在中国，14亿人口大部分集中在东部和中东部地区，重要经济活动也主要分布在沿海地区。要保证东部地区正常用电，以往就只能从能源丰富的西部地区输送电能到东部和南部。
但是现在，能源消耗还有另一个选择——海上风电。
电能难以储存，要远距离输送就需要建设“电力高速公路”。陆地上的“电力高速公路”技术早已不是难题，但“海上电力高速公路”则不然，如何在变化莫测的深远海中，兼顾经济性和技术性，建设一条“深海电力高速公路”，让大容量风电在环境恶劣的深海中“踏浪前行”并被准确输送到负荷中心?
在广东阳江三山岛海上风电柔直输电工程(以下简称“三山岛工程”)建设中，南方电网给出的方案是——超大规模海上风电海陆一体直流输电技术方案。
原创性技术开辟输电模式新路径
在广东阳江，三山岛工程陆上关键线路江门段施工现场，工程车辆往来穿梭，巨型吊臂如钢铁巨擘起起落落，施工正紧锣密鼓地推进。
这一工程是全球首个±500千伏海上风电海陆一体、超远距离的柔性直流输电工程，它将实行一种新型的海上风电输电方案，经济高效地破解千万千瓦级海上风电开发送出瓶颈。
同样是远距离海上风电输送，三山岛工程的新型输电方案主要“新”在哪?“我们在国内首次提出的‘超大规模海陆一体柔性直流协同输电技术’。”南网科研院直流输电与电力电子技术研究所一级项目经理邹常跃说。
当前，我国现有大规模海上风电开发普遍采用“海上换流站+直流海缆+陆上换流站+交流架空线”的模式,将风电输送至陆上负荷中心。海上风电送出工程各投资主体各自开展前期工作，容量相似、布局接近的海上风电厂项目采用多种输电方式、多电压等级送出。
专业人士坦言，在近海、小规模海上风电时期，这种模式是首选。但是，随着海上风电送出规模持续增长，各种潜在问题便与日俱增。
“陆上换流站重复建设、交流输电走廊占用土地资源大、负荷中心短路电流超标等问题日益突出，千万千瓦级海上风电基地的规模化开发需求难以得到满足。”邹常跃介绍。
于是，自2018年开始，南网科研院持续开展技术攻关，研制了国内首套紧凑型柔性直流换流阀子模块和阀塔物理样机，开创性提出66千伏无升压站的千兆瓦级风机直接汇集组网方案，并提出“超大规模海陆一体柔性直流协同输电技术”。
“该技术实现了海上与陆上输电环节的全柔直化，大规模风电通过‘海上换流站+直流海缆+陆上直流架空线’直达负荷中心。”邹常跃向记者解释。区别于我国现有大规模海上风电开发普遍采用的方案，三山岛工程不需要在登陆点建设大量换流站，也不需要在输电通道上新建大量交流架空线，而是通过陆上直流架空线将海上风电输送至负荷中心。“这就大大缓解了广东沿海城市海岸线土地资源和输电通道的紧张。”广东电网电网规划研究中心(广东省电力规划中心)副主任李峰说。
三山岛工程的风电汇集规模相比世界最高水平将再提升200%，国土空间资源利用率提升100%，输电成本降低15%，破解了城市中心输电走廊无法支撑沿海千万千瓦级海上风电开发的瓶颈，同时提升了受端电网无功支撑能力、缓解了短路电流超标问题。
“多个2000兆瓦海上风电场经直流海缆登陆汇集后，通过直流架空线直送粤港澳大湾区负荷中心，输电系统成本可以节省约50亿元。”邹常跃给记者算了笔账。
“阳江三山岛海上风电直流输电工程的建设，标志着我国海上风电输电技术迈入全新阶段。”李峰表示。
电力传输困境催生科技突围
三山岛工程提出的新型海上风电输电方案必然经过多轮论证，但是在实际落地的过程中依然会带来很多新的挑战，比如，直流架空线故障穿越的难题。
针对此难题，南网科研院研究团队首次提出无直流断路器、无集中耗能装置技术方案。“因为在昆柳龙直流已经验证了柔性直流架空线路故障自清除功能的可靠性，所以不依赖直流断路器实现直流故障穿越，我们有一定的经验。”邹常跃说。
不过，新的挑战依然存在。与昆柳龙直流工程主要采用网对网输送模式、送端有电网承担盈余功率不同，在三山岛项目中，由于海上风机都是独立的，一旦陆上电网侧发生故障，海上风机功率调节速度过慢，就可能导致直流海缆能量堆积、电压升高，造成设备损坏和系统停运。
所以三山岛工程不能只考虑清除故障，还需要解决与风机协同及盈余功率等问题。“对于这一问题，以往有企业考虑采用直流耗能装置+直流断路器的方案，但大多因直流断路器体重大、成本高而被放弃。”南网科研院研究直流所技术总监赵晓斌介绍，三山岛海上风电柔直工程推出了无直流断路器、无集中耗能装置的创新技术方案，“其核心是借助风机全功率变流器自带的耗能装置，实现盈余功率的分散式就地耗散，充分发挥每个风机自身具备的耗能能力，配合电网进行协调。”赵晓斌说。
但是，新的问题又出现了——无直流断路器、无集中耗能装置的方案对通讯速度的要求极高。
正常来说，一次协调指令的传递需要600毫秒，但是如果线路发生故障，风机的盈余能量会在10毫秒以内让柔直阀过压跳闸，再加上故障检测等时间，最终留给协调的时间只有——1毫秒。
科学研究往往如此，当提出一个解题方案，就会引出另一个新问题，科研人员又需要提出另一个解题方案。
此次科研团队的解题方案是：利用低成本的专用通讯装置，实现柔直与风机的快速协同。“我们设置了光纤传输的专网通讯网络，和几百台风机直接联通进行指令下达，把协调的时间控制在1毫秒内。”邹常跃说，他们已在广东临海风电试验基地开展了快速调用风机耗能装置的模拟试验，结果显示“大约0.6毫秒就能完成协调”，这有力地验证了该技术方案的可行性。
“建设过程中，还会不断出现新的科研难题需要我们去解题，但是，我们善于用‘创新’突破难题，这也正是电力科技工作者的价值所在。”邹常跃说。
