一  海上风电发展方向

1、海上风电向深远海发展

从海上风电技术的当前发展趋势来看，为了获取更多的风能，海上风电平台有单个项目装机量越来越大，离岸距离也由近及远的趋势发展。以德国、英国为代表的海上风电技术领先国家已经率先布局深远海风电。德国目前在运的400 MW大容量风电场离岸距离均在100 km左右；2017年投运的Sandbank风电场装机288 MW，最远离岸距离达到123 km；已经核建的EnBW He Dreiht海上风电场计划装机900 MW，离岸距离103.6 km。英国已核准风电场Dogger Bank，其装机容量将达到4800 MW，离岸距离为131~290 km。

图1 海上风电平均水深和离岸距离预测

中国海岸线长，可利用海域面积广，海上风力资源储备丰富。风能资源普查结果显示，中国5~25 m水深、50 m高度海上风电开发潜力约2亿 kW，5~50 m水深、100 m高度海上风电开发潜力约5亿 kW。因此，考虑资源潜力、消纳能力以及近海海域用地日益紧张等因素，深远海风电将成为未来海上风电发展的重要方向。

2、传输容量越来越大

目前，我国海上风机容量主要以3~4MW风电机组为主。6MW机组也已经有实际应用。我国也正朝着研制大功率海上风机方向迈进。突破8 MW及以上高可靠性海上风机的关键技术已经被列入中国电机工程学会编制的《“十三五”电力科技重大技术方向研究报告》。如上海电气、南车株洲电力、明阳风电、东方电气在内的多家整机厂商引也都在全力研制大型海上风电机组。7月12日，由东方电气集团和中国三峡集团联合开发的我国首台10兆瓦海上风电机组在福建兴化湾二期海上风电场成功并网发电，这是目前我国自主研发并投入运行的单机容量亚太最大、全球第二大的海上风电机组，刷新了我国海上风电机组单机容量新纪录。海上风机平均单机容量呈逐年上升的态势。

二  全直流海上风电系统代表未来发展趋势

伴随着离岸距离越来越长，传统交流输电因为就近的接入电网主要是低压配电网，这样的输电系统R/X比值较大、短路容量较低；而使用HVAC并网方式需要接入电网的短路容量比较大，进一步制约了海上风电场的并网容量。此外，HVAC并网方式也意味着风电场和所接入的陆上交流系统必须保持同步，无论是风电场侧，还是系统侧发生故障都会直接影响到另一侧。随着离岸距离的增加，HVAC并网方式的经济性和可靠性会降低，使其在远距离大容量海上风电场并网中的应用非常有限。

因此，基于柔性直流的海上风电输送系统将成为未来海上风电发展的主要技术路线，其典型拓扑结构如下图2所示。

图2 海上风电集中换流平台柔性直流输电方式

鉴于现有海上风电场中存在的问题，以及柔性直流技术的不断发展，不仅使用直流技术进行风电场电能的输送和并网，在风电场内部也使用直流技术汇集电能的全直流海上风电场成为近年来的研究热点。使用直流技术汇集电能可以有效简化海上风电场从发电到并网的整个过程，避免对电能进行多次的整流、逆变和升压，从而减少系统投资、降低损耗；更为重要的是，全直流海上风电场采用了高频变压器和电力电子设备等，能够减轻海上平台载荷，降低建设维护成本。海上风电场采用直流汇集时，可通过使用重量更轻、功率密度更高的DC/DC变换器进行升压。此外，全直流海上风电系统采用压源型换流站，能够保持友好并网的性能，独立控制与电网交换的有功和无功功率，还可以保证良好的电能质量。可见，全直流海上风电场在设备的体积和重量、系统损耗、并网友好性、建设成本等方面均优于现有的海上交流风电场。

面向我国高效、低成本、大规模开发海上风能资源的巨大需求，适应海上风电传输容量越来越大、传输距离越来越远的发展趋势，风电场能量汇集和输送都采用直流的全直流海上风电系统具有重大技术创新导向。

三  海上风电全直流组网方式

目前直流海上风电场拓扑根据其升高直流电压的方式大体可以分为三类，即非直流升压方式、通过风力发电机的串联连接升高直流电压的方式和通过DC/DC变换器升高直流电压的方式。其中，海上风电DC/DC升压型汇集与输送系统即为全直流海上风电系统。

由于现有风电机组出口电压都比较低(690V)，经PWM整流后一般不会超过2 kV。如果在这个电压等级下进行直流连接并网，电缆损耗势必会比较大，直接影响传输效率，所以需要用DC/DC变换器将机组侧整流器的电压升高到风电场内部直流电网的电压水平。按照DC/DC变换器的数量及其在风电场中的位置，全直流海上风系统大致可以分为三类：两级升压结构、集中升压结构和机端升压结构。

1、两级升压结构

图3为两级升压型全直流海上风电场，由风力发电机发出的电能整流后先进行一次升压，然后经中压直流电网汇集到海上换流站后进行二次升压，最后通过高压直流输电线路输送至岸上交流系统。

图3 基于两级升压结构的全直流海上风电系统

这种结构下，风电场内部用直流电缆取代交流电缆；此外，由于风机侧直接接入DC变换器，不仅使得风场内的电缆损耗减少，且在得到更低损耗、更大传输容量、更省材料的优势的同时，也解决了原有的风场内部无功电压问题。全直流型风电场采用高功率密度的电力电子变换器，可省去笨重的工频变压器及多余的变电环节，降低海上平台的载荷。这种方式也代表了未来大型海上风电场汇流及远距离传输并网的发展趋势。但是在实际工程中的应用仍有待于高效率和高功率密度的高压大容量DC/DC变换器技术发展到成熟程度（虽然该拓扑在电能汇集过程中的能量损耗比较小，但由于需要进行二次升压，DC/DC变换器的投资比较大，由升压过程引起的能量损耗也比较大；附加的变换器并不会大幅改善功率因数，相反提高了控制的难度）。

2、集中升压结构

图4为集中升压型全直流海上风电场，由风力发电机发出的电能整流后经低压直流电网汇集到海上换流站，然后通过一次升压直接升至高压。

图4 基于集中升压型结构的全直流海上风电系统

这种采用单台DC升压器的风电场直流并网拓扑结构，可以有效避免因配置多台DC变换器导致的环流发生；同时，风机发出的功率经机侧VSC后，很有可能因为变换电平数不够，导致基波分量比重小而产生谐波，无法排除所有耦合量，实现完全单位功率因数运行，此时就可以在集中升压时通过对DC/DC变换器的控制，再次进行滤波，提高电能质量。此外，该拓扑在DC/DC变换器上的投资较小，由升压过程引起的能量损耗也相对较小，灵活性强，机组整流环节耦合性低，易于控制。这种拓扑还具有站间通信少，组成单元之间独立性强，可根据控制自由开断，便于检修的优点。然而，由于目前风力发电机机端线电压最高只有5 kV，因此低压直流电网的电压也比较低，从而导致电能汇集过程中的能量损耗比较大。

3、机端升压结构

图5为机端升压型海上直流风电场，由风力发电机发出的电能整流后通过一次升压直接升至高压，然后汇集到一起通过高压直流输电线路传输到岸上。

该拓扑不仅在DC/DC变换器上的投资较小，而且由于是在风力发电机出口处直接进行升压，电能汇集过程中的能量损耗也较小，此外机侧电压功率控制相对独。但是大量的DC/DC变换器直接连接在机侧整流器上，使得控制参数及耦合量变多，增加了机侧整体换流环节的控制复杂程度。此外，大量DC/DC变换器的安装，会增大风电场机侧的建设难度。

图5 基于机端升压结构的全直流海上风电系统

综上，机端升压结构无论是对岸能量输送还是风电场内部能量汇集均采用高压直流输电线路，因而线路损耗较小；集中升压结构仅需要一台直流变压器（或一个海上换流平台），因而其不仅投资较小，而且升压过程中引起的能量损耗也相对较小；两级升压结构不仅需要对每台风力机配置相应的直流变压器，而且需要建设公用的海上换流平台完成能量汇集与集中升压，因而该方案下直流变压器的投资以及系统的能量损耗相对较大。但值得注意是，无论是机端升压结构还是集中升压结构，其对于直流变压器的变比要求均达几十倍，在这样的高压大功率场合中，如此高的电压变比使得直流变压器的设计相当困难；而在两级升压结构中，每级直流变压器的变比可控制在十以内，因而从变比的角度而言，两级升压组网方式更易于工程实现。

下表从损耗、效率、投资成本、功率需求、变比要求、工程实现难易程度的角度对于全直流海上风电场组网结构进行了对比和总结。

表1 全直流海上风电场组网结构特性比较

四  技术趋势与研究方向展望

从装置层面看，全直流型风电场中的关键变换器均工作在高电压、大功率的环境下，采用 MMC技术是必然的选择，同时大功率 DC／DC 的实现也依赖于中频变压器的技术突破。

从控制层面看，大规模海上风电的接入对交流主网的稳定运行带来诸多挑战。主要体现在减小了电网的惯量，对电网频率变化无阻尼，无法为电网提供必要的频率支撑等。因此需要研究大型海上直流型风电场的电网友好并网机制与控制策略，为海上风场的运行控制提供理论依据。

从保护层面看，考虑到直流断路器的损耗和成本，研究新型可隔离直流故障的变换器技术，探索通过直流型风电场 中电力电子变换器的快速动作去实现直流故障的隔离意义重大。

随着海上风机的大型化发展、风场区域的不断扩大及柔性直流输电技术的进步，全部采用直流汇集和传输电力的全直流型海上风电场呼之欲出。全直流风场的规模将达到 400～1000MW、采用30～60kV的汇流电压和±320kV左右的输电电压。组建全直流风电场要解决的基础问题涉及到：风电场的组网方式、风电机组电力的直流变换与控制、直流升压变换与海上直流升压站的控制、岸上换流站的并网控制、直流风场的故障隔离与保护等。这些问题将是未来全直流海上风电的研究热点。

由于MMC具有高压、高效、灵活的特点，基于该电路拓扑可以解决直流升压问题，高变比直流升压问题的有效解决使得海上升压站采用直流并联能量汇聚方式的优越性凸现，这样海上升压站的技术关键就凝聚到单入单出、高变比DC／DC上。另外，大规模海上风电的集中并网给电网造成大的冲击、影响电网的稳定运行，而直流风场经岸上换流站这一大型逆变器并网，为实施风电场友好并网控制创造了条件，目前的控制策略使风场对电网体现为电流源性质，无法为 电网提供惯量和阻尼，需要研究风电场的电压源型控制方法。

以400～1000MW的海上风场为背景，需重点研究的发展方向包括 ：1)风电机组电力的高效直流电力变换与控制；2)海上升压站用高变比直流升压变换与控制；3)全直流风场的 电网友好并网机制与控制策略。解决上述关键技术问题，将会对大型海上全直流风电场在未来的工程实现产生巨大的推动作用。适时开展针对深远海全直流型风电场的研究，具有现实的理论意义和应用价值。