海上风电柔性直流输电技术主题调研报告

刘栋 中国电力科学研究院 直流技术研究所总工 目录 01.调研背景 02.海风柔直技术与装备发展现状 03.海风柔直技术与装备未来发展趋势 04.实地调研案例分享 05总结与展望 Part.01 调研背景 全球能源转型背景下海上风电的战略地位与发展态势 口在全球能源转型与应对气候变化的大背景下，世界主要沿海国家均将海上风电等海洋能源开发作为本国提高能源自给率和保障能源安全的重要发展方向。 全球能源转型背景下海上风电的战略地位与发展态势 口从海上风电发展看，世界主要国家海上风电主要经历三个阶段： 海上风电均位于欧洲，建设规模及单台风电机组装机容量小，丹麦荷兰、英国等建设了9个海上风电项自，其中5个低于10MW，1991年世界上第一个真正意义上的海风-丹麦Vineby海上风电场正式投运 示范开发阶段设（2000年前） 全球海上风电基本集中在欧洲，英国、丹麦、比利时德国等国家海上风电占比较高，单个项目装机可达到400MW，累积装机超过5000MW，单台风机容量平均达到4MW。 商业化开发阶段（20012022年） 规模化及深远海开发阶段(2022年至今） 欧洲开始深远海规模化开发，全球首个漂浮式风电场在2022年于挪威实现供电。 中国海上风电发展的机遇-海上风电规划总量已达315GW 口现划现状：截止2024年底，国家能源局已批复的海上风电规划规模超315GW，省管占比约42%，广东、福建、山东、浙江四省已批复海上风电规模超过总量的65% 口指标下发：海上风电已下发指标超119GW，其中省管85GW，国管34GW，仍有约190GW的指标未下发，国管占比超过80%，整体待配置指标占批复总量的60%，广东、山东、浙江、福建均有较广的增量空间.预计2024-2025年福建、江苏、广西将以竞争性配置或直配的方式释放约18GW海上风电资源 中国海上风电发展的挑战-资源开发难度加大（（深远海） 口离岸距离：从当前已并网和在建项目离岸距离统计发现，海上风电场址的离岸距离呈明显增大趋势，在建项目离岸距离大部分已超过50km，未来新建项目的离岸距离将达到100km及以上。 口平均水深：从近14年的项目数据统计发现，海上风电场平均水深已突破26m，局部区域已突破50m。未来预计新建风电场水深将突破60m。口机组重量：以16MW级机组为例，水深每增加10米，基础（导管架+导管架桩）增重约400t，塔架增重约100t。 海上风电柔性直流技术优势与挑战 柔性直流输电龙适合海上风电送出场景 柔性直流输电应用于海风场景也存在一些缺点 口柔性直流输电技术是指基于绝缘栅双极性品体管（IGBT)等全控型器件的直流输电技术，柔性直流输电尤其适合海上风电送出场。在海上风电送出工程中得到了大量应用。 口尽管柔性直流输电尤其适合海上风电送出场，海上风电行业仍需持续研究并解决上述种种挑战。 02安装施工难度较大03设备运行工况更为恶劣 口柔性直流技术能够实现陆上和海上之间的故障隔离，无需无功补偿，通过有功无功解耦控制为岸上电网提供支撑，并具备组网可扩展性。 全球及中国海上风电柔直发展现状 全球海上风电柔性直流工程建设日渐增多 国内海风菜直仅如东一个示范工程投运 口载至2025年9月，我国仅有江苏如东1个海上风电柔性直流输电示范工程投运，海上换流站离岸直线距离约70km，直流电压等级+400kV，输送容量为110万kW，采用对称单极接线。 口全球已有10条海上风电柔直并网工程建成投运，其中欧洲9条（德国）亚洲1条（中国）。 口在建或规划的工程有十余条，主要分布在欧洲（德国、英国、荷兰）、亚洲（中国）和北美洲（美国）。 