盧史杰，郝 捷，張 睿

（1.鄞州供電局，浙江 寧波 315000；2.天津市電力公司高壓供電公司，天津 300381；3.東北電力大學(xué)，吉林 吉林132012）

0 引言

2010年3 月，我國第一座大型海上風(fēng)電項(xiàng)目——東海風(fēng)電場成功完成了首臺風(fēng)電機(jī)組的安裝，標(biāo)志著我國海上風(fēng)電已進(jìn)入工程實(shí)施階段。

目前，我國正在大力發(fā)展陸上風(fēng)電場，針對陸上風(fēng)電場開展的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)、功率調(diào)節(jié)、風(fēng)電并網(wǎng)等研究為風(fēng)電發(fā)展提供了技術(shù)支撐[1]。但陸上風(fēng)電場需占用大量土地資源，這對于經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速、寸土寸金的浙江省來說，將面臨許多阻力。相比之下，浙江省海上風(fēng)能資源潛力巨大，發(fā)展海上風(fēng)電可行性較高。

本文從浙江省實(shí)際地理結(jié)構(gòu)、氣候特征及電網(wǎng)框架出發(fā)，分析了發(fā)展海上風(fēng)電的優(yōu)勢、阻力及前景，提出了可能遇到的技術(shù)難點(diǎn)，探討了適應(yīng)浙江實(shí)際狀況的海上風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)；同時(shí)，為保證浙江近海風(fēng)電的健康發(fā)展及電網(wǎng)接納風(fēng)電后的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對浙江海上風(fēng)電場的設(shè)計(jì)提出了部分設(shè)計(jì)原則，具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。

1 浙江發(fā)展海上風(fēng)電的優(yōu)勢、阻力及前景

1.1 浙江發(fā)展海上風(fēng)電的優(yōu)勢

浙江省東鄰東海，具備開發(fā)海上風(fēng)電的條件并具有獨(dú)特的優(yōu)勢，主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）海上風(fēng)能豐富。浙江省內(nèi)全年季風(fēng)顯著，在杭州灣海域、舟山東部海域、寧波象山海域、臺州海域和溫州海域均具有豐富的海上風(fēng)能資源，具備建設(shè)大型海上風(fēng)電場的條件。

（2）減少陸地土地資源的使用。隨著浙江經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，陸地高壓線路走廊和變電所所址的選擇越來越困難，局部地區(qū)由于政策處理的原因延緩了輸變電工程的建設(shè)進(jìn)度，影響了電網(wǎng)供電。投資建設(shè)海上風(fēng)電可解決這一問題。

（3）沿海區(qū)域恰為浙江省用電負(fù)荷中心，可有效避免陸上風(fēng)電遠(yuǎn)距離傳輸問題，利于風(fēng)電并網(wǎng)。由于陸上風(fēng)電占地面積較大，現(xiàn)有的陸上風(fēng)電只能選址在較偏遠(yuǎn)地區(qū)，離用電負(fù)荷中心較遠(yuǎn)。而浙江海上風(fēng)能天然選址即為沿海重負(fù)荷區(qū)，發(fā)展海上風(fēng)能不僅可解決沿海地區(qū)電力不足的困擾，還避免了遠(yuǎn)距離輸電線路的建設(shè)，減少項(xiàng)目一次性投資成本、線路的長期維護(hù)成本及供電損耗。

1.2 浙江開發(fā)海上風(fēng)電的阻力

浙江省受海洋水文環(huán)境和海洋天氣系統(tǒng)的影響顯著。春季為冬季風(fēng)向夏季風(fēng)轉(zhuǎn)換的交替季節(jié)，南北氣流交會頻繁，沿海和近海常出現(xiàn)大風(fēng)。夏季盛行東南風(fēng)，西北太平洋上的副熱帶高壓活動對浙江天氣有重要影響，高溫、暴雨、大暴雨出現(xiàn)概率增加，臺風(fēng)、雷暴、龍卷風(fēng)多發(fā)。秋季，夏季風(fēng)逐步向冬季風(fēng)過渡,氣旋活動頻繁,同樣易發(fā)生臺風(fēng)、暴雨等自然災(zāi)害。此外，浙江還是酸雨和霧霾高發(fā)區(qū)域。

而海上風(fēng)電場建在離海岸有一定距離的區(qū)域，周圍基本無屏障，直接面對臺風(fēng)的襲擊，所承受的風(fēng)力和破壞遠(yuǎn)大于陸地。超強(qiáng)臺風(fēng)對海上風(fēng)電的安全將構(gòu)成更大的威脅，臺風(fēng)引起的海浪對風(fēng)機(jī)底座和海底電纜造成的沖刷將影響其穩(wěn)定性，長期的沖刷將會削弱風(fēng)機(jī)的固定基礎(chǔ)。同時(shí)，大浪和飛沫會卷起鹽分顆粒，對風(fēng)機(jī)電路和元器件造成腐蝕。

由強(qiáng)烈的大氣擾動和氣壓驟變所導(dǎo)致的風(fēng)暴潮是海上風(fēng)電的又一大威脅。若趕上高潮階段，海域水位暴漲，產(chǎn)生的強(qiáng)風(fēng)浪不僅使風(fēng)機(jī)艙受到侵襲，還會使葉片受到?jīng)_擊。風(fēng)暴潮引起的增水、漫灘，對岸邊設(shè)施也有極大的影響。

此外，雷電襲擊會造成風(fēng)機(jī)元器件受電擊而損壞；高溫時(shí)海水蒸發(fā)加劇，使風(fēng)機(jī)儀器設(shè)備老化、腐蝕；酸雨、霧霾則對風(fēng)機(jī)的外殼、葉片和輸變電設(shè)備造成腐蝕。

上述自然災(zāi)害對浙江發(fā)展海上風(fēng)電有一定的影響，在風(fēng)電場規(guī)劃選址、內(nèi)部設(shè)備的制造及風(fēng)電場的安裝、建設(shè)及維護(hù)等方面均需予以考慮。

1.3 浙江海上風(fēng)電的現(xiàn)狀及前景

2010年9 月，浙江省首座海上測風(fēng)塔在象山建成并投入使用。若測試結(jié)果表明符合海上風(fēng)電要求，象山將建成浙江省內(nèi)首個(gè)大型海上風(fēng)電場，其總裝機(jī)容量將達(dá)150 MW，年發(fā)電量達(dá)3.75億kWh，可保障寧波30萬戶居民的生活用電。與相同裝機(jī)容量的火電廠相比，象山海上風(fēng)電每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤12.375萬t，減排二氧化碳31.5萬t，節(jié)水108萬t。此外，岱山200 MW海上風(fēng)電場也在積極籌備中。圖1為浙江海上風(fēng)電規(guī)劃的裝機(jī)規(guī)模示意。

圖1 浙江海上風(fēng)電規(guī)劃裝機(jī)容量

2 海上風(fēng)電的關(guān)鍵技術(shù)及開發(fā)難點(diǎn)

海上風(fēng)電場主要分為潮間帶和中/深海域風(fēng)電場。雖然海上風(fēng)能具有良好的發(fā)展前景，且世界各地已建設(shè)了眾多海上風(fēng)電站，但海上風(fēng)電建設(shè)的諸多環(huán)節(jié)仍存在亟待解決的難題。

據(jù)了解，國內(nèi)陸上風(fēng)力發(fā)電工程平均造價(jià)為8 000元/kW，其中風(fēng)力發(fā)電設(shè)備造價(jià)約5 000元/kW，而海上風(fēng)電的造價(jià)約為2萬元/kW。除了投資成本較高外，海上風(fēng)電在技術(shù)層面上也存在大量未突破的難題[2]。

2.1 風(fēng)力機(jī)組的設(shè)計(jì)與制造

由于海上風(fēng)電設(shè)備的體積龐大，需要建造設(shè)計(jì)優(yōu)良的基座，以解決大型風(fēng)力渦輪機(jī)的受力問題。風(fēng)機(jī)的冷卻進(jìn)氣通道要在設(shè)計(jì)上考慮防止變壓器暴露在含鹽分空氣中的措施。目前我國大多數(shù)兆瓦級風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)還處于研發(fā)或原型設(shè)計(jì)階段，許多零部件制造商與服務(wù)提供商也不能完全滿足該行業(yè)的需求。我國的風(fēng)電場開發(fā)商在海上風(fēng)電場領(lǐng)域也缺乏實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

