上海交通大學(xué)能源研究院副院長(zhǎng)蔡旭在嘉賓演講環(huán)節(jié)發(fā)表了題為《低成本高可靠海上風(fēng)電直流送出技術(shù)》的演講：

 

　　簡(jiǎn)單介紹一下我們一項(xiàng)最新研究，低成本高可靠海上風(fēng)電直流送出技術(shù)：

 

　　我們先簡(jiǎn)單看一下這個(gè)必要性，首先看直流送出為什么必要？這個(gè)已經(jīng)說了很多了，但是我從電氣的角度簡(jiǎn)單再說一下，這個(gè)必要性主要在于海上是要經(jīng)過電纜，如果是架空線就沒有這么大的事情，因?yàn)槭请娎|，電纜有對(duì)地電容，如果用交融的時(shí)候但電纜比較長(zhǎng)的時(shí)候就存在電壓穩(wěn)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?yàn)樗且粋€(gè)波動(dòng)的功率傳輸，波動(dòng)的功率這個(gè)電壓波動(dòng)，所以你要兩邊加電抗器，如果距離再長(zhǎng)中間還要再加電抗器，這樣一來整個(gè)成本就比較高，所以深遠(yuǎn)海要走直流肯定是必然的趨勢(shì)。

 

　　直流大家一般都是柔直現(xiàn)在搞的很火，最早MMC這個(gè)方案出來之后都覺得這個(gè)非常好，而且現(xiàn)在在陸上已經(jīng)做了很多，我們國(guó)家從兩端的到三端的到五端的現(xiàn)在又到張北四端00千伏以上，這個(gè)發(fā)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(yōu)勢(shì)，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(gè)柔直換流站子模塊的數(shù)量將達(dá)到幾千個(gè)，所以這個(gè)體積非常龐大。我們?cè)诤Ｉ掀脚_(tái)建這樣一個(gè)東西，是有一系列的挑戰(zhàn)。另外這些數(shù)量多、控制性能復(fù)雜必然影響可靠性，而且我們知道海上最重要的就是要強(qiáng)調(diào)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(jiǎn)單的用二極管整流器，這個(gè)大家都能想到而且非常簡(jiǎn)單，歐洲做了很多工作，其中典型的就是西門子做了個(gè)概念設(shè)計(jì)，他做了一下這個(gè)概念設(shè)計(jì)之后發(fā)現(xiàn)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(shí)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(gè)當(dāng)然是非常理想的，但是實(shí)際上是有問題的。

 

　　它的問題在哪？如果僅僅大家設(shè)想就是一個(gè)二極管整流，那風(fēng)機(jī)怎么啟動(dòng)？首先一個(gè)問題這個(gè)電源哪來？風(fēng)機(jī)啟動(dòng)的電源哪來？肯定要說從風(fēng)電，要么風(fēng)機(jī)里頭要有自啟動(dòng)的一些東西，儲(chǔ)能等等這些東西這一系列，這是第一個(gè)大問題。第二個(gè)大問題，如何來使得這些風(fēng)電機(jī)組都同步運(yùn)行？因?yàn)槲覀冿L(fēng)電機(jī)組不是一臺(tái)，幾百臺(tái)，一般我們現(xiàn)在的風(fēng)機(jī)運(yùn)行都是怎么做的？以大電網(wǎng)為背景進(jìn)行所項(xiàng)，然后進(jìn)行電流控制，電網(wǎng)是老大，我們跟著電網(wǎng)走這能做到同步?，F(xiàn)在做二極管整流了，它跟電網(wǎng)隔開了，所以我們風(fēng)機(jī)無法啟動(dòng)，現(xiàn)有的工作模式是不行的。第三個(gè)問題，我們知道在海上交流風(fēng)場(chǎng)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(shí)際上這種方案，純粹的二極管整流是不可能的，那只是一個(gè)美好的概念。

 

　　在這兒我們先探討一下目前的研究現(xiàn)狀都到達(dá)什么程度了，我這兒就簡(jiǎn)單的先說一下西門子的方案，當(dāng)時(shí)他提出了一個(gè)設(shè)想的方案，但這個(gè)方案沒有實(shí)施，就是做一個(gè)二極管整流橋，實(shí)現(xiàn)什么問題？岸上拉一個(gè)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(yuǎn)了同樣這個(gè)東西要距離遠(yuǎn)，這是第一個(gè)問題。第二個(gè)問題，二極管怎樣整流？要有一個(gè)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(gè)可控性的問題，怎么可控？西門子設(shè)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(dāng)然他還做了一系列輔助測(cè)試，由GPS來控制發(fā)電機(jī)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(zhàn)，所以這個(gè)工程有些設(shè)想沒有實(shí)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(dòng)。

