王 宇，許衛(wèi)東，張盼盼

（山東電力工程咨詢(xún)?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250100）

0 引言

海上風(fēng)電場(chǎng)所處海洋環(huán)境惡劣，并且受海洋氣象、通航條件等影響，場(chǎng)址可達(dá)性差，為提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性、降低運(yùn)維成本，海上風(fēng)電不斷朝規(guī)?；⒋笮突较虬l(fā)展［1-2］。隨著海上風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量不斷增大，35 kV海底電纜可連接的風(fēng)電機(jī)組越來(lái)越少，場(chǎng)內(nèi)35 kV集電海纜長(zhǎng)度顯著增加，集電海纜制造、施工成本也隨之增加，海纜敷設(shè)工期延長(zhǎng)，海纜損傷風(fēng)險(xiǎn)加大，更大規(guī)模的海上風(fēng)電場(chǎng)則會(huì)造成35 kV 側(cè)短路電流超標(biāo)或開(kāi)關(guān)柜額定電流不滿足要求等問(wèn)題［3-10］。

歐洲最早提出66 kV 作為海上風(fēng)電集電系統(tǒng)電壓等級(jí)的替代方案，并已在英國(guó)、丹麥的海上風(fēng)電場(chǎng)實(shí)施，體現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì)。與35 kV 集電系統(tǒng)相比，66 kV 集電海纜工程量將顯著減少，電纜投資和鋪設(shè)工程費(fèi)用也隨之降低，但在設(shè)備投資方面，66 kV 海底電纜、海上升壓站主變壓器、風(fēng)機(jī)內(nèi)升壓變壓器、66 kV 配電裝置等單價(jià)相比35 kV 設(shè)備增加較多，須進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選。

1 海上風(fēng)電場(chǎng)66 kV集電系統(tǒng)設(shè)備選擇

1.1 海上風(fēng)電場(chǎng)66 kV集電系統(tǒng)組成

海上風(fēng)電場(chǎng)66 kV 集電系統(tǒng)與常規(guī)35 kV 集電系統(tǒng)方案類(lèi)似，包含風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、66 kV 升壓變壓器、66 kV 海底電纜、66 kV 配電裝置、66 kV/220 kV主變壓器等［11］，如圖1所示。

圖1 典型海上風(fēng)電集電系統(tǒng)

1.2 66 kV集電系統(tǒng)設(shè)備選擇

1.2.1 風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)電氣設(shè)備

1）66 kV油浸式變壓器。

多家供應(yīng)商已能夠提供風(fēng)機(jī)內(nèi)配置66 kV 升壓變壓器的解決方案，并在Blyth Offshore Demonstra?tor、Nissum Bredning Vind 等海上風(fēng)電項(xiàng)目有成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)［12-13］。

2）66 kV開(kāi)關(guān)設(shè)備。

某廠家為海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)的66 kV 高壓開(kāi)關(guān)型號(hào)為PASSM00，已應(yīng)用于華電玉環(huán)1 號(hào)海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目?？砂惭b在塔筒內(nèi)部的66 kV緊湊型氣體絕緣配電裝置（Gas Insulated Substation，GIS）采用潔凈空氣絕緣技術(shù)和真空斷路器滅弧技術(shù)，不會(huì)出現(xiàn)溫室氣體排放和泄漏。

1.2.2 海上升壓站內(nèi)電氣設(shè)備

海上升壓平臺(tái)內(nèi)的主變壓器、氣體絕緣配電裝置等66 kV電氣設(shè)備技術(shù)上相對(duì)比較成熟，多家電氣設(shè)備供應(yīng)商均可提供完整的配套方案。當(dāng)海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模相同情況下，66 kV 集電系統(tǒng)中升壓站內(nèi)的低壓側(cè)開(kāi)關(guān)設(shè)備數(shù)目減少約50%，有利于節(jié)省海上升壓站內(nèi)空間，并且可避免集電海纜登平臺(tái)處過(guò)于擁堵［14］。

1.2.3 66 kV海底電纜

2019 年11 月，上海國(guó)纜檢測(cè)中心牽頭編制的TICW 10.1—2019《額定電壓66 kV（Um=72.5 kV）交聯(lián)聚乙烯絕緣大長(zhǎng)度交流海底電纜及附件》已發(fā)布實(shí)施，可為66 kV海纜生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

綜上所述，國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電場(chǎng)66 kV集電系統(tǒng)電氣設(shè)備均有替代產(chǎn)品，具備可實(shí)施性。

