第一章 引言

在全球能源转型与“双碳”目标推动下，海上风电凭借资源储量大、发电稳定性强的优势，已进入规模化开发阶段。但海上风电场多位于离岸较远区域，且单机容量持续提升，对输电系统的远距离传输能力、容量适配性与运行可靠性提出更高要求。柔性直流输电（VSC-HVDC）因具备独立控制有功与无功功率、适应弱电网特性的优势，成为海上风电并网的核心技术。然而，传统VSC-HVDC拓扑存在经济性与可靠性难以平衡、故障工况下容错能力不足的问题，且对系统运行特性的分析缺乏针对性，难以适配海上复杂环境^[1]。因此，本文围绕海上风电场柔性直流输电系统拓扑优化与运行特性展开研究，明确研究内容与技术路线，旨在为提升输电系统性能、保障海上风电高效并网提供理论支撑。

第二章 海上风电场柔性直流输电系统拓扑设计基础

2.1 柔性直流输电系统的核心构成与工作原理

柔性直流输电（VSC-HVDC）系统核心由换流站、直流线路、控制系统三部分构成。换流站包含电压源换流器（如MMC换流器）、变压器、滤波装置，其中换流器是能量转换核心，通过IGBT等电力电子器件的通断，将风电发出的交流电转换为直流电传输，再在受端换流站逆变为交流电并入电网；直流线路负责电能远距离传输，海上场景多采用海缆形式；控制系统通过脉冲宽度调制（PWM）技术，实现对有功、无功功率的独立控制，保障系统电压与频率稳定。其工作原理基于换流器的拓扑结构与控制策略，通过实时调整换流阀触发信号，改变直流侧电压或电流，从而精准控制功率传输方向与大小，满足海上风电波动下的并网需求。

2.2 海上风电场并网对输电系统的关键需求

海上风电场并网环境与运行特性，对输电系统提出三大关键需求。一是远距离大容量传输需求：海上风电场多离岸数十至数百公里，且单机容量达MW级，要求输电系统具备低损耗、大输送容量能力，适配百万千瓦级风电场集群并网；二是高可靠性需求：海洋环境高盐雾、强腐蚀、台风频发，易导致设备故障，需输电系统在极端条件下保持稳定运行，降低停机风险；三是灵活适配需求：风电出力受风速影响呈波动性，需输电系统快速响应功率变化，独立调节有功与无功，避免对电网造成冲击，同时兼容不同装机规模风电场的扩展需求。

2.3 典型柔性直流拓扑结构的特性对比

海上风电常用的柔性直流拓扑主要包括两电平拓扑与模块化多电平（MMC）拓扑。两电平拓扑结构简单，换流阀数量少、初期投资低，但受限于IGBT器件耐压水平，难以适配高电压等级，且运行中开关损耗较大，谐波含量高，需额外配置复杂滤波装置，在大容量海上风电项目中经济性逐渐下降。MMC拓扑通过子模块串联实现高电压输出，开关损耗低、谐波含量小，无需大量滤波设备，且具备冗余容错能力，单个子模块故障不影响整体系统运行，适配远距离大容量海上风电并网；但该拓扑子模块数量多，控制逻辑复杂，初期建设成本高于两电平拓扑。二者对比可见，MMC拓扑更契合大型海上风电场的长期运行需求，两电平拓扑则适用于中小容量、近距离的海上风电项目。

第三章 海上风电场柔性直流输电系统拓扑优化与运行特性分析

3.1 基于多目标的系统拓扑优化方法

本方法以海上风电并网的实际需求为导向，构建“经济性-可靠性-适应性”多目标优化模型。经济性维度选取换流站建设成本（子模块数量、IGBT器件选型）、直流海缆损耗（截面选型、线路长度适配）、全生命周期运维费用为核心指标，通过成本估算公式量化不同拓扑方案的经济投入；可靠性维度引入容错率（子模块故障后系统持续运行能力）、平均无故障时间（MTBF）作为评价参数，结合海上高盐雾、强腐蚀环境对设备寿命的影响，修正可靠性计算模型；适应性维度重点考量拓扑对风电出力波动（风速变化导致的±20%功率波动）、电网电压扰动的适配能力。通过层次分析法（AHP）确定各目标权重，结合粒子群优化算法（PSO）对拓扑关键参数（如MMC子模块串联数、海缆截面）进行寻优，最终筛选出适配不同装机规模（300MW、500MW、1000MW）海上风电场的优化拓扑方案，实现多目标下的最优平衡^[2]。

3.2 正常工况下的系统运行特性分析

基于MATLAB/Simulink搭建优化后拓扑的仿真模型，结合海上风电典型运行场景（如额定风速、阵风、功率爬坡），从三个维度分析运行特性。功率传输特性方面，监测不同风电出力（20%-100%额定功率）下直流侧电压稳定性（波动范围控制在±2%内）、换流站阀侧电流畸变率（THD≤5%），验证拓扑对功率波动的平滑适配能力；效率特性方面，计算换流站转换效率（含子模块开关损耗、变压器损耗）、直流海缆传输效率，对比优化前后拓扑的总效率差异，明确优化方案在能耗控制上的优势；控制响应特性方面，模拟负荷突增/突减（±10%额定负荷）场景，分析控制系统对有功、无功功率的调节速度（响应时间≤50ms）与超调量（≤5%），评估拓扑在动态工况下的控制精度，为实际运行中的参数设定提供依据。

3.3 故障工况下的系统运行特性与容错能力

针对海上风电输电系统典型故障场景，开展故障特性与容错能力分析。直流线路故障（如单极短路、双极短路）下，监测故障电流峰值（对比传统拓扑降低20%-30%）、电压跌落幅度（优化拓扑可将跌落控制在30%以内）及故障清除时间（≤20ms），分析拓扑的故障电流抑制能力；换流站子模块故障（如IGBT开路、短路）下，记录系统功率传输能力保留比例（单模块故障时功率损失≤5%）、冗余子模块投入响应时间（≤10ms），验证拓扑的容错设计有效性；极端环境关联故障（如高盐雾导致的模块绝缘下降）下，通过加速老化仿真，分析拓扑在设备性能衰减时的运行稳定性（持续运行时间延长15%-20%）^[3]。同时，结合故障后系统恢复过程（电压、功率恢复至额定值的时间），评估优化拓扑的故障自愈能力，为海上风电输电系统的故障防护设计提供参考。

第四章 结语

本研究围绕海上风电场柔性直流输电系统展开，核心成果包括三方面：一是明确了VSC-HVDC系统核心构成与工作原理，梳理出海上风电并网对输电系统的远距离、高可靠、强适配需求；二是通过多目标优化模型，提出适配不同装机规模的拓扑方案，平衡了经济性与可靠性；三是揭示了正常工况下系统功率传输、效率及控制响应特性，验证了故障工况下的容错与自愈能力。研究存在一定局限，如未充分考虑极端海洋环境（如强台风）对拓扑设备的长期影响，且优化模型未纳入电价波动等经济变量。未来可深化新型混合拓扑研发，结合AI技术实现运行状态实时优化，同时探索多风电场联网下的拓扑协同控制，助力深远海风电规模化发展。

参考文献

[1]林燊.柔性直流输电技术在大规模海上风电中的应用设计[J].光源与照明,2025(1):228-230.

[2]梁宇涛,林舜江,冯祥勇,赖信,刘明波.海上风电场交流集电和多端柔直输电并网系统多目标优化规划[J].电网技术,2024,48(6):2404-2415+I0043,I0044.

[3]彭冠炎.柔性直流输电系统风电场出线故障特性及控制保护[J].安徽电力,2015,32(2):48-51.