口目前在建的海上风电柔性直流输电工程有青洲工程和三山岛工程 口2022年2月，由中国电科院、普瑞工程、美国McDemott公司组成的联合体成功中标BorWin6海上风电柔直并网工程换流站EPC，标志着我国高端输电技术首次进入欧美国家： BorWin6工程是当前德国在建容量最大、输送距离最远的海上风电柔直并网工程 Part.02 海风柔直技术与装备发展现状 口现投运工程海上风电通常采用33kV交流汇集，经升压平台升压后接入海上柔直换流站（平台）： 随着风电场规模与单机容量的扩大，66kV汇集方式成为新的趋势，可省去交流升压平台，降低汇集损耗与工程建设成本，DoIWin5工程之后的欧洲新建海上风电柔直并网工程均采用该技术， 口已投运及在建的柔直工程均采用对称单极接线方式，其系统结构、控制方式简单： 未来随着海上风电柔直并网系统从±320kV/1000MW等级提升至±525kV/2000MW，对称单极拓扑将升级为双极拓扑，其扩展性强，可实现独立运行，可靠性进一步提升。 关键技术现状2一系统控制 技 术 （3）海风柔直系统故障穿越控制技术 【1】柔直与交流系统的同步控制技术 （2）送端与受端柔直换流器的控制技术 口正负序独立控制（故障穿越核心手段） 目前，陆上站控制直流电压，并通过恒定无功功率或交流电压控制实现与电网的无功功率交换： 同步控制方法可归纳为五美，其核心对比如下 海上站通过基于交流电压-频率的孤岛控制模式，为风电场提供稳定的并网电压， 口海风系统特殊故陷应对1直流双极短路：采用混合子模块MMC，闭锁全桥子模块阻断故障电流-协同控制：陆上站调直流电压（信号），海上站降风场交2流电压（功率平衡）海上交流们故障（汇集线路短路）-整流例MMC：降低交流电压d轴分量参考值+电流限幅故陪恢复：快速矫正相位，将轴电压恢复至0（加速并网 关键技术现状3一运行维护技术 口现有海上风电柔性直流工程投运时间较短，缺乏长期的运行数据积累和经验总结，因此目前对于海上风电柔性直流装备仍然采用传统的定期检测维护手段。 核心柔性直流装备运维 涵盖换流阀子模块程序升级（单模块加电/远程批量升级）、功能测试（专用设备单/批量检测）、电极结垢检测（传统人工抽检效率低，许继电气研发X射线成像非拆卸检测）、子模块快速更换（行吊/抽拉装置防翻转方案） 海上风机运维技术 包括周期性巡检+定期维护，配套故障诊断专家系统（历史数据+专家经验快速定位故障）、远程故障诊断（实时数据传输至陆地中心修复简单故障）、现场维修（专业人员处理复杂硬件故障如功率器件损坏）， 核心装备现状1一柔性直流换流器 口国内海风柔直项自换流器应用情况 口国际海风柔直项自换流器应用情况 目前，海上风电柔性直流输电工程主要集中在德国，相关柔性直流换流器应用情况如下表所示。其中除世界上第一个海上风电柔性直流输电工程-BorWin1T程采用两电平柔性直流换流器外，其余各工程柔性直流换流器均采用MMC拓扑 中国海上风电柔性直流输电技术起步较晚，我国已经投运和规划建设的海上风电柔性直流输电工程所采用的柔性直流换流器情况如下表所示。 换流器件方面 应用于海上风电柔直送出工程的IGBT器件整体朝着更高电压等级、更大通流能力的趋势发展，由早期的4500V/1.5kA逐步发展至DolWin6的6500V/1.5kA 换流器拓扑方面 在已投运的海上柔性输电工程中，主要包含半桥型MMC（模块化多电平换流器）和全半桥混合型MMC这2种拓扑型式。 换流阀安装型式方面 现阶段柔直换流阀主要有支撑式和悬吊式两种安装型式，国内外海上和陆上柔直换流站多采用支撑式阀塔结构。 核心装备现状2一直流耗能装置 口引入耗能装置将系统盈余功率以热量形式耗散，其凭借响应速度快和可靠性高等优势成为海风工程中普遍采用的解决方案。 口根据耗能装置在系统中布设位置的不同，可分为交流耗能装置和直流耗能装置。直流耗能装置是现阶段海风工程中的主流技术方案直流耗能装置存在诸多拓扑结构，按照电阻布置方式的不同可分为集中式、分布式和湿混合式三种技术路线 核心装备现状3一风机 口随着海上风电场的规模化和大型化发展，我国大型海上风电机组的研制不断取得突破性进展，风电机组单机容量和叶轮直径逐渐增大。 