2 研究案例系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 研究案例設(shè)計(jì)邊界條件

1）海上風(fēng)電匯集方案。

選取35 kV和66 kV兩種海上風(fēng)電匯集方案。

2）海上風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量。

選取6 MW、8 MW 和10 MW 3 種容量的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行比選分析，3種機(jī)型的葉輪直徑分別為154 m、175 m和185 m。

3）海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模。

選取比較的海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模分別為600 MW 和900 MW。

2.2 構(gòu)建研究案例

根據(jù)前文所述，采用66 kV集電系統(tǒng)技術(shù)上具備可行性。而在經(jīng)濟(jì)性方面，當(dāng)風(fēng)場(chǎng)容量大于一定規(guī)?；蝻L(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量大于一定規(guī)格時(shí)，采用66 kV集電系統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)投資成本將與上述條件呈現(xiàn)逆相關(guān)趨勢(shì)。從風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模和風(fēng)電機(jī)組單體容量?jī)蓚€(gè)維度，構(gòu)建12個(gè)模型案例進(jìn)行對(duì)比分析，并繪制各案例海上風(fēng)場(chǎng)內(nèi)集電海纜典型布置圖并匯總?cè)绫?和表2所示。

表1 海上風(fēng)場(chǎng)內(nèi)35 kV 集電海纜典型布置圖匯總

表2 海上風(fēng)場(chǎng)內(nèi)66 kV 集電海纜典型布置圖匯總

假定所有案例場(chǎng)址平均水深為26 m，風(fēng)機(jī)平臺(tái)高度為14 m，并根據(jù)表1和表2列舉案例輸入條件分別計(jì)算各案例場(chǎng)內(nèi)集電海纜長(zhǎng)度，可得表3。

表3 各案例場(chǎng)內(nèi)集電海纜長(zhǎng)度匯總

3 海上風(fēng)電集電系統(tǒng)方案技術(shù)性研究

3.1 集電海纜有功功率損耗對(duì)比分析

海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，電能通過(guò)輸電線路傳輸而產(chǎn)生能量損耗，在所有風(fēng)電機(jī)組滿發(fā)條件下，各案例場(chǎng)內(nèi)集電海纜有功功率損耗統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4 各案例場(chǎng)內(nèi)集電海纜有功功率損耗匯總

根據(jù)以上分析，在場(chǎng)址規(guī)模、風(fēng)機(jī)單機(jī)容量相同的條件下，將場(chǎng)內(nèi)35 kV集電海纜電壓升高到66 kV，有功功率損耗減少40%～46%，但隨著風(fēng)機(jī)單機(jī)容量從6 MW 提高到8 MW 或10 MW，集電海纜有功功率損耗變化不明顯。

3.2 集電海纜敷設(shè)工期對(duì)比分析

集電海纜采用專(zhuān)業(yè)敷設(shè)船配備牽引式高壓水射水埋設(shè)機(jī)或開(kāi)溝犁進(jìn)行敷埋施工。根據(jù)調(diào)研，專(zhuān)業(yè)敷纜船海纜敷設(shè)速度約400 m/h，結(jié)合表3 統(tǒng)計(jì)海纜長(zhǎng)度，在氣象條件理想情況下，可得出各案例海底電纜敷設(shè)工期如表5所示。

表5 各案例場(chǎng)內(nèi)集電海纜敷設(shè)工期匯總

根據(jù)以上分析，在場(chǎng)址規(guī)模、風(fēng)機(jī)單機(jī)容量相同的條件下，將場(chǎng)內(nèi)35 kV集電海纜電壓升高到66 kV，理論施工周期減少30%～40%。在場(chǎng)址規(guī)模相同的條件下，采用35 kV電壓等級(jí)，風(fēng)機(jī)單機(jī)容量從6 MW提高到8 MW或10 MW，集電海纜敷設(shè)工期變化不明顯；采用66 kV電壓等級(jí)，風(fēng)機(jī)單機(jī)容量提升至8 MW以上時(shí)，集電海纜敷設(shè)工期約下降10%～17%。

3.3 集電海纜受外部損傷概率對(duì)比分析

海纜故障風(fēng)險(xiǎn)在海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中不可回避。雖然以往運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)得到的結(jié)論是海纜幾乎沒(méi)有自發(fā)的電氣故障，但海纜附件故障（如終端安裝不當(dāng)、接頭未處理好等）或外力因素（錨害、暴力施工等）造成的損傷則是不可忽略的潛在威脅。

根據(jù)國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議文件TB379—2009《高壓直埋電纜和海底電纜運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)》和歐洲海上油氣工業(yè)對(duì)油氣平臺(tái)高空墜落物對(duì)海纜損傷的相關(guān)統(tǒng)計(jì)進(jìn)行計(jì)算，得到海底電纜故障率如表6所示。

