编者按
海上风电具有资源丰富、发电利用小时高、靠近负荷中心、不占用土地和适宜大规模开发的特点，是全球风电发展的最新前沿和技术制高点。近年来，我国沿海地区海上风电建设规模迅速增长，并逐渐由近海向深远海域推进。面对海上风电大规模建设运行的现实需求，学术界和工业界面临一系列亟待解决的技术挑战，亟需理论上的研究和突破。本刊自2020年策划“大规模海上风电系统关键技术研究与应用”专辑以来，持续关注海上风电领域相关发展方向，特别推出“海上风电系统关键技术”专栏。本专栏长期征集海上风电领域最新研究成果，并适时开展专题报道，希望能为大规模海上风电系统发展的前沿成果、最近进展、关键技术问题与解决方案及未来发展方向提供有益思考与启发。
海上风电系统关键技术
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作者：余宙，袁智勇，宋强，邹常跃，卢毓欣，曾嵘
单位：清华大学电机工程与应用电子技术系，直流输电技术全国重点实验室（中国南方电网科学研究院有限责任公司）
摘要：为了经济和高效地实现千万千瓦级海上风电基地多个低频交流送出通道的功率汇集，并与陆上直流输送线路进行有机衔接，提出了大规模海上风电功率集线器的概念及其实现方法。各海上低频交流输送通道上岸后分别接入功率集线器的对应接口单元。接口单元的核心是简单的柔性化二极管整流器，在保持低成本、紧凑化的前提下具有灵活可控性，将对应通道的低频交流输入变换为直流后汇集到直流母线，且各接口单元能够实现独立的黑启动和功率控制。所有输入通道的功率在集线器的直流母线汇集后，可以连接后续陆上直流线路输送至负荷中心。文中提出了海上风电功率集线器的拓扑、基本设计方法和控制策略。与现有海上风电低频交流输电方案的比较表明，所提功率集线器方案具有更优的经济性、可靠性以及紧凑化水平。仿真结果验证了所提出的海上风电功率集线器的有效性。
作者：甘慧辰，肖晃庆，黄莹
单位：华南理工大学电力学院，广东省绿色能源技术重点实验室（华南理工大学），浙江大学电气工程学院
摘要：在众多海上风电送出方案中，基于二极管整流单元（DRU）和模块化多电平换流器（MMC）并联的方案具有显著的经济效益，受到了广泛关注。相比于纯柔性直流送出方案，DRU-MMC并联送出方案的海上换流平台具有更小的体积、重量和成本。在此方案中，DRU传输绝大部分功率，小容量MMC则提供风机启动所需功率、电压和频率支撑以及补偿由DRU引入的谐波电流。针对DRU-MMC并联送出拓扑，提出有功功率分配策略和谐波补偿策略，使功率在DRU和MMC之间合理分配。在MMC主要功能实现的前提下，分析了MMC最小容量的选取。从投资和运营两个方面，对比了MMC和DRU-MMC并联两种送出方案海上换流平台的成本差异。最后，在PSCAD/EMTDC平台上进行了仿真，验证了所述策略的有效性。
作者：贾锋，王麒铭，张雅君，符杨，杨心刚，章旭，袁宁谦
单位：武汉理工大学自动化学院，广东电网有限责任公司佛山供电局
摘要：柔性低频输电因其在中远海风电送出场景下具备较优的送出经济性而受到越来越多的关注。现有的低频输电风电系统采用恒压恒频的交流电传输电能，是低频输电和变速恒频风电技术的简单组合，这种组合易于工程实现，但没有充分考虑电压变换自由度这一关键因素。文中提出一种基于柔性低频输电风电系统的变电压运行控制方法，通过动态调整输电电压以适应不同风速下的发电要求。在这种运行方式下，提出一种与之匹配的风电机组动态最小直流母线电压控制方法，并形成一种无DC/DC变流器的宽范围机组直流母线电压频率支撑技术。进一步，就变电压运行方式的暂态过调制问题和损耗影响开展了分析，论证了无过调制风险和总损耗不增反降的原因。最后，通过仿真验证了所提控制方法的可行性及其在系统损耗、故障暂态电流、电网频率支撑方面的优越性。
作者：何佳伟，魏杰，戴魏，李斌，周博昊，吴通华
单位：智能电网教育部重点实验室（天津大学），南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司）
摘要：基于模块化多电平矩阵换流器（M3C）的柔性低频输电系统在中远海风电外送、异步电网互联等方面优势突出。然而，有别于模块化多电平换流器（MMC）等其他电力电子换流设备，M3C的控制策略将导致系统故障特性发生显著变化。现有将电力电子设备负序部分等效为开路的故障等值与响应特性计算方法无法适用。文中计及M3C正序定电容电压总平均值控制、负序电流注入控制以及环流控制分层构成的桥臂电容电压均衡策略，推导了工频侧线路故障以后，M3C输入输出功率均衡、桥臂功率均衡（电容电压均衡的必要条件）与正负序电压电流间的映射关系，由此构建了工频侧线路故障（不对称、对称）后的M3C输出电压电流响应特性的等效模型。在此基础上，提出了M3C接入下工频侧线路故障后电压电流响应特性的精确计算方法。最后，基于PSCAD/EMTDC仿真平台，搭建了海上风电柔性低频送出系统仿真模型，通过大量仿真算例充分验证了所提故障特性分析方法的正确性和精确性。
作者：杜云飞，沈欣炜，郦洪柯，李佳蓉，陆柏安
单位：清华大学深圳国际研究生院，中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，清华大学电机工程与应用电子技术系
摘要：海上风电制氢是提升海上风电场经济性与风电消纳率的重要发展方向，其中，分布式海上风电制氢由于无须配备昂贵的高压海底电缆和海上变电枢纽平台，是深远海风电场制氢可预期的首选方案。然而，尾流效应的存在使得不同微观选址方案下的分布式平台制氢能力存在差异，并进一步影响电解槽的容量优化配置。因此，以分布式海上风电制氢平准化制氢成本（LCOH）最小化为目标，提出了考虑微观选址的电解槽容量优化配置方法。首先，对基于Larsen尾流模型的平台间耦合特性、单个平台内风机与电解槽运行特性进行建模，并嵌入所提出的电解槽容量优化配置模型。其次，在容量优化配置模型中同时考虑平台的微观选址，基于分解-协调的思想，将原问题拆分并迭代求解。最后，以中国江苏省某深远海域实际数据为例进行仿真验证，所得方案的LCOH与既有方案相比大幅降低，验证了所提容量优化配置方法的有效性。
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