 

　　現(xiàn)在這個(gè)是我們提出的一個(gè)解決方案，是什么呢？主要是把換流站做了改造，這個(gè)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(gè)叫輔助換流器，我們這個(gè)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(gè)交流再經(jīng)過變壓器匹配電壓接到PCC點(diǎn)上，這是這個(gè)情況。現(xiàn)在來分析一下這個(gè)事情怎么工作的？細(xì)節(jié)已經(jīng)有了，2018年第19期發(fā)表了文章，所有的專利都已經(jīng)申請(qǐng)完畢，包括歐洲專利也都申請(qǐng)了。

 

　　來看看這個(gè)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(jīng)過輔助變換器倒充電，倒充電之后給風(fēng)場(chǎng)供電，他這時(shí)候送出來的這個(gè)輔助換流器工作在什么狀態(tài)？VF控制，工作在頻率，這樣就可以給PCC點(diǎn)提供電壓源，我風(fēng)機(jī)不要做任何改動(dòng)，你鎖定該怎么工作就怎么工作，相當(dāng)于有一個(gè)交流電網(wǎng)過來了，原來的變流器該怎么工作就怎么工作，這樣就實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)。一旦啟動(dòng)之后，這個(gè)風(fēng)電發(fā)出來的電，先是經(jīng)過換流器慢慢送，一開始是換流器倒送電，慢慢發(fā)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(diǎn)電壓抬高，這個(gè)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(shí)這個(gè)輔助換流器來提供無功率補(bǔ)償，再進(jìn)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(bǔ)償和諧波補(bǔ)償。

 

　　下面看一下最關(guān)鍵的就是輔助換流器，這個(gè)輔助換流器是怎樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(shí)際上從高壓直流上經(jīng)過電抗和電容環(huán)節(jié)，在電抗電容上用子模塊串，然后這邊接過來一個(gè)小的MMC，是這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)我介紹一下它是怎么工作的，這個(gè)工作就是說由LC電路還有串聯(lián)的子模塊形成一個(gè)振蕩環(huán)流，把電能傳送到小的MMC上，傳過來之后由它來經(jīng)過變壓器升壓到PCC點(diǎn)上，所以這時(shí)候能量傳過來，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，啟動(dòng)了之后我這兒開始由它來控制這個(gè)電壓抬高電壓，能量送出，這時(shí)候如果我們需要的話，我繼續(xù)這個(gè)工作，它提供無功功率支撐，同時(shí)它還能濾波這樣一個(gè)作用。最后一個(gè)環(huán)節(jié)，如果我們要做到進(jìn)一步減少損耗，一旦風(fēng)能啟動(dòng)之后我們這個(gè)子模塊串是可以斷開的，因?yàn)檫@時(shí)候不需要了，僅僅需要掛接底下一個(gè)小的MMC，來做濾波和無功作用，當(dāng)然也可以一直掛在上面保證它的可靠性，這是這個(gè)的工作原理。

 

　　我下面來進(jìn)一步闡述一下這個(gè)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(jīng)過隔離之后，是在電容跟這個(gè)之間形成高頻環(huán)流，然后把能量打進(jìn)來這樣一個(gè)過程。打進(jìn)來之后它進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制出兩個(gè)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?cè)倏纯此慕涣鞫?，這個(gè)東西怎么能濾波的呢？實(shí)際上這個(gè)道理很簡(jiǎn)單，在它的交流端就是這樣連接的，這邊是風(fēng)電場(chǎng)，這是輔助換流器，那是二極管整流橋，怎么產(chǎn)生諧波的？二極管產(chǎn)生諧波，它相當(dāng)于諧波源?？纯达L(fēng)電場(chǎng)對(duì)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(dāng)然我們這個(gè)輔助換流器是怎樣一個(gè)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(shí)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(gè)阻抗流過來，由它實(shí)現(xiàn)濾波。無功補(bǔ)償這個(gè)更簡(jiǎn)單。

 

