海上风电发展背景与关键技术
海上风电发展背景
- 市场规模与趋势：预计到2025年，中国海上风电累计装机容量将超过1亿千瓦，2030年达到2亿千瓦，2050年不少于10亿千瓦。全球海上风电累计装机容量到2050年至少达到20亿千瓦。中国海上风资源70%集中在远海，大规模远海风电集中开发与送出成为趋势。
- 中国海上风电市场：中国拥有约3009GW的海上风电可开发装机容量，相当于约130个三峡水电站的装机容量。中国“十四五”时期已规划超过65GW，欧洲2021-2025年海上风电将新增装机21.8GW。
- 海上风电汇集与送出：目前主要包括交流和柔性直流两类送出方案。交流送出方案适用于离岸距离70km以内，容量小于1000MW的近海风电场；直流送出方案适用于70km及以上的深远海风电场。
- 深远海风电柔性直流送出：是全球未来发展的重要趋势。2023年，德国、荷兰完成了14人±525kV/2000MW工程招标合同。中国起步相对较晚，但已投运、在建、规划了多个深远海风电柔直工程。
深远海风电柔直送出关键技术
- 风场110kV交流汇集：采用110kV交流汇集相较于66kV汇集方案，综合造价降低约25%。对于单机容量15MW以上的海上风电场，采用110kV交流汇集是更高效、更紧凑、更可靠、更符合中国国情的技术路线。
- 宽频振荡抑制：国内已投运的新能源柔直并网工程频繁发生宽频振荡现象。中国电气装备联合上海交大开展基于阻抗法的宽频振荡自适应抑制技术攻关，取得了阶段性研究成果。
- 精细化阻抗建模：提出了基于模块化、多端口的频域阻抗建模方法，建立了直驱风机、双馈风机等新能源发电单元的精细化宽频阻抗模型。
- 次/超同步振荡机理：次同步振荡（<50Hz）机理为风电场的感性负电阻特性与柔直送端MMC的容性特性相互作用；超同步振荡（50-100Hz）机理为风电场的容性负电阻特性与柔直送端MMC的感性特性相互作用。
- 中/高频振荡机理（>200Hz）：柔直海上MMC的感性负电阻特性与风电场的容性特性相互作用，主要由MMC内外环控制、电压前馈等环节控制延时引入负阻尼以及海上风电场的容性元件引起。
- 海上高功率密度柔直换流阀关键技术：
- 子模块容值对动态换流特性的影响规律。
- 基于桥臂主动环流注入的电容参数优化设计：通过功率因数、电压调制比、桥臂电抗器、环流抑制控制、环流注入控制等参数优化，降低电容波动率。
- 低容值下电压波动平抑控制策略：桥臂电流有效值和电容电压波动率均有大幅降低。
海上风电核心装备
- 中国电气装备：具备全产业链的设计、供货、运维、试验等能力，为多个海上风电工程提供全套设备。
- 海上风电紧凑型交流GIS：电压等级涵盖72.5kV、126kV、252kV、363kV、550kV，具有高可靠性、高通流、紧凑型、轻量化、高防腐性等技术特点。
- 直流GIS与低频GIS：率先研制了国内首台套土210/±350/±550干伏直流GIS，技术水平处于国际领先。72.5kV/252kV低频GIS应用于世界首个高压大容量低频换频站。
- 换流阀与耗能装置：具备土800kV/5000MW及以下全系列柔直换流阀产品的设计、生产、试验能力，是目前国内首家，也是唯一一家具有海上柔直换流阀与直流耗能装置运行业绩的公司。
- 海缆：新建海缆生产基地（山东泰昇海缆有限公司）位于山东威海，掌握220kV海缆软接头结构设计方法和关键制备工艺。
智能运维
- 中国电气装备：研制了海上风电电气装备物联网传感器、智能运检装备、集中监控系统。
- 水下机器人（ROV）：工作水深200米，最高速度5.8节，最大载荷50干克，可搭载多种设备，能够完成海缆巡检、路由探测、故障定位等任务。
- 关键装备：
- 智慧GIS：集成了状态监测、智能控制和互感器等三大系统，实现设备运行关键信息的全面监测和智能控制。
- 数字化换流阀：综合知识图谱、机器学习和深度学习等技术构建数据处理模型，实现换流阀“可观、可测、可控”。
- 海缆生产过程智能质检：研发海缆生产过程的机器视觉检测系统，实现产品关键工艺环节质检100%全覆盖，用AI替代人工质检。
- 面向数字李生应用的装备轻量化降阶技术：研发了高精度多物理场仿真模型的降阶技术，实现电力设备多物理场仿真秒级或分钟级快速计算。
研究展望
- 提升海上换流站轻型化紧化设计水平：通过优化绝缘水平、设备参数、采用模块动态穴余策略等。
- 提升海风柔直送出系统可靠性与稳定性：通过柔直多端组网、源网协同等技术。
- 宽频振荡在线评估技术：基于人工智能大数据-知识融合驱动的振荡风险在线评估及振荡定位。
- 深化应用人工智能、大数据、数字李生等技术：实现关键装备缺陷至故障状态特征提取、故障诊断与主动预警等功能。
- 深化深远海风电柔直送出关键技术研究和核心装备研制：充分利用数字化技术，实现装备运行状态全面感知、认知。
