海上風(fēng)電場輸電方式研究

中國電建集團(tuán)國際工程有限公司 吳 迪 中國電建集團(tuán)江西省電力設(shè)計院有限公司 李 克

為了更好地落實我國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的綠色發(fā)展，減輕我國電力能源的供應(yīng)負(fù)擔(dān)，現(xiàn)階段我國開始重視淺水區(qū)海上風(fēng)電場的項目建設(shè)發(fā)展，隨著相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，海上風(fēng)電場也逐漸走向規(guī)模化和深海化的發(fā)展。本文首先概述海上風(fēng)電場的分類，并分析海上風(fēng)電場的輸電方式以及存在的問題，進(jìn)而提出海上風(fēng)電場輸電方式的比較，以及不同區(qū)域海上風(fēng)電場推薦使用的輸電方式，希望對我國海上風(fēng)電場的輸電發(fā)展提供一定參考。

1 海上風(fēng)電場的分類

海上風(fēng)電場一般可以分為近海風(fēng)電場、深海風(fēng)電場以及潮間帶風(fēng)電場三種，潮間帶風(fēng)電場指的是，在沿海區(qū)域多年的平均大潮高潮線下降到理論中該區(qū)域的最低潮水位5米水深內(nèi)區(qū)域開發(fā)建設(shè)的海上風(fēng)電場；近海風(fēng)電場指的是，在理論最低潮水位以下5米到50米水深區(qū)間進(jìn)行開發(fā)建設(shè)的海上風(fēng)電場；深海風(fēng)電場指的是，其大于理論最低潮水位以下50米區(qū)域進(jìn)行開發(fā)建設(shè)的海上風(fēng)電場。

以國內(nèi)外相關(guān)工程建設(shè)經(jīng)驗來看，海上風(fēng)電場所在區(qū)域的水深越大，則其建設(shè)的成本便越高、建設(shè)技術(shù)越復(fù)雜，所以現(xiàn)階段我國開展的海上風(fēng)電場項目建設(shè)主要是對近海風(fēng)能資源進(jìn)行開發(fā)利用[1]。

2 海上風(fēng)電場的輸電方式以及存在的問題

2.1 交流輸電方式以及其存在的問題

交流輸電方式，主要是在規(guī)模較小且離岸距離較近的海上風(fēng)電場群的輸電工作中進(jìn)行使用。交流輸電方式具有技術(shù)方案成熟度較高、結(jié)構(gòu)較為簡單、可靠程度較高、淺水區(qū)海上風(fēng)電場輸送成本較小，以及工程運行經(jīng)驗十分豐富的優(yōu)勢。但交流輸電方式在實際應(yīng)用階段也存在下列問題：

在海上風(fēng)電場群進(jìn)行長距離電力資源輸送時，電纜內(nèi)的電容效應(yīng)較為明顯；控制交流輸電方式的無功電壓補償難度較大；交流輸電方式的過電壓問題較為顯著；海上風(fēng)電場和陸地電網(wǎng)之間產(chǎn)生的交互影響較大，沒有做到故障隔離。使用交流輸電技術(shù)的海上風(fēng)電場結(jié)構(gòu)主要為：集電系統(tǒng)、海上風(fēng)電場、海上升壓站、無功補償設(shè)備以及海底交流電纜等。

以現(xiàn)階段我國已經(jīng)并入陸地電網(wǎng)的海上風(fēng)電場群項目來看，其大多屬于離岸距離較近的淺水區(qū)還剩風(fēng)電場，因此使用的輸電方式為交流輸電方式。當(dāng)下我國還海上風(fēng)電場項目中使用的交流海纜電壓等級主要有35千伏、110千伏以及220千伏三種。

