徐彬,薛帥,高厚磊,彭放
(1.電網(wǎng)智能化調(diào)度與控制教育部重點實驗室(山東大學(xué)),山東省 濟南市 250061;2.國網(wǎng)冀北電力有限公司唐山供電公司,河北省 唐山市 063000)
工業(yè)化以來,全球能源發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)愈發(fā)嚴(yán)峻,全球氣候變化、環(huán)境污染和化石能源枯竭日益成為各國各政府亟需解決的現(xiàn)實問題。根據(jù)美國能源情報署2019年的報告,2018—2050年全球能源需求將持續(xù)增長近50%。其中可再生能源將以每年3%的速度增長,成為世界上增長最快的能源形式,并于2050年成為世界一次能源的主要來源[1]。國家發(fā)改委的《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》[2]中也指出“可再生能源已成為全球能源轉(zhuǎn)型及實現(xiàn)應(yīng)對氣候變化目標(biāo)的重大戰(zhàn)略舉措”??梢?,面對越來越嚴(yán)峻的能源形勢,調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向可再生能源資源的開發(fā)已經(jīng)逐漸成為各個國家的共識。
在可再生能源技術(shù)中,風(fēng)力發(fā)電是最成熟、最具大規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一[3-5]。與陸上風(fēng)電相比,由于海洋環(huán)境的特殊性,海上風(fēng)電的開發(fā)仍然存在一些問題[6-7],如施工難度大、運營維護(hù)困難以及成本更高等。但海上風(fēng)電的優(yōu)點也同樣明顯:海上風(fēng)速通常較陸上風(fēng)速更高,因而同等條件下海上風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電量要高于陸上;海上很少有靜風(fēng)期,因而海上風(fēng)電具有更高的利用小時數(shù);與陸地復(fù)雜的地形相比,海上的環(huán)境簡單,更均勻的風(fēng)速對設(shè)備損壞更??;海上風(fēng)電不需要占用土地資源,更適宜大規(guī)模開發(fā);與陸上風(fēng)電相比,海上風(fēng)電一般更靠近負(fù)荷中心,可以減少輸電損失,電力的消納也有保障。憑借這些優(yōu)點,海上風(fēng)力發(fā)電將成為未來風(fēng)電技術(shù)研究的重心和前沿,并成為未來風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向。
近10 年來,海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展十分迅速,海上風(fēng)電場的數(shù)量不斷增加、規(guī)模不斷擴大。據(jù)全球風(fēng)能理事會的研究統(tǒng)計,到2025年,全球海上風(fēng)電每年新增裝機容量將突破20 GW,到2030年將突破30 GW,未來10年新增海上風(fēng)電裝機容量將超過205 GW[8]。與此同時,我國海上風(fēng)電的建設(shè)工作也將得到長足發(fā)展,到2020年年底,海上風(fēng)電的裝機容量已達(dá)到30 GW[9]。我國首部海上風(fēng)力發(fā)電場國家標(biāo)準(zhǔn)《海上風(fēng)力發(fā)電場設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[10]于2019 年10 月1 日起開始實施,這一國家標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布,將更好地指導(dǎo)我國海上風(fēng)電場設(shè)計工作,對于我國海上風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展將起到重要促進(jìn)作用。可以預(yù)見,海上風(fēng)電將會成為未來能源系統(tǒng)的重要組成部分,其發(fā)展也會在世界范圍內(nèi)得到大力推動。
本文旨在通過對全球海上風(fēng)電場的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行收集匯總和整理,從海上風(fēng)電場的布局、風(fēng)力發(fā)電機組、海上風(fēng)電場的并網(wǎng)方式和保護(hù)控制方式等方面對當(dāng)前海上風(fēng)電行業(yè)發(fā)展的總體形勢進(jìn)行分析,并預(yù)測未來海上風(fēng)電的發(fā)展趨勢。