　　接下來我再簡(jiǎn)單的說一下這個(gè)設(shè)計(jì)的時(shí)候我們要注意哪些東西，我們要做到低成本，低成本體現(xiàn)在哪？這個(gè)東西怎么低成本了？我們看這里頭最關(guān)鍵的就是一個(gè)二極管橋不用說了，肯定成本很低，關(guān)鍵輔助換流器會(huì)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(gè)子模塊串基本上承擔(dān)的電壓是90%的高壓直流，底下這個(gè)MMC只承擔(dān)10%，所以它實(shí)際上就是容量很小。所以整個(gè)這個(gè)加下來所有的字?？炀拖喈?dāng)于一個(gè)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(gè)是多少？大概10%，所以我們這樣加起來就相當(dāng)于比全MMC的這種在成本上會(huì)降到50%這樣一個(gè)情況。

 

　　實(shí)際上這一張圖就展示了這個(gè)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(gè)的成本最后換流器降50%，平臺(tái)會(huì)降的更多，因?yàn)槠脚_(tái)的重量大幅降低，整個(gè)重量體積縮小平臺(tái)的載荷也小了，它整個(gè)平臺(tái)的建設(shè)成本會(huì)更小。

 

　　這是我剛才講的原理，講了原理總規(guī)要驗(yàn)證一下，所以這是我們構(gòu)造的一個(gè)仿真的驗(yàn)證，就風(fēng)場(chǎng)用一個(gè)聚合模型，用一個(gè)全功率的變換器來模擬它，這就是我們這個(gè)混合換流站的整個(gè)的情況。在這兒我要特別強(qiáng)調(diào)的，就是我們最后真正用的這個(gè)二極管整流器不會(huì)是剛才簡(jiǎn)單的一個(gè)橋，因?yàn)橐粋€(gè)橋諧波太大了，我們一般要用的12邁，要用兩個(gè)，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(fēng)電場(chǎng)的輸出電流和功率，第一個(gè)段里頭是倒送電階段，到后面就進(jìn)入發(fā)電，然后功率轉(zhuǎn)移。從第二張圖我們看二極管整流器，在那個(gè)位置上大概1秒多的位置上，全都轉(zhuǎn)移到二極管整流器上，這個(gè)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(fā)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(jié)果。

 

　　這個(gè)實(shí)際上就是把每一個(gè)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(gè)仿真的模型。僅僅做仿真我們認(rèn)為還是不能完整說明這個(gè)事到底是不是真的，所以我們要做一個(gè)試驗(yàn)，我們構(gòu)造了一個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)，這邊就是參數(shù)表，相當(dāng)于我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室搭一個(gè)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)直流電壓基本上在200V，然后用了二極管整流器12邁的，構(gòu)筑了一個(gè)輔助換流器，這邊就用一個(gè)逆變器來代替一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，只要構(gòu)造了這么一個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)，參數(shù)在那兒。這是我們整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的雛形，其實(shí)這里面的核心是輔助換流器，是由72個(gè)半橋子模塊構(gòu)成18個(gè)模組，在這個(gè)系統(tǒng)上我們最后做了試驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)過驗(yàn)證我們發(fā)現(xiàn)二極管整流器的電流，這張圖就是我們看從啟動(dòng)開始到發(fā)出這樣一個(gè)過程。放大的圖實(shí)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(gè)就是輔助換流器的電流截了兩個(gè)部分，一個(gè)是在啟動(dòng)階段的，一個(gè)是啟動(dòng)之后的。這是整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的輸出電流情況，那是PCC處的電壓，就是說我們?cè)鯓觼砜刂颇莻€(gè)電壓，讓它是整流過去還是不整流過去這樣一個(gè)情況。

 

　　下面我做一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)論，我們實(shí)際上就是提出了這么一個(gè)混合型換流器方案，這個(gè)方案是全部創(chuàng)新的，并且我們進(jìn)行了驗(yàn)證，感覺這個(gè)方案有一定的可行性。我們初步的估算，這個(gè)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(jì)，這樣可靠性會(huì)大幅提升，因?yàn)閺?fù)雜程度降低了。我們做了仿真的驗(yàn)證，還做了試驗(yàn)的驗(yàn)證，證明這個(gè)東西都是切實(shí)可行的。另外這些換流器的拓?fù)淇刂频鹊任覀冊(cè)趪?guó)內(nèi)國(guó)際都申請(qǐng)了專利，但是我們是希望這些東西在國(guó)內(nèi)能夠落地，所以我在這兒也是非常歡迎跟工業(yè)界展開合作，希望能得到工程上的推廣應(yīng)用。

 

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