35千伏和110千伏電壓等級的交流海纜會受到輸送容量的限制，在輸電過程中產(chǎn)生的電力資源損耗較大，海底走廊占用面積也較大。基于此，國內(nèi)使用的主流交流輸電方式選擇的交流海纜電壓等級在220千伏，電纜規(guī)格結(jié)構(gòu)為單回三芯結(jié)構(gòu)，具有18萬千瓦到35萬千瓦的輸電能力；而220千伏的交流海纜具有更大的截面面積，在500千伏規(guī)格海纜的輸電能力可以達(dá)到40萬千瓦以上，但是由于受到絕緣技術(shù)、制造技術(shù)以及敷設(shè)技術(shù)等影響，應(yīng)在考慮備用相的情況下使用單芯結(jié)構(gòu)，電纜鋪設(shè)數(shù)量為3根到4根（單回條件下），需要占用的海底走廊資源較多。

2.2 柔性直流輸電方式以及其存在的問題

柔性直流輸電方式主要是用于海上規(guī)模較大且輸電距離較遠(yuǎn)的海上風(fēng)電場群的電力資源傳輸中。其主要的應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾點：

其在長距離輸電中的輸送容量更大；匯集輸送時靈活程度和擴展程度較高；輸電線路數(shù)量更少；海域資源占用較少；體積較小，方便進(jìn)行施工以及擴建；對電力資源傳輸過程中的電壓控制更加簡單；在潮流反轉(zhuǎn)時更加快速有效；可以提高系統(tǒng)的輸電能力；輸電階段出現(xiàn)問題，在解決問題后可以快速恢復(fù)供電功能；可以為無源電網(wǎng)進(jìn)行供電。

柔性直流輸電方式的不足為：造價較高；現(xiàn)階段技術(shù)不夠成熟，輸電穩(wěn)定程度和可靠程度無法得到保障；相關(guān)工程項目的運行使用經(jīng)驗不足。現(xiàn)階段國外部分國家在離岸距離較遠(yuǎn)的海上風(fēng)電場電力資源傳輸時，使用的輸電方式便是柔性直流輸電[2]。

2.3 混合直流輸電方式以及其存在的問題

就直流輸電方式的技術(shù)發(fā)展路線分析可知，直流輸電方式的未來發(fā)展分布，會形成傳統(tǒng)直流輸電和柔性直流輸電共同存在的情況。現(xiàn)階段已經(jīng)開始對二者聯(lián)系使用方面進(jìn)行研究，即形成混合直流輸電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種方式可以將傳統(tǒng)直流輸電和柔性直流輸電的優(yōu)點進(jìn)行充分利用，對兩種輸電方式的不足進(jìn)行優(yōu)化。

混合直流輸電技術(shù)具有獨特的技術(shù)特點，可以在特定條件下展現(xiàn)出比傳統(tǒng)直流輸電和柔性直流輸電更加優(yōu)秀的性能，具有比柔性直流輸電方式使用成本造價更少、應(yīng)用場景更加廣泛的特點，并通過進(jìn)一步利用換流器的優(yōu)勢，可以形成混合多端直流輸電的系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的弱交流輸送供電，并成為海上風(fēng)電場連接的主要備選方案，可以滿足海上風(fēng)電場的功率輸送需求。但是現(xiàn)階段對于混合直流輸電方式的相關(guān)研究成果較少，其作為一種新興的輸電技術(shù)，還沒有得到廣泛的應(yīng)用。

3 海上風(fēng)電場輸電方式的比較和推薦

3.1 輸電方式技術(shù)經(jīng)濟的比較

就交流輸電方式來看，其在不同風(fēng)電輸送容量下，陸地上的集控站點和基礎(chǔ)平臺造價在400兆瓦到1000兆瓦的容量范圍區(qū)間內(nèi)，其海上升壓變的造價和海上風(fēng)電場的裝機容量有關(guān)，無功補償部分的每千米單位造價和電纜的參數(shù)以及回數(shù)有關(guān)。而直流輸電方式中，在400兆瓦的風(fēng)電輸送容量下，輸送端的海上換流站的單位造價最高，即直流電纜的單位造價和輸送容量成正比關(guān)系，在海上風(fēng)電場容量由800兆瓦提高到1000兆瓦時，直流電纜單位長度造價上升近一倍，并且輸送端的海上換流站單位造價需要考慮海上平臺部分，即海上換流站需要考慮5%的容量裕度。