2.2 海上變電站

海上風(fēng)電場通常以33～36 kV電壓運(yùn)行，在輸往陸地之前是否建立海上變電站以提高其輸電電壓等級主要取決于風(fēng)電場的規(guī)模、到岸距離和公共連接點(diǎn)（PCC）的電壓等級。由于海上變電站造價(jià)成本高昂，尤其是支撐結(jié)構(gòu)和安裝費(fèi)用大大超過電氣設(shè)備的費(fèi)用，所以應(yīng)盡量避免建設(shè)海上變電站。一般情況下，認(rèn)為100 MW以上并且離海岸超過15 km，特別是以高于36 kV電壓等級并網(wǎng)時(shí)才需要建設(shè)海上變電站。

海上變電站的主要電氣設(shè)備通常包括35 kV變壓器、高壓開關(guān)設(shè)備、備用電源和無功補(bǔ)償裝置等。由于海上風(fēng)電場的特殊性，海上風(fēng)力發(fā)電場對電氣設(shè)備的小型化和防污染性能要求很高。海上變電站通常采用平板車式結(jié)構(gòu)，電氣設(shè)備一般采用模塊式，先在岸上裝好，然后用大型安裝工具安裝。

2.3 海上風(fēng)電的并網(wǎng)電壓等級

近海風(fēng)電場電氣接線和接入系統(tǒng)方式與陸上風(fēng)電場基本相同。每個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過電纜與相鄰的機(jī)組連接，經(jīng)1個(gè)或多個(gè)中壓集控開關(guān)組件及電纜單元匯集。

目前海上風(fēng)電的輸送主要包括交流輸電及高壓直流輸電兩種方式[3]，輸電載體均為電纜。

圖2為輸電電纜與電壓、容量和距離的關(guān)系。對于近距離、小規(guī)模的風(fēng)電場，如容量100 MW以內(nèi)、距離10 km以內(nèi)的風(fēng)電場，一般不在海上建立變電站，只需要通過1個(gè)35 kV集電回路、1條電力電纜直接接入岸上變電站即可，即圖3所示模式。

圖2 距離、容量與入網(wǎng)電壓關(guān)系

圖3 單集電回路輸電系統(tǒng)

對于中等規(guī)模和距離的風(fēng)電場，如規(guī)模在100～500 MW，距離10～100 km的風(fēng)電場，一般要在海上建立變電站，采用110 kV或220 kV高壓交流輸電送到岸上變電站，以盡可能減少風(fēng)電場內(nèi)部風(fēng)力發(fā)電機(jī)互連所產(chǎn)生的損耗。圖4為典型海上風(fēng)電通過高壓交流輸電接入岸上變電站的系統(tǒng)示意。

圖4 高壓交流輸電系統(tǒng)

對于數(shù)百兆瓦、距離大于100 km的項(xiàng)目一般采用直流輸電技術(shù)[4]。這是因?yàn)榇笠?guī)模長距離的海上交流輸電將增大輸電的成本及維護(hù)費(fèi)用，輸電電纜內(nèi)部的屏蔽層和電線之間的電容效應(yīng)，也將使通過導(dǎo)體和電纜屏蔽層的電流大大增加，從而造成線路有功及無功損耗的增加。

2.4 岸上變電站

岸上變電站相對來說比較常規(guī)，已有相對標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)。如果已經(jīng)有海上變壓器，則岸上變電站可能只是一個(gè)開關(guān)站，通過岸上變電站轉(zhuǎn)為陸地電纜或架空線送入電網(wǎng)。

2.5 海底電纜的鋪設(shè)

海底電纜[5]一般采用三芯電纜設(shè)計(jì)。因?yàn)楹Ｉ巷L(fēng)電場面積較大，需要長距離輸電。而三芯電纜來自三相的充電電流是短路的，所以在外部的金屬層沒有反向電流引起的損耗，同樣設(shè)計(jì)的鎧裝海底電纜的外金屬件損耗也很低。

在鋪設(shè)海底電纜時(shí)，風(fēng)電場內(nèi)部電纜以及送出電纜均由敷設(shè)船放入海底，使用高壓噴水沖擊海床，將電纜埋入海床下1 m深處。如果海底表面為堅(jiān)硬巖石，可在電纜上鋪設(shè)石塊或砂礫層，以降低捕魚工具、錨以及海水沖刷對海底電纜造成破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

需要注意的是：海底電纜從深水到淺水、再到潮間帶和陸地應(yīng)制定詳細(xì)的計(jì)劃，選擇登陸點(diǎn)時(shí)要將氣候和海洋情況考慮在內(nèi)，選擇軟土且容易施工的地方，避開海防工程、礁石或其他障礙物，定向鉆孔。

