大规模海上风电新兴集输技术综述：中频交流集电、直流集电与混合换流器HVDC的创新发展

《Journal of Modern Power Systems and Clean Energy》：Review on Emerging Collection and Transmission Technologies for Large-Scale Offshore Wind Power

为解决大规模远海风电并网面临的成本高、平台重量大及系统稳定性等挑战，研究人员开展了新兴集电与输电技术主题研究。本文系统分析了中频交流(MFAC)集电、直流(DC)集电及无变电站交流集电三种集电方案，以及基于紧凑型模块化多电平换流器(MMC)的VSC-HVDC、二极管整流单元(DRU)基HVDC和混合换流器基HVDC三种输电技术。研究总结了关键技术进展、核心挑战与发展趋势，为优化海上风电工程设计与可靠性提供了重要理论依据与实践指导，对推动海上风电规模化、经济化并网具有关键意义。

　　

在全球应对气候变化和加速碳减排的背景下，海上风电正朝着更大规模、更远距离和更深水域的方向快速发展。截至2023年底，全球海上风电累计装机容量已达75.2吉瓦，年增长率约17.2%。中国、英国、德国和美国等国家还设定了2030年海上风电装机目标，分别为60吉瓦、50吉瓦、30吉瓦和30吉瓦。尽管海上风电增长显著，但将如此大规模的风电接入陆上电网仍面临巨大挑战。

传统上，基于电压源换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)被广泛用于远海风电并网。例如，德国2010年投运的BorWin1项目容量为400兆瓦，换流平台重约5000吨；而2019年投运的BorWin3项目容量增至900兆瓦，平台重量高达18500吨。随着输电容量持续增加，海上换流站关键设备的尺寸和重量也相应增长，给安装、运输和维护带来巨大挑战，形成重要的经济和技术壁垒，严重制约了远海风电场的规模化开发。

为提升远海风电并网系统的成本效益和可靠性，学者们在集电和输电层面提出了多种创新方案。在集电层面，主要技术包括中频交流集电、直流集电和无变电站交流集电；在输电层面，则聚焦于紧凑型MMC基VSC-HVDC、DRU基HVDC和混合换流器基HVDC三大方向。这些技术通过优化设备结构、改进控制策略和整合系统功能，旨在降低平台体积与重量，提升系统效率和稳定性。本文综述了这些新兴技术的发展现状、关键技术难题和未来趋势，为海上风电项目的设计与优化提供了实践指导。

为开展本项研究，作者团队采用了系统文献综述法与技术比较分析法，重点考察了不同集电与输电拓扑结构的技术成熟度、经济性指标和工程适用性。研究涉及对模块化多电平换流器(MMC)的电容电压波动抑制策略（包括拓扑改进与控制优化）、二极管整流单元(DRU)基系统的电网形成控制与黑启动方案，以及混合换流器容量设计与协调控制等关键技术的深入分析。同时，结合现有示范工程数据（如DolWin5、BorWin系列项目）和行业路线图，对各项技术的工程应用前景进行了评估。

在集电技术方面，中频交流(MFAC)集电通过将系统工作频率从工频提升至中频范围（100-200赫兹），显著减小了变压器和滤波器的尺寸，但同时也增加了电缆充电电流和损耗。直流(DC)集电则分为无变电站型和有变电站型，后者可进一步划分为并联联网和串联联网结构。并联结构通过多个隔离DC/DC变换器提升电压，有利于系统可靠性但增加了体积；串联结构通过"DC/AC+AC/DC"变换器逐级升压，减少了子模块数量但控制复杂。无变电站交流集电方案（如66千伏直连）通过省去集电变压器，降低了平台投资，已在DolWin5等项目中成功应用。

在输电技术方面，基于紧凑型MMC的VSC-HVDC通过拓扑改进（如高中脉动运行模式、共享中间子模块、附加有功滤波器或功率回路）和控制优化（如环流抑制控制(CCSC)、环流注入控制(CCIC)、三次谐波电压注入(THVI)及双谐波注入(DHI)）减小子模块电容电压波动，从而降低电容体积与成本。DRU基HVDC具有体积小、成本低、效率高等优势，但缺乏电网支撑能力，依赖具备电网形成控制能力的风力发电机，且需要辅助启动方案（如辅助电缆/线路或柴油发电机、储能系统）。混合换流器基HVDC结合了DRU的经济性和MMC的可控性，主要包括DRU与MMC串联和并联两种构型。串联结构中，DRU传输大部分有功功率，MMC负责电压频率支撑和谐波补偿；并联结构中，小容量MMC与DRU在交直流侧并联，提供无功补偿与谐波抑制，无需额外滤波器。

研究结论部分强调，中频交流集电在降低平台关键设备尺寸方面具有潜力，但需优化频率以平衡电缆成本；直流集电可显著降低平台与电缆成本，但高功率DC/DC变换器等关键设备设计仍是挑战；无变电站交流集电通过简化架构已展示出良好经济性。在输电层面，紧凑型MMC基VSC-HVDC需关注附加器件和控制策略对经济性与稳定性的影响；DRU-HVDC的商业化应用受限于电网形成风机技术的成熟度；混合换流器基HVDC在容量设计、协调控制和稳定性分析等方面仍需深入研究。未来远海风电并网技术将朝着整体系统优化、高效率、高可靠性和低成本的方向发展，为海上风电的大规模部署提供关键技术支撑。