由此得出結(jié)論：在不同容量下的交流輸電方式和直流輸電方式，其在容量400兆瓦以上的海上風(fēng)電場電力資源匯集輸送時，在60千米到70千米的輸送距離區(qū)間中，兩種輸電方式的造價相同，若是海上風(fēng)電場輸電距離在70千米以內(nèi)時，則應(yīng)使用交流時段的方式，若是海上風(fēng)電場輸電距離大于70千米，則應(yīng)根據(jù)實際情況選擇合適的柔性直流輸電方式[3]。

3.2 輸電方式占海域資源的比較

以輸送100萬千瓦的海上風(fēng)電場為例，其在不同輸電方式中占用的海域資源也存在差異，若是使用220千伏的海纜進(jìn)行輸送則需要3回到4回，截面使用的海纜數(shù)量應(yīng)為3根到4根（單回三芯結(jié)構(gòu)），若是使用500千伏的海纜進(jìn)行輸送則只需要1回，海纜數(shù)量同樣為3根到4根（單芯結(jié)構(gòu)），其中考慮到備用相時應(yīng)設(shè)計為4根，其對應(yīng)的海纜保護(hù)區(qū)域為250米到1150米，在水深25米的情況下則需要占用海水寬度在170米。若是使用柔性直流輸電的方式，則需要使用1回的±320千伏的柔直海纜2根，截面為2000平方毫米，海纜的保護(hù)區(qū)為150米到1050米，占用海水寬度為70米。

由此得出結(jié)論：在輸送相同大容量規(guī)模的海上風(fēng)電場產(chǎn)生的電力資源時，柔性直流輸電方式占用的海域資源更少，而交流輸電方式在500千伏和220千伏相同。再結(jié)合海纜和升壓站等配套設(shè)施的投資建設(shè)，以及現(xiàn)階段施工和制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，不會考慮使用500千伏的交流輸電方式。

3.3 海上風(fēng)電場輸電方式的推薦

3.3.1 淺水區(qū)海上風(fēng)電場輸電方式

海上淺水區(qū)的風(fēng)電場通常離岸距離為60千米之內(nèi)，因此選擇使用交流海纜的方式進(jìn)行輸電。結(jié)合海上風(fēng)電場使用的裝機規(guī)模差異進(jìn)行分析，推薦使用的輸電方式如下：

第一，海上風(fēng)電場裝機規(guī)模小于10萬千瓦時，應(yīng)選擇使用35千伏的交流海纜直接進(jìn)行送出登陸操作。

第二，海上風(fēng)電場裝機規(guī)模大于10萬千瓦時，應(yīng)進(jìn)行交流升壓站的建設(shè)，將交流升壓站建設(shè)在海上風(fēng)電場附近的島嶼、或者使用海上平臺的方式進(jìn)行交流升壓站建設(shè)，將海上風(fēng)電場的輸出電流進(jìn)行升壓后，使用110千伏或者220千伏的交流海纜直接進(jìn)行送出登陸操作。

3.3.2 深水區(qū)海上風(fēng)電場輸電方式

海上深水區(qū)的風(fēng)電場通常離岸距離在60千米以上，使用的輸電方式一般為柔直海纜的輸電方式，結(jié)合海上風(fēng)電場使用的裝機規(guī)模差異進(jìn)行分析，推薦使用的輸電方式如下：

第一，海上風(fēng)電場裝機規(guī)模在50萬千瓦到100萬千瓦時，應(yīng)進(jìn)行海上柔直換流站的建設(shè)，使用單回柔直海纜的方式進(jìn)行送出登陸操作，柔直海纜的規(guī)格應(yīng)選擇為電壓在±200千伏到±320千伏之間。

第二，海上風(fēng)電場裝機規(guī)模大于100萬千瓦時，可以使用的輸電方式有兩種類型：使用大容量柔直海纜輸電的方式，即借助風(fēng)電場附近的島嶼進(jìn)行大容量柔直換流站的建設(shè)，島嶼的選擇最好為無人島嶼，之后將海上風(fēng)電場群產(chǎn)生的電力能源在海上進(jìn)行匯集后，利用大容量柔直輸電通道進(jìn)行登陸操作；使用多端柔直輸電的方式，即進(jìn)行多個海上柔直換流站的建設(shè)工作，將海上風(fēng)電場群產(chǎn)生的電力資源通過柔直海纜進(jìn)行匯集并進(jìn)行登陸操作。柔直海纜的規(guī)格應(yīng)選擇為電壓在±320千伏到±800千伏之間。

