值此清华大学能源互联网创新研究院成立十周年之际，我们推出“建院十周年学术特辑”专栏，精选院内各研究团队已发表的学术成果，系统呈现研究院在能源互联网领域的前沿研究。本期推出直流研究中心的学术论文，发表于《电力系统自动化》。
研究背景
中国目前已经进入规模化开发海上风电、海上风能资源集中连片开发利用的阶段。在此背景下，千万千瓦级深远海上风电基地的送出面临更为复杂的挑战。由于海底电缆电压等级和容量仍受到限制，面对千万千瓦级海上风电基地，需要采用多条输送通道将超大规模海上风电送至岸上。并且超大规模海上风电无法在登陆点就地消纳，通常还需要再通过架空线直流继续输送至数百千米外的一个或多个负荷中心。现有的海上风电输送方式都是在登陆后经换流就地接入交流电网，并没有考虑如何更为经济、高效地实现多输送通道功率汇集，以及如何与后续陆上直流输电线路进行有机的衔接。
研究内容
2.1 大规模海上风电功率集线器拓扑结构
本文所提大规模海上风电功率集线器拓扑及其系统架构如图1所示，包括功率输入接口与变换单元(PICU)、高压直流汇集母线和功率输出接口等几部分。功率集线器中设置有多个PICU，各海上输送通道到达岸上后分别接入所对应的PICU，在PICU内部进行功率变换。多个PICU的高压直流输出并联在一起，形成功率集线器的直流汇集母线。所有海上输送通道的功率汇总到直流母线后，经过功率输出接口送出。输出接口可以采用简单的开关或直流断路器。根据海上风电功率消纳方式的不同，功率集线器的输出可以在登陆点就地经模块化多电平换流器(MMC)转换接入交流电网，或者经过一条直流线路远距离输送后再经MMC转换接入负荷中心交流电网，或者通过多条直流输电线路远距离输送后再分别通过MMC转换接入多个负荷中心交流电网。
图1 大规模海上风电功率集线器拓扑及其系统架构
2.2 PICU拓扑组成及其关键参数设计原则
为了最大程度降低成本和占地，并保持适当的灵活可控特性，所提方案采用柔性化二极管整流器(FDR)作为PICU的核心电路，具体拓扑如图2所示。
图2 PICU结构示意图
FDR由具备直流电压可调能力的小容量低频辅助MMC(LFA-MMC)与全容量的12脉动二极管整流器(DR)串联混合构成，在保持较低成本和体积优势的同时，通过小容量LFA-MMC使FDR具有可控性。LFA-MMC能够建立海上低频系统的交流电压，还具备对DR产生的无功功率和谐波进行补偿的能力。在直流侧，借助LFA-MMC的可变直流电压，FDR能够在一定范围内灵活调节其直流电压，从而可以实现LFA-MMC的电容电压平衡和FDR交直流侧功率的平衡。为了实现海上风电场的黑启动，在LFA-MMC的直流侧并联了一个启动用辅助二极管整流器(auxiliary DR，A-DR)，从而通过陆上电网和A-DR为海上风场提供黑启动功率。
为了实现多端直流系统中各端功率的独立调节，LFA-MMC需要具备一定范围的电压调节能力。考虑到DR及其整流变压器的等效换相电阻导致的压降，LFA-MMC直流电压额定值典型设计值为直流母线电压的5%左右。根据有功、无功功率以及滤波三方面的容量需求，LFA-MMC的容量典型设计值约为PICU额定容量的17%。
2.3 正常运行控制策略
如图3所示，功率集线器实际是一个围绕直流汇集母线的多端直流系统。受端则由一个或多个MMC构成，各受端MMC共同实现将直流汇集母线的电压控制在额定值UdcN。多个PICU相当于多个送端换流器，每个PICU的直流输出相当于分别通过DR的等效换相电阻Rc接入直流汇集母线。各PICU交流侧运行于V/f模式以控制公共耦合点（PCC）电压，还可以附加有源滤波控制，实现对DR交流谐波电流的有源补偿；另一方面，通过调节各自传输到直流汇集母线的电流和功率，可实现PICU低频侧与直流侧功率平衡以及LFA-MMC电容电压平衡。
图3 海上风电功率集线器运行控制关系框图
2.4 故障穿越控制策略
当某条低频交流通道发生短路故障时，故障特性和保护策略与现有的风电场孤岛方式接入柔性直流系统的送端交流故障类似，主要可以依靠风机变流器和MMC各自具有的交流故障穿越能力实现故障穿越。
功率集线器系统的受端电网故障与现有海上风电柔性直流系统所面临的受端电网故障也类似，可以同样采用卸荷电路来实现受端电网故障穿越。
由于超大规模海上风电需要通过直流架空线向远方负荷中心继续延伸输送，故需要考虑直流架空线故障清除方案。与现有的基于架空线的柔性输电系统类似，可以在各输出接口分别配置直流断路器，通过直流断路器来实现直流故障的清除和故障的隔离。
