近年来，随着我国风电企业不断探索开发深远海风电项目，风电输变电系统创新开始聚焦于输电距离长且投资成本相对可控的柔性直流与低频输电技术上。
2021年，三峡能源江苏如东海上风电柔性直流输电工程投运。该工程先后攻克了换流站建造、直流海缆研发、国产化换流阀研发应用、设备适海性设计和测试等技术难题，是国内首次将柔性直流输电技术应用于海上风电送出领域。三峡能源江苏如东海上风电柔性直流输电工程的海上换流站，也成为当时全球容量最大、电压等级最高、体积最大的海上换流站。总计110万千瓦装机容量海上风电项目所生产的电能，被海上换流站转换为直流电后，通过1回±400kV直流海缆送至陆上换流站，逆变为500kV交流电后接入电网。
“海上风电的交变直流转换站，平均面积相当于一个足球场，高度相当于15层的居民楼，重达2.2万吨，运维和投资费用十分巨大。如果海上风电项目的输电距离没有达到一定的长度，输电成本会比较高。”有研究电力系统的专家坦言。
因此，业内正将目光投向适用于近海50Hz工频输电和适用于远海直流输电的中间频率上，这就使低频输电技术有了用武之地。
相比直流，海上风电低频输电系统可利用风电机组直接输出低频电能，通过汇集系统将低频电能传输至海上平台，并通过低频变压器升压后经海缆线路送出，最后由陆上交交变频站将其变换为工频汇入工频电网。由于无需建设换流站等设施，整个输电工程的造价更低。
“总的来说，随着离岸距离越来越远，工频交流送出越发困难，成本相应上浮。在当前产业链现状下，直流方案成本高，需要长距离送出才有经济性。因此，低频输电在特定送出距离情况下将更有经济性。”上海电气风电集团股份有限公司（下称“电气风电”）工程与技术研究院副院长曹广启在接受《风能》采访时表示，“基于现有项目执行经验，离岸送出距离80公里到170公里左右的项目可以考虑采用低频方案，并通过详细的专题比选做最终的路线选择。”
除了具有一定的成本优势外，柔性低频输电采用了电压源型换流器，具备类似柔性直流输电的柔性调控能力，如潮流灵活调节、无功补偿、电压动态支撑等，能够实现海上风电场黑启动，可建立系统电压/频率，更适合于风电等新能源并网送出、电网互联、海岛供电与互联等应用场景。
在海上风电低频输电系统中，低频风电机组的改造与应用最为关键。
据曹广启介绍，从工频50Hz到低频20Hz，需针对电气系统，如核心的变流器、变压器、开断设备及机组自耗电电气设备等做适应性设计，与电气设备相连接的整机系统也需要做相应的调整。
“低频风电机组设计目前没有国家标准可循，电气系统设计更要结合借鉴工频标准及低频仿真、实物试验开展，确保电气设备的可靠。电气风电协同国内高校、科研院所、电力科学院、成套设计方、权威检测中心等机构共同论证，在标准空白的情况下，突破性地实现了低频方案在海上风电的批量产品应用。”曹广启表示，“低频机组不仅是低频电气方案的突破，更是风电整机基于场景工况统筹精细化设计。一个直观的例子是，当前低频变压设备的重量比工频变压设备重约1.5倍，给整机载荷、承载部件结构设计带来较大的难度，在适配低频电气设计的同时，需要考虑整机设计的最优方案。”
不久前，电气风电下线了全球最大的低频海上风电机组，单机容量达到16MW。该机型参与了浙江玉环2号海上低频风电示范项目风电机组设备竞标，并成功中标19台共304MW海上风电机组订单。项目将于2025年全容量并网。
“电气风电充分调研了市场需求，分别推出了16MW工频机组和16MW低频机组，针对浙江等高风速海域及深远海场景给出了产品和解决方案。从整机系统结合风电场角度进行了机组设计，这不仅是低频系统的技术实现，更达成了产品功能和性能的最佳状态。”曹广启介绍道。
曹广启认为，电气风电低频风电机组的首个批量项目应用，将推动低频技术产业链发展，使其更有经济性。
目前，除大陈岛和浙江玉环2号项目外，还有不少项目适合采用低频输电技术。而随着远海风电开发的逐步展开，低频输电技术的应用规模将不断增长。并且除远海风电外，低频风电机组还可以解决沙戈荒大基地汇集组网场景下的偏远地区新能源消纳受限问题，从而实现海陆并举多场景延伸。
来源：《风能》杂志，文：赵靓
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