自從世界上第一座海上風(fēng)電場Vindeby 于1991 年在丹麥實現(xiàn)并網(wǎng)運行后,全球海上風(fēng)電一直以較快的速度發(fā)展,預(yù)計在接下來幾年還會繼續(xù)高速增長。據(jù)統(tǒng)計,目前世界上共有199 個海上風(fēng)電場項目已經(jīng)投入運行,此外還有71個項目處于在建階段或前期準(zhǔn)備階段[11-12]。
截止到2020年年底,全世界已投運海上風(fēng)電場裝機容量達(dá)到了32.66 GW,其中歐洲裝機容量最大(25.15 GW),其次是亞洲(7.48 GW)和美洲(0.04 GW)。在歐洲,英國和德國在發(fā)展海上風(fēng)電場方面占據(jù)主導(dǎo)地位,兩國的總裝機容量占?xì)W洲的72.06%。在亞洲,中國處于顯著的領(lǐng)先地位,海上風(fēng)電總裝機容量占亞洲的94.36%。美洲大陸只有美國一個國家建設(shè)有海上風(fēng)電場,總裝機容量為0.04 GW。全球海上風(fēng)電場裝機容量及分布情況如圖1和表1所示。
圖1 2011—2020年全球累計海上風(fēng)電裝機容量Fig.1 Global cumulative offshore wind capacity from 2011 to 2020
表1 全球海上風(fēng)電場及風(fēng)力發(fā)電機分布Tab.1 Distribution of global offshore wind farm and wind turbines
如圖1 所示,在2011—2020 年,全球海上風(fēng)電累計裝機容量從3.457 GW 增長到了32.51 GW,增長幅度達(dá)到943.9%。僅2020年一年,全球海上風(fēng)電新增裝機容量就達(dá)到了6.567 GW,是2017年全球累計裝機容量的31.04%。
與其他國家相比,中國海上風(fēng)電的起步較晚,但發(fā)展速度較快。2007年,中海油公司利用廢棄的渤海灣綏中海上油田導(dǎo)管架基礎(chǔ),建立了中國第一座海上風(fēng)機,拉開了中國海上風(fēng)電事業(yè)發(fā)展的序幕。2010 年,中國第一個大型海上風(fēng)電場—上海東海大橋項目完成并網(wǎng),至此,中國海上風(fēng)電進(jìn)入快速發(fā)展階段。在隨后的10年間,中國海上風(fēng)電的累計容量從2010 年的150 MW 增長到2020年的7.06 GW,增長約46倍。截止到2020年年底,中國海上風(fēng)電累計裝機容量位于全世界第三,占全球裝機容量的21.6%。
隨著海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步,海上風(fēng)電場逐漸朝著大型化和規(guī)?;l(fā)展。1991 年,丹麥的Vindeby風(fēng)電場并網(wǎng)時,只有11臺450 kW的風(fēng)機,而到2020 年,在英國并網(wǎng)的Hornsea Project One 風(fēng)電場已包含174 臺風(fēng)機,總裝機容量達(dá)到了1 218 MW。
圖2 給出了1995—2020 年不同時間段投入運行的海上風(fēng)電場的平均裝機容量和平均風(fēng)機數(shù)量??梢钥闯?,1995—2020 年海上風(fēng)電場的風(fēng)機數(shù)量和裝機容量顯著增加,這不僅得益于海上風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)步,更是海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然要求。
圖2 1995—2020年全球海上風(fēng)電場規(guī)模Fig.2 Global offshore wind farm scake capacity from 1995 to 2020
成本問題一直是海上風(fēng)力發(fā)電的最大痛點,由于海上環(huán)境的特殊性,海上風(fēng)電的安裝、發(fā)電和運行維護(hù)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他能源,而增加海上風(fēng)電場的規(guī)模有利于降低成本。一方面,大規(guī)模的海上風(fēng)電場統(tǒng)一并網(wǎng),可以分?jǐn)偛⒕W(wