適用于福建省的大規模海上風電匯集外送輸電方式研究

陳明福

（中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

福建省海上風電資源豐富，單座海上風電場區既有規劃100 MW 到2 000 MW 的近海風電，也有1 000 MW 到超過7 000 MW 的遠海風電。

海上風電規模化、集群化、遠海化的發展趨勢，對風電的開發提出了一系列要求：一方面是大規模風電開發與用海集約化要求的協調［1］；另一方面，柔性直流輸電方案是遠海大規模海上風電的重要選擇［2-3］，但在我國海上風電領域僅處于起步階段，包括福建省在內的眾多沿海省份缺乏建設運行經驗。本文對以上問題開展研究，為福建省今后的工程應用進行技術儲備。

1 福建海上風電發展規劃

福建省作為全國“新型電力系統示范區”之一，未來能源供給增量將以零碳能源（主要是核能+可再生能源）為主體，并逐步提高比重。以下說明福建省海上風電規劃和消納情況。

1.1 近海風電

根據福建省近海海上風電等規劃［4］，具備較好開發條件的近海風電廠址主要分布于福州、漳州、莆田、寧德，場區分布和特點分別如表1 所示，單座場區裝機規模100 MW～1 800 MW。

表1 福建省近海海上風電場址規劃

1.2 遠海風電

根據福建省海上風電場工程規劃、閩南海上風電基地等規劃研究［5-6］，深遠海風電場區分布及規模等分別如表2 所示，單座場區裝機規模900 MW～7 200 MW，離岸距離54 km～200 km。

表2 福建省遠海風電規劃場區情況

1.3 電力消納

結合福建省電力市場、電源規劃等所做出的電力平衡分析［7-8］：福建省電力缺額主要在南部電網；隨著海上風電規模的增大，冬季盛風期負荷小方式全省逐漸出現電力盈余；未來盈余風電可考慮通過互聯通道送至周邊省份，在更大范圍內實現福建省海上風電資源的優化配置；大規模海上風電宜通過高電壓等級進行匯集外送。

2 海上風電輸電方式

2.1 現狀

海上風電輸電方式主要包括高壓交流輸電方式和高壓直流輸電方式，兩者適用于不同規模和離岸距離的海上風電項目。

（1）交流輸電方式。綜合考慮海纜制造能力和輸送能力，交流輸電方式通常用于海上風電場規模較小（500 MW 以內）且風場距離海岸較近（70 km 以內）的情況，目前國內外大部分海上風電項目采用這種方式。福建省已建或在建的海上風電均為近海風電，升壓站離岸距離在50 km 以內，均采用交流輸電方式、在岸上或海上建設交流升壓站，如圖1 所示。

圖1 福建省部分已建海上風電接線示意圖

（2）直流輸電方式。直流送出主要有常規直流、柔性直流2種技術路線。與常規直流輸電技術相比而言，柔性直流輸電技術具備以下特性：不易發生換相失敗、可接入無源網絡、可靈活獨立地控制有功和無功、不需要交流側提供無功補償裝置、具備黑啟動能力。這些特性使柔性直流輸電技術成為大規模、遠距離海上風電主流并網技術。

國外遠海海上風電柔直送出工程在北海較為集中，建有4個海上風電場集群，以±320 kV 為主、功率690 MW～900 MW、線路長度90 km～205 km。國內僅江蘇省在建如東和射陽海上風電項目采用柔直送出方案，電壓最高±400 kV，功率最大1 100 MW，離岸距離70 km，采用對稱單極接線，如圖2 所示。

圖2 江蘇如東海上風電柔直輸電項目送出方案

2.2 輸電方式比較

以下對海上風電分別采用交流輸電方式或柔直輸電方式進行比較。

（1）技術比較。①交流輸電方式。結構相對簡單、技術成熟、工程經驗豐富；但由于電纜充電功率的限制，傳輸距離有限，且電壓等級越高，充電電流越大，對無功補償要求越高，增大占地。②柔性直流輸電方式。可以連接規模更大、離岸更遠的海上風電場，適應風電場大范圍頻率波動，不受傳輸距離的限制，且傳輸損耗較低；不易發生換相失敗、可接入無源網絡、可靈活獨立地控制有功和無功、不需要交流側提供無功補償裝置、具備黑啟動能力。

（2）投資比較。根據福建省海上風電規劃規模、海纜等設備電力輸送能力和生產制造水平，參考國內外海上風電配套送出工程投資水平，挑選800 MW、1 200 MW、1 600 MW 3 種規模，對海上風電不同的輸電方式進行投資比較。其中：①交流送出方案按照風機+海上升壓站+陸上集控站+各級海纜的建設模式；②柔性直流送出方案按照風機+海上升壓站+海上換流站+陸上換流站的建設模式。

由比較圖3 所示曲線可見：①當風電場離岸輸電距離在60 km 以內時，建議采用交流輸電方案；若整個場區風電裝機規模較大，可考慮分散送出。②當容量800 MW 及以上的大規模風電場匯集外送且輸電距離超過70 km，建議采用柔性直流輸電方案；電壓等級需根據裝機規模進行論證和選擇。③輸電距離在60 km～70 km 時，需結合實際工程情況進行交直流輸電方案比選分析。

圖3 不同規模海上風電不同輸電距離交流和柔直輸電方案造價曲線圖

對于福建省不同的海上風電并網工程，裝機規模從100 MW到超過7 000 MW，離岸距離16 km～200 km，存在著不同的臨界距離。究竟采用交流方式并網、柔性直流方式并網或是交直流混合方式并網，需要根據實際工程，綜合考慮技術要求和經濟性進行分析研究。

3 海上柔性直流換流站的要求

考慮到包括福建省在內的沿海省市海上風電規模化、集群化、遠海化的發展趨勢，柔性直流輸電在技術、經濟等方面的優勢，使其將成為未來海上風電主流并網技術。因此，以下分析海上柔性直流換流站的主要參數。

3.1 直流并網方式

根據互連的柔性直流換流站數量和匯集方式，柔性直流系統并網大體分為4 類。

（1）兩端柔性直流輸電系統。由2 個柔性直流換流站和連接它們的直流線路組成，即“點對點”方式，如圖4 所示。

圖4 海上風電兩端直流（點對點）輸電并網方式

（2）多端柔性直流輸電系統。由多于2 個柔性直流換流站和連接它們的直流輸電線路組成，如圖5 所示。

圖5 海上風電多端直流輸電并網方式

（3）多饋入直流輸電并網方式。同樣由多于2 個柔性直流換流站和連接它們的直流輸電線路組成統，但陸上功率受入點單一集中，如圖6 所示。

圖6 海上風電多饋入直流輸電并網方式

（4）混合直流輸電并網方式。陸上換流站直流側部分采用架空線的情況，參考烏東德特高壓混合直流項目，還可考慮送端采用柔性直流技術、受端采用常規直流技術，如圖7 所示。

圖7 海上風電混合直流輸電并網方式

3.2 直流側額定電壓、額定功率、額定電流

（1）根據柔直換流站相關設計規范［9］。①宜選用序列化的額定電壓；②可考慮單回直流或者雙回直流，輸電功率總數盈余輸電任務相匹配；③宜選用序列化的額定功率，便于采用通用化的設計及標準化的設備，以形成集約效應和規模效益。

（2）柔性直流輸電電壓等級序列。根據已建成柔性直流工程和傳統直流輸電工程電壓等級序列，考慮技術前瞻性原則，參數相關研究［10-11］，柔性直流輸電電壓等級序列主要考慮：±200 kV、±320 kV、±400 kV、±500 kV、±660 kV、±800 kV、±1 100 kV 等。

（3）額定功率和電流。目前柔性直流工程換流閥多數都使用基于IGBT 的MMC 拓撲結構。為了降低損耗、節約成本、提高整體可靠性，需要串聯的子模塊盡量少、通流能力盡量大、耐壓水平盡量高。根據當前設備制造水平，柔性直流輸電各電壓等級對應的額定參數表見表3。

