海上风电的大休息

世界能源理事会表示，截至2015年底，全球海上风力发电装机容量约为1.2万兆瓦，其中92%以上位于欧洲水域。这将需要创新的解决方案，比如曼彻斯特大学电气与电子工程学院的Mike Barnes教授和他的团队正在为海上电网设计的新型断路器。最终，这项研究可以帮助陆上电网提供更多的海上风力涡轮机产生的电力，并有助于未来的低碳发电。

风力涡轮机预计将在未来的能源结构中发挥重要作用。目前，可再生能源发电约占英国电力需求的25%。欧盟目前的目标意味着，到2020年，英国必须有30%的电力需求来自可再生能源。扩大英国海上风力发电能力已被提议作为实现这一目标的一种手段。为了支持这一拟议的增长，需要发展新的技术和改进现有技术。

巴恩斯教授及其同事正在进行的这项研究可能有助于实现这一目标。他们的目标是改进海上风力装置的断路器，在确保现有岸上电网保护的同时，可以促进离岸距离的增加带来更大的能量流动。巴恩斯教授自1997年加入曼彻斯特大学以来，一直积极参与由欧盟资助的几个大型风能合作研究项目。他目前对断路器的研究是由美国工程与物理科学研究理事会资助的一个为期三年的研究项目的一部分。

利用风力发电
风力涡轮机可以从风中提取高达60％的电力，但由于风速变化，必须将从风力发生器输出的交流（AC）转换为直接电流（DC），然后将其转换回AC之前以与陆上电网匹配的频率。这种临时转换为DC的另一个优点是其对电力传输的电位，其具有比AC系统可能更低的成本更低的距离。如果涡轮机在未来沿海更远的距离，则这与电力系统的配置相结合是重要的考虑因素。

欧盟目前的目标意味着，到2020年，英国必须有30%的电力需求来自可再生能源

传统的“点对点”网络涉及每个海上风力发生器直接连接到电源网络陆上。随着安装量增加，预计该方法将被成本和技术限制禁止，因此不适合满足计划未来的扩张。正在探索的替代选项依赖于网络的DC组件，包括“网格化”网格配置，其中连接的风电场共享到AC转换器陆上的通路。如果在DC网状网络中发生故障，则可以隔离网络的离散部分，同时在网络的其余部分中保持电力流。

这种网状结构的可靠运行的关键挑战之一是在出现问题时如何停止电流流动。用断路器隔离直流比交流要复杂得多。交流电会周期性地改变方向，在一个周期内两次降到零，这为中断电流提供了一个理想的机会。然而，直流电流只在一个方向流动，因此在直流系统中，电流必须迅速减少到零，这需要一个更复杂的断路器。巴恩斯教授的研究的针对性很明显:迫切需要开发一种反应灵敏且经济的断路器，当直流系统出现故障时，这种断路器可以迅速停止电流流动，而不会对更广泛的网络造成损害。

改善现有规定
如果在直流电源网络内发生故障，则必须尽快限制电流流动，以防止网络的其他部分运行超出其设计参数。目前可以使用AC断路器实现，这可以隔离整个直流系统导致电源损耗。这将意味着如果未来的风装置，包括五个风电场的网络运行并且与一个农场的连接发生了故障，则所有五个都必须隔离，没有电力将从四个工作系统流出。英国电网运营到某些供应质量标准，即排出网络可以承受的最大功率损耗为1800MW。目前，现有海上风电场的任何此类损失都在网络运行限制范围内，但最多可从未来从海上风中采购的高达30,000MW电力，隔离更大的容量可能超过这一最大值。这将导致严重的影响，没有减缓技术，可能导致在英国电力网络的部分内停电。DC断路器是商业上可用的，可用于管理DC网络中开发的故障。然而，为了保持功率流动，这些需要将患处分离在两到五毫秒内。目前可用的技术无法达到这些限制的最快，因此需要新的开发。

有必要为直流系统开发响应性和经济断路器

这一挑战的方法
为了改善直流电力系统中的断路，除了彻底审查目前可用的不同类型的直流断路器，巴恩斯教授的研究小组还将调查故障电流限制器的潜力。这些设备限制或减缓故障发生时可能发生的电流增加，但在直流网络中尚未广泛使用。该团队还将考虑支撑现有系统和部件设计的基本物理原理，同时检查组成电流断路器的材料，以确定每个材料的理想和不理想属性。

在DC电力系统内的电路可以使用开关机械地实现。但是，这些目前受到其运行时间的限制。使用半导体技术的固态断路器是另一种选择;它们比机械断路器更快地运行，但具有更高的损失，损失了系统效率。使用机械和固态断路器最佳特性的混合系统显示出潜力但目前不充分反应。本研究的结果是提出新的和改进的电路破坏方法，以便在未来的DC网络上逐步支持越来越多的海上风的发展。