1 项目背景
据全球风能理事会（GWEC）发布公布的数据，2021年全球新增海上风电装机容量21.1GW，其中中国海上风电新增装机占比80%，位居世界第一，海上风电在我国的应用前景广阔。目前我国近海风电资源开发已经进入尾声，海上风电建设正在迈向中远海。受制于交流海缆充电电流和充电功率的限制，工频交流输电一般只适用于离岸小于70km、容量小于400MW的近海风电场送出；柔性直流输电虽然具有送出效率高、线路损耗小等优点，但是由于MMC造价高、体积大使得海上平台建造困难，价格高，运维困难。以某工程为例，送出系统总投资约47亿元，其中海上平台造价约9亿元，海上平台成为制约大规模深远海风电发展的瓶颈[1]。
针对以上输电方式在中远海风电送出中的缺点，中国电科院院士陈维江在题为“柔性低频交流输电构想”的演讲中提出采用20Hz低频输电技术。通过降低频率提升电缆载流量的方法，提高了电缆的有效负荷能力，大大延长了电能传输距离；不需要建设海上换流站，使得送出系统建设和维护成本都大幅降低，是未来中远海风电送出技术发展的新方向。
图1 （a）海风工频/低频交流送出方式示意图（b）海风柔直送出方式示意图
2 工程应用情况
柔性低频交流输电技术是借助先进电力电子技术灵活输出20赫兹频率交流电能的新型输电技术。与直流输电利用电力电子装置将工频50赫兹变成直流相比，可以兼顾工频交流系统组网灵活、易实现电压等级变换以及直流系统易于远距离大容量电能输送的优点，同时具备功率控制、电压动态调整、异步电网互联等柔性调控功能。目前柔性低频输电在电力系统尚无应用，浙江省电力公司首次在杭州柔性低频输电工程、台州柔性低频输电工程分别实现世界首个500千伏、35kV供区异步低频互联，为国际首创性技术。
杭州低频示范工程项目通过在已建成的13.2千米的220千伏亭中（亭山站-中埠站）输电线路两侧建设换频站，低频互联起富阳和萧山南部两大负荷中心。未来可释放昇光变盈余供电能力的同时，有效缓解富阳变供电压力，满足富阳区负荷增长需求。预计可实现供区之间300兆伏安规模的潮流灵活互济，提升跨江通道输电能力和事故、检修支援能力。平高集团为杭州亭山站-中埠站低频示范一期工程提供2间隔72.5kV低频GIS和4间隔252kV低频GIS，后续二期龙隐站建成后，最终实现龙隐-中埠-亭山三个低频变电站互联，将为柔性低频交流输电技术积累宝贵的建设、运行经验。
图2 杭州中阜站效果图
台州低频输电工程项目作为全国首个海上柔性低频输电工程，通过在35kV盐场变、35kV大陈变建设2个35kV低频站，通过已有盐场-大陈运行线路，实现大陈岛与大陆柔性互联，将来自大陈岛的海上风电输送到陆上电网。目前，大陈岛输送电能最高达到60万度，未来可能高达80-100万度，对更加高效地利用海上富余风电资源具有积极意义。
平高集团为台州盐场变、大陈变提供全部的40.5kV低频开关柜，目前已投入运行，为大陈岛低频风电并入陆上电网提供了关键保护，为柔性低频交流输电工程“从0到1”提供了重要支撑。
3 产品介绍
平高集团开展了断路器、隔离接地开关、互感器等核心元件的全面技术创新,实现多个从0到1的大跨越，研发出具有自主知识产权世界首台套20Hz 72.5千伏、252千伏低频GIS产品，以及40.5kV开关柜。
图3 252kV低频GIS间隔效果图
图4 72.5kV低频GIS间隔效果图
图5 40.5kV低频开关柜效果图
3.1 断路器
频率降低，使电流周期增加至50毫秒，开断过程中，电弧燃烧产生的能量相比常规断路器增加了将近80%，远远超过了现有断路器的极限开断能力。
平高集团借助先进的电弧仿真技术完成适用于低频工况的灭弧室设计方案和试验验证，突破了低频六氟化硫和真空断路器开断技术瓶颈。
3.2 隔离开关、接地开关
与断路器相比，隔离开关和接地开关没有熄弧装置，在开合过程中，燃弧时间长，电弧能量积累大，加剧了触头烧蚀。通过开关触头结构优化，攻克了低频工况下结构紧凑和开合性能兼顾的难题。
3.3 互感器
通过开展互感器关键参数匹配特性、铁芯截面、绕组结构优化研究，突破了低频互感器设计关键技术，创新制定互感器准确度设计方案和电压互感器绕组结构。
3.4 避雷器
通过开展低频电压对避雷器老化特性、避雷器低频过电压耐受时间特性、避雷器绝缘状态的影响研究，突破了低频避雷器设计关键技术
3.5 标准规范
目前，世界范围内没有低频GIS和开关柜型式试验及出厂试验相关标准，试验参数和试验方法尚处于摸索阶段。结合现行高压开关设备试验标准，平高集团联合浙江省电科院、国网电力科学研究院有限公司实验验证中心（常州）等多家单位起草了首个低频GIS试验规范、低频开关柜试验规范和低频互感器试验规范，为低频GIS和开关柜设备的研制提供了标准支撑。
4 结语
低频输电技术及开关设备的突破将引领中远距离海上风电输电技术革新。平高集团将践行“赋能智慧电气、创引绿色能源”的企业使命，为我国高压电气装备行业技术进步和海上风电事业发展提供技术、设备和标准支持，积极推进“双碳”目标实现和清洁能源转型，推动电气装备产业转型升级高质量发展。
注[1]：数据来源：全直流海上风电汇集与送出轻型化DC/DC换流器关键技术 哈尔滨工业大学 徐殿国