表3 柔性直流電壓、電流、功率表

根據國內外已建及在建的柔直工程情況，±400 kV 及以下電壓等級可作為我國海上柔性直流換流站的近期電壓等級選擇范圍；遠景則可采用±500 kV 及以上電壓等級。

3.3 適用于福建省的大規模海上風電柔性直流換流站規模

福建省遠海海上風電規劃單座場區裝機規模900 MW～7 200 MW，離岸距離54 km～200 km，換流站的電壓建議初期以±320 kV、±400 kV 為主，換流站單個閥廳規模按1 200 MW～1 600 MW，具體如表4 所示。待設備制造工藝和產品質量提高、建設成本下降、建設和運維經驗豐富后，適時擴大直流電壓等級和規模，具體根據實際的海上風電場群規模而定。

表4 近期柔性直流換流站規模選擇

3.4 進出線規模

（1）交流側。取決匯集的海上升壓站數量和各自送出回路數。

（2）直流側。對于兩端直流輸電方式或多饋入多饋入直流輸電方式，高壓側直流海纜回路數與柔性直流換流單位的數量相一致；對于多端直流輸電并網方式，需根據匯集直流模塊數量、增加直流出線間隔。

3.5 電氣主接線

（1）交流側。根據進線數量，可考慮雙母線、雙母線單/雙分段、一個半斷路器接線方式等。

（2）直流側。包括對稱單極和對稱雙極接線2 種。國內外已建、在建海上風電柔直項目均采用對稱單極接線方式，有成熟的建設運行經驗，根據統計，對稱單極的可用率一般可達到97%及以上。同時，對稱單極接線設備與電纜數量少，減少換流站與海域使用面積，經濟可靠。因此，本文同樣推薦福建省近期所規劃新建海上柔直換流站采用對稱單極接線方式。

4 直流海纜的選型

由于柔性直流輸電系統切除直流側故障時比較困難，因此已建成的柔性直流工程線路大多數采用直流電纜以降低故障率。與交流電纜相比，直流電纜的導體沒有集膚效應和鄰近效應，即使輸送很大電流，也不必采用復雜的分裂導體結構。

用于直流輸電的海底直流電纜主要有擠包式絕緣電纜和繞包式絕緣電纜。隨著擠包式直流XLPE 絕緣電纜在空間及界面電荷積聚、溫度梯度效應等因素引起的絕緣老化和破壞這一關鍵問題的逐步解決，XLPE 直流電纜將成為未來柔性直流輸電系統中直流電纜市場的主流產品。根據部分直流（光電復合）海纜電壓等級、導線截面和輸送能力如表5 所示。

表5 直流海纜輸送功率 單位：MVA

5 結論及建議

（1）本文綜合海上風電規模、輸送距離、海纜輸送能力、經濟性、實際工程經驗等因素，分析海上風電的外送輸電方式，重點研究柔性直流技術的適用條件。對于大規模海上風電，柔性直流輸電在大容量遠距離輸電以及交直流互聯電網安全可靠性等方面將得到加強，柔性直流輸電工程以及柔性直流電網將得到更廣泛的應用。

（2）本文提出海上風電柔性直流換流站的并網方式、電壓等級、進出線規模、電氣主接線等關鍵方面，以及海纜選型；結合福建省海上風電發展規劃，提出適用于福建省的大規模海上風電匯集外送的輸電方式。

（3）根據研究結論，當風電場離岸輸電距離在60 km 以內時，建議采用交流輸電方案；若整個場區風電裝機規模較大，可考慮分散送出。當容量800 MW 及以上大規模風電場匯集外送且輸電距離超過70 km，建議采用柔性直流輸電方案；電壓等級需根據裝機規模進行論證和選擇。輸電距離在60 km～70 km時，需結合實際工程情況進行交直流輸電方案比選分析。