李世強(qiáng)，俞恩科，何旭濤，鄭新龍，盧志飛

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司舟山供電公司，浙江 舟山 316000）

岱山海域潮流能發(fā)電并網(wǎng)示范工程設(shè)計(jì)方案分析

李世強(qiáng)，俞恩科，何旭濤，鄭新龍，盧志飛

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司舟山供電公司，浙江 舟山 316000）

岱山海域潮流能發(fā)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)首個(gè)實(shí)現(xiàn)潮流能發(fā)電并網(wǎng)商業(yè)化運(yùn)行的示范工程，標(biāo)志著我國(guó)向商業(yè)化潮流能發(fā)電邁出了關(guān)鍵的一步。從接入系統(tǒng)方案、系統(tǒng)電氣計(jì)算分析、海纜工程設(shè)計(jì)3方面入手，詳細(xì)闡述了岱山海域潮流能發(fā)電并網(wǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)方案的可行性及存在的問題，并給出了初步解決方案，為該工程的最終實(shí)施提供了技術(shù)支持。

潮流能發(fā)電；并網(wǎng)；設(shè)計(jì)；海纜工程；商業(yè)化運(yùn)行

0 引言

海洋是人類的資源寶庫。隨著海洋技術(shù)的發(fā)展，除了礦產(chǎn)和漁業(yè)資源，海風(fēng)、波浪、潮汐、潮流等海洋可再生能源，都可用于緩解人類面臨的能源危機(jī)。目前，開發(fā)和利用海洋資源已上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面，海洋可再生能源無疑是其中的重要組成部分。潮流能發(fā)電是一種新型的潮流能利用技術(shù)，直接利用潮漲潮落的水流沖擊葉輪機(jī)械裝置進(jìn)行發(fā)電。潮流能發(fā)電無需建設(shè)攔海堤壩，從而降低了建設(shè)投資，也大大縮短了建設(shè)周期，且兼具良好的生態(tài)友好特性和經(jīng)濟(jì)性[1，2]。舟山群島一帶大部分海域潮流流速為2～4 m/s，其可開發(fā)利用的潮流能占全國(guó)的50%以上。就岱山秀山島海域的龜山水道而言，如將它蘊(yùn)藏的潮流能轉(zhuǎn)換成裝機(jī)容量，理論上相當(dāng)于3.9個(gè)長(zhǎng)江三峽電站。

1 示范工程項(xiàng)目概況

岱山海域潮流能發(fā)電并網(wǎng)示范工程的發(fā)電裝置主要采用AR1000TM型渦輪機(jī)，該型渦輪機(jī)由新加坡亞特蘭蒂斯資源有限公司（以下簡(jiǎn)稱“ARC”）研發(fā)，是世界上最先進(jìn)的潮流能渦輪發(fā)電機(jī)，裝機(jī)容量為1 MW。裝機(jī)臺(tái)數(shù)為1臺(tái)，安裝在岱山秀山島海域的龜山水道上，發(fā)電裝置發(fā)出的電通過海底電纜傳輸，海底電纜長(zhǎng)度約為2 km，連接至位于秀山島上的潮流能配電站，升壓后通過長(zhǎng)度約4 km的10 kV輸電線路并入電網(wǎng)運(yùn)行。年平均發(fā)電量在2 000 MWh以上。

2 示范工程并網(wǎng)設(shè)計(jì)方案分析

2.1 接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

示范工程位于岱山秀山島海域，考慮接入系統(tǒng)就近原則，故接入秀山島內(nèi)變電站較為合適。目前，秀山島已建成投運(yùn)的110 kV變電站有3座，其中蘭秀變電站為公用變電站，其余2座為用戶變電站。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《分布式電源接入系統(tǒng)規(guī)定》和《國(guó)家電網(wǎng)公司關(guān)于印發(fā)分布式電源接入系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)的通知》，1～6 MW統(tǒng)購統(tǒng)銷分布式電源一般采用1回10 kV電壓等級(jí)專線接入公共電網(wǎng)變電站10 kV母線，因本工程裝機(jī)容量為1 MW，故考慮采用10 kV電壓等級(jí)送入110 kV蘭秀變電站10 kV側(cè)，就地平衡當(dāng)?shù)刎?fù)荷。

