驗證，證明這個東西都是切實可行的。另外這些換流器的拓撲控制等等我們在國內國際都申請了專利，但是我們是希望這些東西在國內能夠落地，所以我在這兒也是非常歡迎跟工業界展開合作，希望能得到工程上的推廣應用。

 

　　（發言整理自現場速記，未經本人審核）