3 浙江海上風(fēng)電的主要設(shè)計(jì)原則

目前風(fēng)電接入電網(wǎng)的相關(guān)問題集中在接入后對系統(tǒng)潮流、無功電壓以及電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定的影響[6]。有些海上風(fēng)電場接入電網(wǎng)后出現(xiàn)了電壓問題和風(fēng)電機(jī)組自動解列等運(yùn)行方面的問題。因此，為保證浙江海上風(fēng)電的健康發(fā)展和電網(wǎng)接納風(fēng)電后的安全與穩(wěn)定運(yùn)行，有必要對海上風(fēng)電場的設(shè)計(jì)及運(yùn)行進(jìn)行一定約束，明確浙江省近海風(fēng)電場建設(shè)的設(shè)計(jì)原則，主要包括以下內(nèi)容：

（1）做好充分的防臺風(fēng)措施。完善工程體系、防風(fēng)體系、監(jiān)測體系及預(yù)警體系，提高構(gòu)筑物防御標(biāo)準(zhǔn)及電力、通信等基礎(chǔ)設(shè)施的抗風(fēng)能力，提高預(yù)報(bào)精度，對臺風(fēng)的結(jié)構(gòu)特征和活動規(guī)律加深認(rèn)識。

應(yīng)根據(jù)海域海浪的氣候狀況合理確定風(fēng)機(jī)機(jī)艙和葉片的安裝高度，避免海浪卷夾鹽分造成的腐蝕。選擇合適的天氣進(jìn)行風(fēng)機(jī)運(yùn)送、吊裝以及海底電纜的鋪設(shè)和機(jī)電維護(hù)工作。

（2）需安裝有功、無功控制系統(tǒng)，能夠接受并自動執(zhí)行調(diào)度部門遠(yuǎn)方發(fā)送的有功出力控制信號，確保風(fēng)電場最大輸出功率、并網(wǎng)點(diǎn)電壓及功率變化率不超過電網(wǎng)調(diào)度部門的給定值。

最大功率變化率可參考表1。

表1 風(fēng)電場最大功率變化率 MW

（3）在任何運(yùn)行方式下，應(yīng)保證其無功功率有一定的調(diào)節(jié)容量，配置的容性無功補(bǔ)償裝置能夠補(bǔ)償風(fēng)電場滿發(fā)時(shí)送出線路上的無功損耗，配置的感性無功補(bǔ)償裝置能夠補(bǔ)償風(fēng)電場空載時(shí)送出線路上的充電無功功率，保證風(fēng)電場額定功率運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)均合理。

（4）能夠在其容量范圍內(nèi)控制風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓在額定電壓的-3%～+7%；當(dāng)海上風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)的電壓偏差在-10%～+10%時(shí)，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)能正常運(yùn)行。

（5）風(fēng)電機(jī)組應(yīng)具有并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%額定電壓時(shí)仍能保持并網(wǎng)運(yùn)行625 ms的低電壓穿越能力，風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后3 s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)保持并網(wǎng)運(yùn)行。

（6）對故障期間沒有切出電網(wǎng)的風(fēng)電場，其有功功率在故障切除后快速恢復(fù)，以至少10%額定功率每秒的變化率恢復(fù)至故障前的值。

4 結(jié)語

浙江省地處東部沿海地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、能源緊缺，開發(fā)海上風(fēng)電對緩解沿海地區(qū)用電緊張局面、有效應(yīng)對氣候變化具有重要的作用。海上風(fēng)電開發(fā)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要通過示范項(xiàng)目不斷積累技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也必須重視提高海上風(fēng)機(jī)設(shè)備的自主研發(fā)能力,以促進(jìn)我國風(fēng)電事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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[4]姚偉，程時(shí)杰，文勁宇.直流輸電技術(shù)在海上風(fēng)電場并網(wǎng)中的應(yīng)用[J].中國電力，2007，10（10）:70-74.

[5]王建東，李國杰.考慮電纜故障時(shí)海上風(fēng)電場電氣系統(tǒng)開關(guān)配置方案的經(jīng)濟(jì)性比較與分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（2）:125-128.

[6]胡東，施剛，蔡旭，等.風(fēng)電接入對海上油田平臺電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（9）:78-83.