同時(shí)，根據(jù)本潮流能發(fā)電示范工程的發(fā)電能力，綜合考慮年平均發(fā)電量在2 000 MWh以上、年發(fā)電利用小時(shí)數(shù)不超出 3 000 h等因素，按1.65 A/mm2經(jīng)濟(jì)電流密度可計(jì)算得出，10 kV送出線路的經(jīng)濟(jì)電流截面約為35 mm2，考慮接入電網(wǎng)架空導(dǎo)線輸送容量預(yù)留適當(dāng)裕度，推薦采用50 mm2架空導(dǎo)線。同時(shí)，根據(jù)輸送容量，考慮交流海纜采用3×120 mm2截面。

2.2 接入系統(tǒng)電氣計(jì)算分析

2.2.1 潮流計(jì)算分析

目前，蘭秀變電站主變壓器容量為 1×5+ 0.63（冷備）萬kVA，常石變電站主變壓器容量為2×1.6萬kVA，惠生變電站主變壓器容量為 2× 1.25萬kVA。根據(jù)岱山電網(wǎng)運(yùn)行方式，正常方式下，蘭秀變電站通過舟山電廠——蘭秀1回線受電，并轉(zhuǎn)供常石變電站及惠生變電站負(fù)荷。

計(jì)算中考慮全網(wǎng)峰、腰、谷負(fù)荷，其中腰負(fù)荷按峰負(fù)荷的90%考慮，谷負(fù)荷按峰負(fù)荷的60%考慮；常石變電站、惠生變電站為用戶變電站，考慮到生產(chǎn)需要，峰、腰、谷負(fù)荷均按滿負(fù)荷考慮。峰負(fù)荷、腰負(fù)荷時(shí)岱山電網(wǎng)功率因數(shù)取0.92，谷負(fù)荷功率因數(shù)取0.95?？紤]到分布式電站接入電網(wǎng)，與電網(wǎng)保持無功功率零交換的目標(biāo)，本示范工程潮流計(jì)算中，潮流能發(fā)電按站內(nèi)無功功率自我平衡后向電網(wǎng)注入有功功率考慮。計(jì)算結(jié)果如下：

（1）潮流能升壓站主變壓器分接頭暫考慮置于11.0+2×2.5%/3.4 kV檔。

（2）正常峰負(fù)荷時(shí)，潮流能發(fā)電機(jī)組滿出力，配電站母線電壓為10.51/3.30 kV。峰負(fù)荷狀態(tài)下，潮流能發(fā)電機(jī)組出力60%，配電站母線電壓為10.51/3.30 kV。

（3）正常腰負(fù)荷時(shí)，潮流能發(fā)電機(jī)組滿出力，配電站母線電壓為10.49/3.30 kV。

（4）正常谷負(fù)荷時(shí)，潮流能發(fā)電機(jī)組滿出力，配電站母線電壓為10.54/3.31 kV。

綜上分析，示范工程并網(wǎng)后，正常峰負(fù)荷潮流如圖1所示，潮流分布合理，電網(wǎng)運(yùn)行安全、穩(wěn)定。

圖1 投運(yùn)后正常峰負(fù)荷潮流（潮流能滿出力）

2.2.2 短路電流計(jì)算分析

考慮示范工程近期投運(yùn)，根據(jù)接入系統(tǒng)方案，通過1回線路接入110 kV蘭秀變電站10 kV母線，目前，蘭秀變電站主變壓器容量為1×5+0.63（冷備）萬kVA。

暫考慮示范工程采用阻抗電壓百分比為4%的升壓變壓器，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，示范工程配電站10 kV母線三相短路電流約為13.5 kA，蘭秀變電站10 kV母線三相短路電流約為21.2 kA，滿足設(shè)備安全運(yùn)行需要。

