海上风电应用柔性低频交流输电技术及其应用前景

黄建涛 梁劭璟

(中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司，福建福州 350003)

摘要：目前，随着海上风电向深远海、大容量和集群化方向发展，采用传统的工频交流和柔性直流输电方式会有诸多限制。柔性低频交流输电利用变频装置对海上风电进行汇集，并将送出频率控制在约20 Hz，可有效地减小海缆充电电流、线路电抗，降低海缆运行的损耗，提升海缆的有功输送能力。这种输电方式在保留了交流输电适合组网等优点的同时，实现了电压和频率的柔性调节，有望成为中远距离海上风电送出的重要技术方案。本文将分析海上风电柔性低频交流输电系统的组成及主要技术特点，进一步探讨其仍存在的问题及未来应用的前景，对深远海风电输电形式的选择加以分析并提供参考。

关键词：海上风电；柔性低频交流输电；海缆输送能力

0 引言

中国东部的海洋能源储备丰厚，其主要位于电力需求密集区域周边，具备稳定的平均风速、较高的利用小时数、低廉的用地成本及易于就地消纳等优点。然而，随着近海风力发电场的逐渐开发，海上风电项目正朝着更远的离岸位置、更大的装机规模以及集群化开发方向推进，这对海上输电系统的容量、距离、可靠性和经济性都提出了更高要求。

目前，海上风电主要采用工频交流和柔性直流两种送出方式。工频交流输电技术成熟，但长距离运行时可能造成线路末端电压升高，需要配置无功补偿设备。柔性直流输电适用于远距离、大容量输电，但通常需要建设海上换流平台，存在投资较高及设备运行维护困难等问题^[2,6]。柔性低频交流输电为中远距离海上风电送出提供了一种介于工频交流和柔性直流之间的新型技术方案，下文将分别从其技术特点、关键难题、发展前景三方面开展详细分析。

1 海上风电应用柔性低频交流输电的技术特点

柔性低频交流输电是利用电力电子变频技术，降低输电系统的运行频率，通过低频交流线路输送电能的技术。其运行频率可根据输送容量、离岸距离、海缆参数及设备制造能力进行选择，20 Hz是现阶段兼顾海缆输送能力和设备工程可实现性的典型频率之一。该技术具有以下特点：

（一）减小海缆充电无功和充电电流

交流海缆导体与金属屏蔽层之间具有较大的分布电容，其充电无功功率可近似表示为：

（1-1）

其中， 为运行频率， 为海缆电容， 为运行电压。由式（1-1）可知，当海缆电容和运行电压保持不变，系统运行频率由50 Hz降低至20 Hz时，理论上充电无功可降低约60%^[1,3]。充电电流减小后，海缆额定电流中可用于输送有功功率的比例增加，线路沿线电压升高现象得到改善，所需无功补偿设备容量也可相应降低。

（二）降低线路电抗并改善电压分布

交流海缆线路的感抗与运行频率近似成正比，其表达式为：

（1-2）

其中， 为运行频率， 为交流海缆线路长度。由式（1-2）可知，当运行频率减小时，海缆线路感抗减小，在相同输送电流条件下，线路电压降和无功功率消耗相应降低，有利于改善海上风电场与陆上并网点之间的电压分布，并提高长距离海缆的稳定输送功率。

（三）降低海缆运行损耗，提高有功输送能力

相比于传统工频交流和柔性直流输电，柔性低频交流输电的低频运行特性可以减弱导体中的集肤效应和邻近效应，使电流在导体截面上的分布更加均匀，从而降低导体交流电阻及损耗，使得相同电压等级及导体截面的海缆在更长距离内保持较高的有功输送能力。

宁联辉等对220 kV、3×500 mm²、100 km海缆进行仿真分析，当运行频率由50 Hz降低至16.7 Hz时，海缆最大允许电流由703 A提高至797 A，总损耗由5.954 MW降低至4.517 MW^[4]。吴冰洁等的多物理场仿真研究显示，当运行频率从50 Hz降至20 Hz后，海缆的运行损耗明显下降，且不同敷设段的载流能力均有提高，其中海底段提高约18.4%^[5]。

2 海上风电柔性低频交流输电的关键技术问题

（一）高压大容量换频器及低频电气设备

陆上换频站是柔性低频交流输电系统的核心，由于其内部同时存在两种频率的功率波动，换频站使用的模块化多电平矩阵变换器需协调控制子模块电容电压、桥臂能量及内部环流，并具备过电流抑制、故障穿越和功率快速平衡能力^[1-2]。此外，低频变压器为避免铁芯磁通密度过高，通常需增加绕组匝数或增大铁芯截面，导致设备体积与重量增加，这是低频交流输电面临的主要问题之一。低频断路器、互感器、电抗器及避雷器等配套设备亦需开展针对性设计与型式试验。

（二）低频海缆及附件的长期运行可靠性

现有高压交流海缆主要按50 Hz或60 Hz条件设计。新制XLPE绝缘在20～50 Hz范围内的介电常数与短时击穿强度变化不大，但频率降低会延长电场半周作用时间，可能加剧低频介电弥散和电导损耗，在绝缘老化、受潮或含杂质等情况下更为显著。海缆接头与终端包含多种绝缘及半导电材料，参数差异可能导致低频下电场重新分配；此外，登陆段、J型管、接头及金属护套和铠装回路仍可能形成局部热点。因此，需对海缆本体、附件及金属回路开展低频电场、热场、载流能力和长期老化试验^[4-5]。

3 应用及发展前景

柔性低频交流输电更适用于中远距离、较大容量的海上风电送出工程。当工频交流受海缆充电无功限制、柔性直流海上换流平台经济优势尚不明显时，该技术可在输送能力、平台规模与工程投资之间取得较好平衡。此外，其还可用于多风电场集中汇集送出，通过公共低频网络与陆上换频站减少重复建设，并兼具海岛联网、海上综合能源系统及陆上新能源基地等应用潜力。

这种输电技术的规模化应用仍取决于交—交换流装置、低频变压器、海缆附件等关键环节的成熟度。随着上述技术发展，设备成本与工程风险有望降低。总体而言，该技术作为传统工频交流与柔性直流的重要补充，在特定容量与距离范围内具有优势，未来需依托示范工程积累运行数据，通过全寿命周期经济性分析明确适用边界与最优场景^[1,3,6]。

4 结论

柔性低频交流输电通过降低系统频率，可减小海缆充电无功、线路电抗及运行损耗，提高海缆的有功输送能力及经济输送距离。然而，其在高压大容量换频器及低频设备、海缆系统长期可靠性等方面仍需深入研究。随着关键设备成熟、标准完善及示范工程经验积累，柔性低频交流输电有望成为中远距离海上风电送出的重要技术方案。

参考文献

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