表6 各案例場(chǎng)內(nèi)集電海纜故障率估算

根據(jù)以上分析，在場(chǎng)址規(guī)模、風(fēng)機(jī)單機(jī)容量相同的條件下，將場(chǎng)內(nèi)35 kV集電海纜電壓升高到66 kV，故障率減少38.5%～43.2%。在場(chǎng)址規(guī)模相同的條件下，采用35 kV 電壓等級(jí)，風(fēng)機(jī)單機(jī)容量從6 MW 提高到8 MW 或10 MW，集電海纜故障率變化不明顯；而采用66 kV 電壓等級(jí)，風(fēng)機(jī)單機(jī)容量提升至8 MW以上時(shí)，集電海纜故障率約下降3.4%～5.9%。

通過(guò)上述分析可知，采用66 kV集電系統(tǒng)在技術(shù)方面體現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)，在設(shè)定場(chǎng)址規(guī)模、風(fēng)機(jī)單機(jī)容量相同的條件下，將海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)電壓等級(jí)由35 kV升高至66 kV，集電海纜有功損耗、敷設(shè)工期和故障率都顯著降低；在設(shè)定場(chǎng)址規(guī)模相同的條件下，集電系統(tǒng)采用35 kV 電壓等級(jí)，集電海纜有功損耗、敷設(shè)工期和故障率基本不會(huì)隨著風(fēng)機(jī)容量升高而變化，但當(dāng)集電系統(tǒng)采用66 kV電壓等級(jí)且風(fēng)機(jī)單機(jī)容量提升至8 MW以上時(shí)，集電海纜敷設(shè)工期和故障率分別有一定幅度下降，集電海纜有功損耗基本相當(dāng)。

4 海上風(fēng)電集電方案經(jīng)濟(jì)性研究

分別針對(duì)上文設(shè)計(jì)12 個(gè)案例的集電海纜及主要電氣設(shè)備的投資建設(shè)成本進(jìn)行計(jì)算，并計(jì)及集電海纜運(yùn)行損耗成本、集電海纜涉及征海費(fèi)用，用來(lái)分析比較35 kV和66 kV集電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

4.1 集電海纜投資建設(shè)成本

目前國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電場(chǎng)尚無(wú)應(yīng)用66 kV 集電海纜的先例，因此其價(jià)格較高，隨著將來(lái)更多的應(yīng)用和生產(chǎn)制造經(jīng)驗(yàn)的積累，預(yù)計(jì)66 kV海纜價(jià)格會(huì)有較明顯回落。參照歐洲海上風(fēng)電項(xiàng)目相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，66 kV 集電海纜相較35 kV集電海纜單價(jià)上浮比例約為15%，此結(jié)論在參考文獻(xiàn)［13］中得到了印證。將表3 統(tǒng)計(jì)場(chǎng)內(nèi)集電海纜長(zhǎng)度代入得到各案例場(chǎng)內(nèi)集電海纜投資建設(shè)成本（含敷設(shè)施工費(fèi)用）如表7所示。

表7 各案例場(chǎng)內(nèi)集電海纜投資建設(shè)成本匯總

根據(jù)以上分析，在場(chǎng)址規(guī)模、風(fēng)機(jī)單機(jī)容量相同的條件下，將場(chǎng)內(nèi)35 kV集電海纜電壓升高到66 kV，海纜投資成本減少17%～31%，在場(chǎng)址規(guī)模相同的條件下，采用35 kV電壓等級(jí)，風(fēng)機(jī)單機(jī)容量從6 MW提高到8 MW或10 MW，集電海纜投資建設(shè)成本變化不明顯；而采用66 kV 電壓等級(jí)，風(fēng)機(jī)單機(jī)容量提升至8 MW 以上時(shí)，集電海纜投資成本約下降13%～17%。

4.2 集電系統(tǒng)電氣設(shè)備投資成本

為了計(jì)算投資成本，根據(jù)系統(tǒng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)每個(gè)系統(tǒng)內(nèi)主要電氣設(shè)備的數(shù)量。海上升壓站內(nèi)的升壓變壓器的低壓側(cè)所連接的開(kāi)關(guān)設(shè)備與連接的集電海纜根數(shù)相關(guān)，因此66 kV集電系統(tǒng)中升壓站內(nèi)的中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備數(shù)目比35 kV 方案顯著減少［15］。按上述原則統(tǒng)計(jì)各案例集電系統(tǒng)除海纜外的電氣設(shè)備，并分別與ABB、SIEMENS等供貨商咨詢(xún)?cè)O(shè)備單價(jià)，得到集電系統(tǒng)電氣設(shè)備投資成本匯總?cè)绫?所示。