遠(yuǎn)景年，蘭秀變電站主變壓器容量為2×5萬kVA，示范工程配電站接入電網(wǎng)方式不變，配電站10 kV母線三相短路電流約為15.5 kA，滿足系統(tǒng)設(shè)備的安全運(yùn)行需要。

綜上分析，示范工程并網(wǎng)后短路電流滿足電氣設(shè)備安全運(yùn)行要求。

2.2.3 潮流配電站電氣主接線分析

示范工程潮流能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)由在潮流中旋轉(zhuǎn)的葉片和永磁發(fā)電機(jī)（PMG）組成，發(fā)電機(jī)將產(chǎn)生額定電壓為3.8 kV的變頻交流電，并連接到PCS1000變流器，變流器由發(fā)電機(jī)側(cè)INU（逆變器單元）、直流電連接和電網(wǎng)側(cè)的ARU（整流單元）組成。

根據(jù)分析，結(jié)合10 kV配電網(wǎng)電氣主接線的一般型式，潮流能陸上配電站建議采用單母線接線，主接線如圖2所示。

圖2 潮流能發(fā)電配電站主接線

2.3 并網(wǎng)工程線路設(shè)計(jì)方案分析

示范工程線路部分的設(shè)計(jì)分海中段和陸上段2部分，其中海中段是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。擬選線路路由為從潮流能發(fā)電渦輪機(jī)至陸上潮流能配電站，路由總長(zhǎng)度約1 920 m，其中陸上部分從登陸點(diǎn)至變電站的長(zhǎng)度約230 m，海底電纜路由長(zhǎng)度1 690 m。路由位于秀山島海域，地形地貌復(fù)雜，將對(duì)示范工程的設(shè)計(jì)、施工造成一定影響。

2.3.1 登陸點(diǎn)地形地貌分析

綜合考慮周邊地理環(huán)境和人文因素，示范工程的海纜登陸點(diǎn)擬選位置位于秀山島北客運(yùn)站東側(cè)山體小型灣岙內(nèi)。該處地貌屬于自然海岸段，海岸線大部分平直，基本呈東西走向，西中部建有標(biāo)準(zhǔn)海塘，岸線前沿約25 m區(qū)域?yàn)樯暗[岸灘，低潮時(shí)均露出海床。岸線后方為山谷，兩側(cè)隆起、中部下陷，植被較為茂盛，后方山體頂部為正在施工建設(shè)的示范工程配電站。

就登陸點(diǎn)周邊地理環(huán)境來看，該登陸點(diǎn)位置較合理。首先，解決了施工材料的運(yùn)輸問題，同時(shí)也方便施工船靠岸；其次，從海纜日后運(yùn)行來看，該岙口屬于無人區(qū)，且沒有張網(wǎng)區(qū)，可有效避免海纜運(yùn)行后受外力破壞；最后，海纜登陸處地質(zhì)為砂礫岸灘，適合電纜溝的開挖和鋪設(shè)。

2.3.2 海纜路由海中段海底地形地貌分析

示范工程海纜預(yù)選路由海底部分的地形存在一定起伏變化，渦輪機(jī)安裝在北部巖礁上，中部為龜山水道深槽區(qū)，南面地形呈一定坡度上升至海岸，中間有大面積巖礁分布。總體而言，路由區(qū)海底地形呈兩側(cè)不對(duì)稱的V字型航槽地貌格局。水深基本在50 m，最大水深達(dá)85 m，坡度達(dá)140°。

經(jīng)勘測(cè)，海域底質(zhì)類型主要可歸納為2種，即巖礁區(qū)和泥混砂質(zhì)分布區(qū)，路由大部分區(qū)域以基巖為主，地層性質(zhì)穩(wěn)定，常年受強(qiáng)烈海流沖刷作用影響；少部分區(qū)域存在泥沙或砂貝沉積，位于基巖兩側(cè)邊坡，基本呈灘地落淤、通道沖刷的地貌形態(tài)。