2.5 研究案例分析及比较
以一个容量为10 GW的超大规模海上风电基地为研究案例，从经济性和可靠性的角度对本文所提的功率集线器方案与现有海上风电低频输电方案进行分析和比较。图4给出了各种汇集和输送方案的示意图。
图4 基于超大规模海上风电研究案例的各类低频交流汇集及输送方案
基于模块化多电平矩阵换流器（M3C）的方案需要经过低频交流/工频交流/直流的多级功率变换，所需换流站数目多，导致成本高、占地大等问题，并且转换效率也低。在需要岸上汇集和陆上直流输送的应用场景下，基于M3C的方案并不具备经济性。
对于基于低频MMC的直流侧汇集方案，多个低频MMC体积巨大，难以集中在一个换流站中建设，而多个换流站将带来更大的占地需求和建设成本。对于基于低频MMC的低频交流侧汇集方案，将所有低频交流通道直接联系在一起将带来更大的控制和运行难度。而且10 GW的低频MMC换流站的成本和体积同样存在巨大挑战。
基于功率集线器的汇集和传输方案采用FDR作为各通道功率接口，可直接将低频交流转换为直流，变换环节少，转换效率高。而且各通道相互独立运行，提高了运行可靠性。各通道接口中DR是其主要的功率变换部分，LFA-MMC容量占比只有约17%，只需少部分采用全控开关器件，子模块电容用量也较少，使得在一个换流站中实现10 GW的功率集线器成为可能，在成本和占地方面更具优势，且受这些全控开关器件、子模块电容等关键器件可靠性影响的程度也更低，在维护成本上更有优势。
综合上述分析，在表1中对各种方案的关键特性进行了归纳总结。
表1 超大规模海上风电汇集及输送方案比较
讨论
本文所提的功率集线器方案主要面向的是海上风电低频输电方式。在一定距离和容量范围内，低频交流输电具有一定的经济性优势。但是对于距离更远、容量更大的深远海大容量风电场，柔性直流输电将是更为经济的选择。超大规模海上风电的功率集线器还应考虑能够兼容低频交流和直流输送通道的接入。考虑到汇集后的功率可能达到10 GW级，陆上直流架空线的电压等级将达到±800 kV，而目前直流海缆最大电压等级也仅到±525 kV。这意味着需要采用直流变压器来实现海上直流输送通道与陆上架空线路的连接。目前的直流变压器技术在如此大的电压和容量等级下距离实际工程仍有差距。因此，基于海上风电场接入的技术特点，以提高经济性、功率密度和工程可实现性为目标，研究适用于海上风电功率集线器的新型直流变压器技术也将是后续的一项重要工作。
结论
为了实现超大规模海上风电基地的多条海上低频交流输送通道低成本、高效的统一接入和功率汇集，并实现与后续陆上直流输电线路的有机衔接，本文提出了用于大规模海上风电低频交流送出的功率集线器概念及其实现方法。所提出的海上风电功率集线器由多个PICU、高压直流汇集母线和功率输出接口等几部分构成。各PICU分别为所连接的海上低频交流输送通道提供接口，完成低频交流到直流的功率变换。PICU的核心为FDR，具有DR低成本、紧凑化的特点，并能够利用LFA-MMC实现柔性化，使各PICU能够实现独立的黑启动和功率控制。在多条海上通道的功率在直流母线上汇集后，可通过多条直流输电线路远距离输送后再分别通过MMC转换接入多个负荷中心交流电网。对于千万千瓦级海上低频交流风电基地的多通道送出场景，各通道无须在岸上分别设置成本高、占地大的换流站，通过功率集线器可以实现高效、统一的接入和功率汇集。
作 者 介 绍
宋强：男，通信作者，博士，副教授，博士生导师，主要研究方向：柔性直流输电技术、新型功率变换技术。E-mail：songqiang@tsinghua.edu.cn
余宙：男，博士研究生，主要研究方向：新型功率变换技术。E-mail：yz21@mails.tsinghua.edu.cn
袁智勇：男，博士，教授级高级工程师，主要研究方向：柔性直流输电技术。E-mail：yuanzy1@csg.cn
团 队 介 绍
直流研究中心依托清华大学电机系，结合清华大学能源互联网创新研究院和清华四川能源互联网研究院，组建了兼具高水平学术研究、前瞻性技术创新、实用化产业发展的研究团队。
2022年，作为首批团队，入驻怀柔实验室(能源领域国家级新型科研机构)。中心研发工作也是“新型电力系统运行与控制”全国重点实验室的重要组成部分。
秉持“器件—装备—系统”贯通式研发理念，系统开展高压大容量功率半导体器件IGCT-Plus、高中低压系列化直流变换及开断装备、直流系统规划设计的创新研发、示范工程应用和标准化建设等工作。