海上風力發電機組電力傳輸的發展趨勢

摘 要：該文從海上風場的電網、海底電纜的情況、遠程監控和定期檢修以及電所主接線幾個方面大致探討了海上風力發電機組的電力傳輸發展趨勢。

關鍵詞：海上風力發電 電力傳輸 趨勢

中圖分類號：TM614文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）05（a）-0092-01

1 海上風力發電場

根據多年的觀測結果及國外運行經驗，海上風力發電場相比陸上風力發電場具有的優勢為：對環境（諸如占地面積、風扇及機組的噪音排放等）的影響小；風速相對較高；設備可采用海上運輸，因此可以設計與安裝更大型機組，從而增加單位面積的裝機容量。一般情況下海上風力發電場發出的電壓等級在30～36 kV，因此對于距離海岸遠的大型風電場，根據電能傳輸理論，必須提高線路的輸送電壓，以提高電能的傳輸效率。當海上風力發電場的規模相對較小且距離海岸較近時，交流輸變電機組并網方式一般采用加靜止同步無功補償器（STATCOM）的交流高壓聚合物電纜接入到陸地電網，其主要構成部分分為：發電機組側升壓變壓器、海底交流高壓聚合物電纜、高壓聚合物電纜兩端的晶閘管控制電抗器補償單元、陸地電網變壓器。上述這幾個主要部分構成了海上風電機組的功率匯合點：風力發電機，風場變電站，再通過海底電纜接入陸地電力的電能傳輸系統。海上風力發電場所采用交流輸電并入陸地電網的主要優點是：電能傳輸系統結構簡單，成本較低。缺點主要是：由于交流高壓聚合物電纜本身的充電電流影響，不可能實現大功率的傳輸容量和較遠的傳輸距離。另外，隨著風電場建設規模的增大和離岸距離的增長，尤其是當設計裝機容量為500 MW以上的風力發電系統時，采用高壓直流輸電技術連接風電場和陸地電網成了國內外高校和電網企業的研究熱點。像變壓器、電抗器及電纜的接頭等電器設備很容易受到包括制造問題、離岸的氣候條件、空氣中鹽分的侵蝕等的危害。因此，在風力發電機組的設計中應當充分考慮到氣候條件對電氣設備的損害，以及定期的檢測電氣設備的可靠性，以保證其安全運行。由于海上風力發電機組遠離陸地，海底電纜又埋于地下，對電氣設備的檢測存在一定困難。

2 海底電纜的敷設

20世紀90年代以前海底電纜多采用油浸紙絕緣電纜。近年來交聯聚乙烯絕緣電力電纜（XLPE）以其諸多的優異性能現已成為應用最廣泛的交流海底電纜。但一般單根的海底電纜長度并不能達到整條輸電線路長度的要求，所以為增加電纜長度只能采用海底電纜的中間接頭。中間接頭的種類分為兩種，一種是在電纜出廠以后，在敷設過程中現場安裝的“固定接頭”；另一種則是在電纜的生產過程中進行電纜接續， 俗稱“軟接頭”。以現階段的敷設經驗來看，由于海上電纜敷設船的條件限制， 在無法提供單根大長度電纜的時候，“軟接頭”技術比“固定接頭”技術應用更廣范。海上風電場通過高壓海底電纜與陸地電網并聯，在運行過程中為了降低由于漁民的捕魚等所使用的設備對海底電纜造成破壞的風險，很有必要將海底電纜埋起來。在海底環境比較平坦的情況下，可以采用高壓噴頭沖洗海床，然后將高壓電纜敷設于海床內。相對于將電纜掘進或投入海床，這樣是更加經濟和合理的方法。

3 檢修情況和遠程監控

海上惡劣的天氣使相關設備有可能得不到檢修人員正常的檢修和維護，容易造成故障隱患。所以，定期檢修和遠程時時監控對于海上設備尤其是風機高可靠性顯得非常重要。對于一些離陸地較遠的風電場，應根據當時的氣象條件制訂合理的風機的檢修程序并開發相關的檢修用設備。同時，由于海上空氣的腐蝕性比較強，在運行過程中對海上風場的遠程時時監控要比陸地風場更為重要一些，從目前歐洲已建成的海上風力發電場來看，其采用遠程監控技術已有數年的運行經驗，監測情況良好。工程師預測海上風電場采用1.5 MW的大機組，在風機上安裝一些新開發的傳感器，利用這些傳感器來對風電場的重要設備諸如風機進行時時的在線檢測。同樣地，為了確保相關設備得到適當的檢修，工業中一些產業也需要對這項技術非常了解。

4 電氣主接線的設計

根據目前國際上通用規劃的120～150 MW的大型風電場可能以33 kV的電壓等級的電網進行相聯。風電場中，會設計有30～110 kV電壓等級的變電站平臺和許多檢修設備。與陸地的聯結較多的采用110 kV電壓等級。目前為止，風力發電較為發達的地區是歐洲沿海國家和美國，印度和日本根據自身的地理位置特點也在大力發展海上風電，我國在21世紀初也越來越重視海上風電的發展，其中較大的風力發電場為上海市的東海大橋風電場。其裝機容量達到了100 MW，由50臺2 MW風力發電機組構成，距離海岸線最近約為6 km，最遠約為13 km。每臺風機配備一臺0.69/35 kV升壓變壓器，最終所有風機的電能母線，再經海底電纜以交流/直流的形式傳輸到陸地電網。在風電場的設計階段，電氣主接線方式應視其具體的位置、風力大小和分布情況而定。從目前世界上已運行的陸上和海上風電場的設計經驗來看，電氣主接線基本上有三種形式：鏈形、星形、環形。（1）有功損耗：交流高壓電纜將風電場的電能由35千伏電纜輸出，通過80 Mvar的SVC后，傳輸到陸上變電站主變壓器的35 kV側，海底交流電纜在登陸點換為陸上交流電纜。根據文獻中的仿真結果（只對a，b，c，d四種類型進行仿真）發現單邊環形損耗最低，其次是復合環形，鏈形結構的有功損耗最高。（2）穩定性：電壓穩定性，根據規定，35 kV及以上供電電壓的正負偏差值不超過額定電壓的10%。根據仿真結果發現，幾種接線方式都符合規定。由于海上輸電電纜一旦出現故障，維修需要花費的時間比較長，因此具有冗余的環形結構更具優勢。（3）經濟性：根據工程造價分析可知海上風電場的建設成本是同規模的陸上風電場的2倍，風機安裝、海底電纜敷設、連接設備是導致兩者投資成本差額的主要原因。在海上風電場的總成本中，電氣接線系統占約19%。由接線結構可知單邊環形成本最高，其次是復合環形，然后是雙邊環形，鏈形結構的成本最低。

單邊環形結構的建設成本最高，但其有功損耗、電壓偏差最小。鏈形結構的基礎建設成本最低，但其有功損耗、電壓偏差最大。雙邊環形、復合環形結構在以上所討論的幾種因素中處于中間，綜合特性能最好。其中，復合環形結構的建設成本比雙邊環形結構低，同時其有功損耗、電壓偏差也均低于雙邊環形結構。需要專門提出的一點是：在使用復合環形結構的條件下，任一主電纜故障會造成所有回路均有故障電流，所以故障判斷和繼電保護也更加復雜。

參考文獻

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