6月3日，国网浙江省电力有限公司电力科学研究院与台州供电公司联合完成了台州柔性低频输电示范工程中低频风电机组的并网试验。就在9天前，该工程的柔性交流换频阀带海缆运行试验取得成功，首次实现20赫兹低频交流电在海底电缆上的功率传输，迈出了柔性低频输电技术应用的关键一步。
为了让中远海风电高效、经济送出，浙江电科院组建柔性低频输电技术攻关团队，创新研究电网柔性低频互联技术及风机低频接入技术，并在35千伏柔性低频输电示范工程中应用，提升海缆输送风电的能力，改善新能源发电的并网特性。该工程在台州落地，主体包含低频风机、低频海缆、柔性交流换频站等，构建了陆地-海岛-风机20赫兹柔性低频输电系统。
20赫兹 中远海风电送出更经济
为促进“双碳”目标实现，“十四五”期间，浙江省重点发展海上风电，着力打造海上风电基地。随着近海风电项目的站址资源日趋紧张，中远海因具有更广阔的海域、更丰富的风能资源，成为海上风电开发布局的新战场。目前，近海的风电主要采用50赫兹交流方式传输。由于海缆的充电无功功率相对较大，有功功率的传输受限，风电传输距离一旦超过70千米就很难有效送出。
柔性低频输电技术攻关团队成员倪晓军介绍，柔性直流输电(频率为0赫兹)不存在海缆充电无功功率问题，有效传输距离更远。但该方式需要配备大型海上换流平台，在200千米以外的远海风电送出时更具经济优势，用在离岸200千米内的中远海风电送出时成本偏高。
为此，攻关团队开展了电网柔性低频互联技术和风机低频接入技术研究。该技术通过电力电子装置控制，可灵活选择0至50赫兹的频率输送电能，既具有与柔性直流输电相似的功率控制、电压动态调整、异步电网互联等功能，又兼有交流输电方式的电压变换容易、组网便捷等优势。而且采用该技术不用建设和运维大型海上换流平台。
确定了技术路线只是开始，结合传输距离、输送容量选择合适的频率才能高效、经济输电。攻关团队于2019年开展了柔性低频输电系统的典型应用研究，结合柔性低频输电的传输能力分析、损耗分析和设备选型，建立了柔性低频输电技术经济评价方法。根据未来海上风电建设的容量趋势，攻关团队结合技术、经济多种因素，以100万千瓦风电实现200千米有效输送为目标，综合考虑海岛互联及城市供区互联等应用场景，选取了20赫兹作为柔性低频输电系统频率。
经过计算验证，攻关团队确定20赫兹输电的适宜距离为离岸70千米至185千米的中远海范围内，可实现百万千瓦风电全额送出，比柔性直流输电更具经济性。
应用M3C 频率转换更高效
我国负荷侧应用的是50赫兹的工频交流电，通过低频传输后的电能还需经过频率转换方可并网。近年来，随着电力电子技术的快速发展，模块化多电平矩阵变换器(M3C)拓扑逐渐成熟。该拓扑结构具有模块化程度高、输出谐波特性好等优势。2021年2月，攻关团队提出将M3C拓扑应用于当时正在规划中的台州柔性低频输电示范工程，以实现高效的电能频率转换。
但要实现工程应用还需突破诸多技术难题。为实现高效的频率转换，攻关团队需要考虑M3C换频阀与低频风机、低频海缆等各类设备之间的协同联接，解决主回路参数设计、过电压与绝缘配合、控制和保护系统设计等多方面的问题。同时，M3C换频阀由众多功率子模块组合而成，不同频率的能量在各模块中分散交换，风电接入引起的随机波动也导致系统运行工况更为复杂，换频阀精准控制难度较大。
为此，2021年5～9月，攻关团队先后针对不同的应用场景开展工程的建设方案和设备参数设计，调整合理的参数和控制策略，以解决M3C换频阀应用于电网时可能存在的过压、过流等问题。攻关团队对M3C换频阀、低频风机、低频海缆等设备进行了系统行为分析和控制策略研究，历经30万余次仿真验证，确定了换频阀、低频变压器等工程设备的核心参数，设计了不同运行工况或故障情况下M3C换频阀的针对性控制保护策略。
设计过程中，攻关团队提出采用降压-转换-升压的换频设计，通过参数选配实现较低的电压等级下转换频率，将35千伏电压等级的换频过程，替换为降压至12千伏转换频率后再升压的过程，利用各功率子模块的额定通流能力，降低换频阀过电压和绝缘要求，同时节约设备制造成本。2021年9月20日，随着团队完成最后一组过电压绝缘计算和避雷器选型，工程的成套设计基本完成。
为进一步实现频率转换的精准控制，攻关团队对换流阀的配套控制保护装置开展实验室仿真联调，采用数模混合闭环仿真技术，全面模拟工程应用中可能出现的运行工况，于2021年11月至2022年4月先后开展了控制、保护、故障穿越等22个大项的试验，改善M3C换频阀运行性能，把频率转换效率提高至98%以上。5月8日，该换频阀在工程的盐场换频站中正式解锁运行。
测试设备性能 推进工程应用
台州柔性低频输电示范工程采用风机低频接入技术，将大陈岛上的风电进行低频汇集，经低频海缆输送至陆上柔性交流换频站，再通过频率转换将风电汇入大电网。工程投运前，需对关键设备开展投运前的各类性能试验。由于该工程所用的低频设备均为特制的国内首套20赫兹额定频率设备，传统的工频试验方案和试验仪器不再适用。
2021年8月起，攻关团队研究频率变化对设备运行特性的影响，历时半年主导编制完成一套适用于20赫兹低频关键设备的试验大纲。大纲涵盖低频变压器、低频开关柜、低频互感器等设备的型式、出厂、交接试验的全部试验项目，明确了各项试验频率、关键参数、试验方法及判据。
针对需在低频条件下开展的部分试验，攻关团队研究低频设备的频率特性和试验原理，主导研制了国内首套低频试验仪器，可开展工程投运前必备的10种试验项目。4月11日至27日，浙江电科院联合台州供电公司在工程现场采用该套仪器完成了台州柔性低频输电示范工程低频设备的参数测量，对设备状态进行了“全面体检”。
除了变频站内关键设备外，低频海缆运行状态的检测和评估也尤为重要。为检验低频海缆绝缘质量，攻关团队进行了长距离低频海缆的振荡波局部放电试验，分析低频海缆的局部放电特征，定位局部放电位置，确保海缆“健康”。5月9日，这条海缆在台州完成敷设，全长达25.7千米，成为台州大陈岛与大陆之间风电输送的“桥梁”。
目前，台州柔性低频输电示范工程进入投运前的调试阶段。浙江电科院正陆续开展多类试验，保障工程顺利投运。（谢浩铠 马钰 朱李）