2.技术路线分化 1.机组容量与叶轮直径跃升 半直驱主导：金风、远晨、明阳等国产机组多来用半直驱，实现20-26MW容量突破。直驱并行：GE重启18MW直驱机组，SiemensGamesa完成276-21.5MW直驱样机吊装。双馈技术：在大型化趋势下应用减少，主要见于早期中小型机组。 容量突破：从15MW（Vestas2022）跃升至26MW（东方电气2024），2025年国产25MW机型研发中，功率要盖20-25MW，发电量提升38%。叶轮进化：直径从236m（Vestas2022）扩展至313m（东方电气2024），305m风轮研发中，适配深远海高风速海域， 4.并网技术挑战 3.关键部件技术进展 叶片材料：碳纤维全面应用，金风GW147叶片通过静力测试，实现高强度轻量化。 弱电网稳定性：短路比下降引发并网问题，需通过频域阻抗分析、控制参数优化等手段解决。柔直接入风险：电力电子化电网导致宽频振荡需电磁暂态建模扫描工况，优化风机/柔直侧阻尼控制。 变流器拓扑： ■两电平：适用于1-8MW机组，模块化并联提升功率，但10MW以上容量受限。■三电平：耐压要求降低，系统效率提升，成为10MW+机组首选拓扑，市场份额持续扩大。 环境适应：IP54防护等级，C3H防腐能力，全水冷+加热除湿系统应对高盐需潮湿环境。 控制保护系统架构 控制保护系统分层结构 当前海风柔直工程的控制保护系统，其分层结构与陆上柔直工程一致，包括系统监视与控制层、控制保护层与现场IO层。 控制保护装置 鉴于海风柔直工程海上站无人运维以及控保屏柜紧凑化的特殊需求，控保主机需具备高可靠性、模块化设计、高性能和小型化等特点，以提升主机功能的集成度，并有效减少屏柜的重量及占地面积。 Part.03 海风柔直技术与装备未来发展趋势 关键技术发展趋势1一系统设计技术 口在未来，海上风电的开发势必朝看深远海和大规模方向发展，商业化程度不断提高，对海上风电的可靠性，经济性等方面要求也随之提高，在系统设计方案方面的创新为关键， 关键技术发展趋势2一系统控制技术 口从技术发展趋势看，同步控制方法的研究重点正在从单一性能优化转向多模式自适应控制 03 01 02 面向多端海风柔直系统的控制技术 海风柔直系统的构网型控制技术 系统宽频振荡抑制技术 随着大规模海风的接入，电力电子化不断提高并且伴随差不同时间尺度的控制作用叠加，系统易发宽频域振荡，未来需要重点考虑对宽频振荡的抑制。海上风电场抑制振荡主要通过在风机级、场站级和系统级部署多层次协调控制策略来实现， 随着海上风电场的集群化开发，多端直流电网将成为未来海上风电并网的主流架构。在这一发展趋势下，系统控制技术面临若更复杂的运行环境和更高的稳定性要求，因此，未来的研究方向将更加注重分布式协同控制策略的开发与应用 随着电力系统中同步发电机比例的下降直流电网的慢量支撑问题日益凸显。虚拟惯性控制技术的应用，可以有效提升系统抗扰动能力，改善频率和电压的动态稳定性。 -海上风电柔性直流技术与装备的运行维护技术未来将朝看智能化、高效化、可靠性和可持续性方向发展，以应对远海风电大规模开发带来的挑战，总体来说表现为远程运维、无人值守、智能监测等。 （1）远程运维技术，构建起"风机·云端-运维中心”的数据传输链路，（2）无人值守技术，融合智能感知、自动控制与安防体系。（3）预测性维护，运用机器学习算法，预测剩余寿命，（4）智能调度，对运维资源（如无人机巡检、运维船出海）进行智能调度， 全面的海上风电柔性直流送出一体化监控系统，整合了柔性直流控制保护系统升压站监控、风功率预测等多个子系统，对各主要电气设备提供了完备的监控功能，实现实时监视与控制、辅助监控及预警、生产运行管理等三大方面应用 核心装备发展趋势1一柔性直流换流器 在海上风电送出应用场景下，如何在输送容量提升的同时降低海上平台的尺寸和重量，是国内