表8 各案例集電系統(tǒng)電氣設(shè)備投資成本匯總

雖然66 kV 集電海纜投資成本低于35 kV 方案，但由于66 kV配電裝置和風(fēng)機(jī)升壓變?cè)靸r(jià)水平較高，推升其總價(jià)（含集電海纜和電氣設(shè)備兩部分）升高。

4.3 集電海纜運(yùn)行損耗費(fèi)用

風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)滿發(fā)時(shí)，假定各案例等效年利用小時(shí)數(shù)均為2 700 h，根據(jù)《電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》對(duì)損耗小時(shí)數(shù)的折算，可知各案例集電海纜損耗小時(shí)數(shù)均為1 150 h，由此可得各案例運(yùn)行損耗費(fèi)用如表9所示。

表9 各案例集電海纜運(yùn)行損耗費(fèi)用匯總

4.4 集電海纜海域使用金費(fèi)用

根據(jù)《海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)建設(shè)管理辦法》第二十條的規(guī)定：“海上風(fēng)電機(jī)組用海面積為所有風(fēng)電機(jī)組塔架占用海域面積之和，單個(gè)風(fēng)電機(jī)組塔架用海面積一般按塔架中心點(diǎn)至基礎(chǔ)外緣線點(diǎn)再向外擴(kuò)50 m 為半徑的圓形區(qū)域計(jì)算；海底電纜用海面積按電纜外緣向兩側(cè)各外擴(kuò)10 m 寬為界計(jì)算”。按上述要求所得各案例征海費(fèi)用如表10所示。

表10 各案例集電海纜海域使用金費(fèi)用匯總

綜上，可得到各案例費(fèi)用總計(jì)分布，如圖2所示。在場(chǎng)址規(guī)模、風(fēng)機(jī)單機(jī)容量相同的條件下，當(dāng)風(fēng)機(jī)單機(jī)容量大于8 MW 時(shí)，66 kV 集電系統(tǒng)總費(fèi)用比35 kV 方案約節(jié)省3.0%～6.4%。在場(chǎng)址規(guī)模相同的條件下，采用35 kV電壓等級(jí)，風(fēng)機(jī)單機(jī)容量從6 MW提高到8 MW 或10 MW，集電系統(tǒng)總費(fèi)用變化不規(guī)律；而采用66 kV電壓等級(jí)，隨著風(fēng)機(jī)單機(jī)容量升高，集電系統(tǒng)總費(fèi)用呈逐漸下降趨勢(shì)。

圖2 各案例費(fèi)用總計(jì)分布

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合不同邊界條件設(shè)計(jì)12 個(gè)案例，將集電海纜技術(shù)參數(shù)、設(shè)備單價(jià)等輸入條件帶入案例分析，對(duì)35 kV集電系統(tǒng)與66 kV集電系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了全面的對(duì)比和研究。

相對(duì)常規(guī)35 kV 集電系統(tǒng)，采用66 kV 集電方案后場(chǎng)內(nèi)集電海纜長(zhǎng)度減小30%～40%，總資本支出減少17%～31%，雖然單位長(zhǎng)度海底電纜的成本增加，但通過(guò)總電纜長(zhǎng)度的減少得到補(bǔ)償。

在場(chǎng)址規(guī)模相同條件下，66 kV 集電海纜的敷設(shè)工期和有功損耗遠(yuǎn)低于35 kV 方案。因66 kV 集電海纜總長(zhǎng)度和回路數(shù)相對(duì)35 kV 方案大幅減少，所以66 kV 方案海底電纜故障率更低，在技術(shù)上體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。

在本文設(shè)定的案例中，當(dāng)風(fēng)機(jī)單機(jī)容量大于8 MW 時(shí)，采用66 kV 集電系統(tǒng)總費(fèi)用比35 kV 方案約節(jié)省3.0%～6.4%，則66 kV 集電系統(tǒng)體現(xiàn)出更優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性。

隨著海上風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量不斷增長(zhǎng)，以35 kV作為場(chǎng)內(nèi)集電系統(tǒng)的電壓等級(jí)將逐漸成為制約海上風(fēng)電發(fā)展的瓶頸。在海上風(fēng)電項(xiàng)目應(yīng)用66 kV集電系統(tǒng)，可以減少連接風(fēng)機(jī)回路數(shù)，從而降低海上升壓站接線的復(fù)雜程度，甚至可以減少海上升壓站數(shù)量或取消海上升壓站；同時(shí)，還可以減少集電海纜用量，極大地降低線路損耗，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。