從已知海纜預(yù)選路由地形地貌及底質(zhì)情況來看，在海纜敷設(shè)及運(yùn)行中都會(huì)有一定困難。首先，地形不規(guī)則的高低起伏，會(huì)使海纜存在一定區(qū)域的懸空段，而懸空區(qū)域又是基巖，在海流的作用下海纜會(huì)直接與基巖摩擦，從而造成損害；其次，該處水流很急，水深較深，海纜在敷設(shè)過程中會(huì)有很多不可控的潛在風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也極易造成海纜實(shí)際敷設(shè)位置與預(yù)選路由的偏離；最后，該處底質(zhì)大部分是基巖，錨損與基巖磨損是海纜受損的最主要“殺手”，據(jù)統(tǒng)計(jì)，95%的海纜破壞都是由其產(chǎn)生。這種不良底質(zhì)的存在，將給海纜日后運(yùn)行造成很大風(fēng)險(xiǎn)。

綜上分析，海纜預(yù)選路由地形地貌及底質(zhì)情況不理想。但考慮到潮流能渦輪機(jī)安裝位置及周邊海域情況，海纜預(yù)選路由通道已是最佳通道。鑒于此，設(shè)計(jì)認(rèn)為必須做好以下3件事，才能保證示范工程的順利投運(yùn)，保障海纜的安全運(yùn)行：

（1）解決海纜在基巖區(qū)的附加保護(hù)。根據(jù)舟山電網(wǎng)多年來的海纜工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，有3種方式：第一，基巖開槽，通過爆破的方式把海纜敷設(shè)區(qū)域下的基巖炸平并形成溝槽狀，將海纜放置溝內(nèi)。第二，水下拋石，在海纜敷設(shè)完后，用石塊將基巖區(qū)的海纜四周蓋住。第三，套保護(hù)管，即在海纜外面加裝耐磨、耐腐、強(qiáng)度高的不銹鋼保護(hù)套管。上述3種方式中，第一、第二種方案對(duì)海纜的保護(hù)效果最好，基本能消除基巖造成的損傷，但方案可操作性不強(qiáng)，主要原因是作業(yè)難度較大、施工價(jià)格昂貴，而第三種方式則具有可操作性，但就本工程來說還需進(jìn)一步改進(jìn)，為使海纜套上保護(hù)管后在海底減少移動(dòng)從而避免與基巖長(zhǎng)期摩擦，應(yīng)在一定間距內(nèi)附加重力錨進(jìn)行錨固，或在敷設(shè)時(shí)每隔數(shù)米在保護(hù)管上連1塊重力塊，使海纜沉入海底后不隨洋流移動(dòng)，從而有效保護(hù)海纜。

（2）解決海纜施工方面的難題。本示范工程海纜路由區(qū)域的流速較大，極易使施工船偏離預(yù)選軌道，也會(huì)在敷設(shè)過程中帶來海纜受損的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，海纜敷設(shè)時(shí)要邊敷設(shè)邊套保護(hù)裝置，將大大增加施工難度，就國(guó)內(nèi)海纜施工能力來看，極具挑戰(zhàn)性。因此，施工單位應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)，對(duì)每個(gè)重要環(huán)節(jié)制定相應(yīng)的技術(shù)方案及保障措施。

（3）解決海纜運(yùn)行后受外力破壞的風(fēng)險(xiǎn)。示范工程海纜路由直接穿過龜山水道和瓦窯門山即秀山航道，該航道的運(yùn)輸船及漁船眾多，為避免海纜受到船舶拋錨及其他破壞外力，需進(jìn)一步加大該條海纜的監(jiān)控措施。除了設(shè)立警示裝置外，還需建立1套綜合在線監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)涵蓋AIS（船舶識(shí)別系統(tǒng)）、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)、雷達(dá)及紅外成像等，從根本上杜絕船舶的外力破壞。

3 結(jié)語

目前，該潮流能發(fā)電示范工程并網(wǎng)接入電力系統(tǒng)尚處可研階段，根據(jù)分析，工程建設(shè)最大的制約因素是海纜輸電線路的施工，只有順利解決海纜工程中存在的問題，示范工程才能得以順利實(shí)施。