就多端柔直輸電方式和大容量柔直輸電方式進(jìn)行對比可知，根據(jù)相關(guān)規(guī)定原則，單個海上風(fēng)電場的外部邊線劃定的海上風(fēng)電場面積應(yīng)控制在每10萬千瓦控制在16平方千米。針對海上風(fēng)電廠需要將產(chǎn)生的輸出電流進(jìn)行匯集傳輸，應(yīng)選擇使用將每個海上風(fēng)電場建設(shè)為平均規(guī)模在40萬千瓦，海域面積占用在64平方千米的大小。

對于大容量的海上風(fēng)電場群而言，在選擇使用大容量柔直輸電通路進(jìn)行輸電系統(tǒng)外送操作，并且由于海上風(fēng)電場群中最遠(yuǎn)距離的風(fēng)電場位置可能會出現(xiàn)超過交流海纜的輸送距離，容易發(fā)生過電壓等電壓控制方面的問題，對此類問題進(jìn)行解決的方式，應(yīng)選擇試用多端柔直輸電的方式，以此提高海上風(fēng)電場運行階段的靈活程度和可擴展程度[4]。

舉例而言，在越南南部建設(shè)的海上風(fēng)電場群（越南金甌1號350兆瓦海上風(fēng)電項目），其規(guī)劃在27個月之內(nèi)完成建設(shè)，該項目共分成4個區(qū)域（A 區(qū)、B區(qū)、C 區(qū)、D 區(qū)），計劃布置75臺單機容量5兆瓦風(fēng)電機組，總裝機容量375兆瓦，是截至目前整個東南亞地區(qū)規(guī)模最大的海上風(fēng)電場開工建設(shè)項目。其中A 區(qū)和B 區(qū)為190兆瓦，這兩個區(qū)域計劃于2022年10月投入運行、并入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)發(fā)電，C 區(qū)和D 區(qū)為185兆瓦，這兩個區(qū)域計劃于2023年6月投入運行、并入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)發(fā)電。

為了有效降低其對海上資源的占用，需要將海上風(fēng)電場之間的互補特性進(jìn)行強化，降低電網(wǎng)受功率波動產(chǎn)生的沖擊問題，在相關(guān)開發(fā)建設(shè)技術(shù)成熟后，再進(jìn)行多端柔性直流輸電系統(tǒng)的建設(shè)。基于越南南部建設(shè)的海上風(fēng)電場群的建設(shè)時間，以及空間布局的角度進(jìn)行分析可知，可考慮在海上進(jìn)行多個換流站的建設(shè)，使用多端柔直海纜將海上風(fēng)電場群生產(chǎn)的電力資源輸送到陸地上的換流站。

4 結(jié)語

在海上風(fēng)電場群工程中使用的主要輸電方式為交流輸電以及柔性直流輸電兩種，而由于交流輸電方式存在充電功率較高和過電壓的問題，一般在40千米的交流輸電距離時，需要在海纜的一端安裝高抗設(shè)備，而在交流輸電距離在40千米到80千米之間時，需要在海纜兩端安裝高抗設(shè)備，若是交流輸電距離超過80千米，則需要在海纜中間進(jìn)行中繼站建設(shè)，并將高抗設(shè)備安裝在中繼站處。

現(xiàn)階段，國內(nèi)以及并入電網(wǎng)的海上風(fēng)電場離岸距離較近，使用的輸電方式均為交流海纜輸電方式，隨著海上風(fēng)電場的開發(fā)，未來在淺水區(qū)的海上風(fēng)電場群項目仍會采取交流海纜輸電方式。在深水區(qū)的海上風(fēng)電場群項目，則需要結(jié)合實際情況選擇使用柔性直流輸電技術(shù)的輸電方案。