目前擬采取的方法是：

（1）海纜選型：采用雙層鎧裝結(jié)構(gòu)，增大抗摩擦性能。

（2）施工船：根據(jù)流速，將采用與之匹配的帶動(dòng)力定位系統(tǒng)的施工船，以保證海纜敷設(shè)路由與設(shè)計(jì)相符。

（3）海纜保護(hù)：基巖區(qū)域安裝不銹鋼保護(hù)管，同時(shí)附加重力錘固定，使之在海底不會(huì)受洋流影響而來回移動(dòng)，減少海纜摩擦。

（4）監(jiān)控：采用海纜內(nèi)部監(jiān)控與外部監(jiān)控相結(jié)合的方式，建立1套綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。外部監(jiān)控將采用AIS、紅外成像、雷達(dá)、視頻監(jiān)控等設(shè)備；內(nèi)部監(jiān)控含海纜溫度、擾動(dòng)、故障等。目前，該方案已初步得到業(yè)主單位及專家的認(rèn)可。

示范工程一旦順利投運(yùn)，將成為我國(guó)首個(gè)潮流能發(fā)電并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化并網(wǎng)運(yùn)行的工程。它的投運(yùn)，可作為今后研究實(shí)現(xiàn)大容量、高電壓等級(jí)并網(wǎng)的技術(shù)支撐，充分發(fā)揮潮流能發(fā)電的優(yōu)勢(shì)，有效解決能源瓶頸問題，還可以節(jié)約能源及減少二氧化碳排放。示范工程投運(yùn)后每年將至少節(jié)省標(biāo)煤600 t，減少二氧化碳排放1 900 t。

通過該示范工程的實(shí)施，可以進(jìn)一步消化、吸收世界先進(jìn)技術(shù)，大大加快我國(guó)潮流能開發(fā)利用技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，縮短與西方發(fā)達(dá)國(guó)家在潮流能開發(fā)利用技術(shù)上的差距，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)我國(guó)潮流能開發(fā)利用技術(shù)的自主創(chuàng)新和裝置的完全國(guó)產(chǎn)化，降低建設(shè)成本，以實(shí)現(xiàn)我國(guó)潮流能發(fā)電的大規(guī)模開發(fā)利用。

[1]張勇，崔蓓蓓，邱宇晨，等.潮流發(fā)電—一種開發(fā)潮汐能的新方法[J].能源技術(shù)，2009，30（4）：223-227.

[2]GRABBE MARTEN.A review of the tidal current energy resource in Norway[J].Renewable&sustainable energy reviews，2009，（13）8:1898-1909.

[3]舟山市岱山海域海洋能并網(wǎng)電力系統(tǒng)示范工程海底電纜管道路由勘測(cè)報(bào)告[R].杭州：浙江華東建設(shè)工程有限公司，2014.

[4]舟山市岱山海域海洋能并網(wǎng)電力系統(tǒng)示范工程可行性研究報(bào)告[R].重慶：中國(guó)新時(shí)代國(guó)際工程公司，2012.

[5]李程，鐘宇軍，彭明偉，等.浙江舟山群島新區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃思路和發(fā)展模式研究[J].浙江電力，2014，33（10）:11-13.

（本文編輯：龔 皓）

Analysis on Design Plan of Tide Energy Generation and Integration in Daishan Sea Area

LI Shiqiang，YU Enke，He Xutao，ZHENG Xinlong，LU Zhifei
（State Grid Zhoushan Power Supply Company，Zhoushan Zhejiang 316000，China）

As the first demonstration project of tide energy generation and integration put into commercial operation in China，the tide energy power generation and integration system in Daishan marks a key step towards domestic commercial tidal energy generation.Starting from access system scheme，electrical calculation analysis on system and submarine cable project design，this paper expounds feasibility and problems of technical scheme for tidal energy generation and integration design；moreover；it presents preliminary solutions to provide technical support to the implementation of the project.

tide generation；integration；design；engineering of submarine cable；commercial operation

TM711.1

B

1007-1881（2015）02-0001-04

2014-11-17

李世強(qiáng)（1983），男，工程師，主要從事海洋輸電設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)研究工作。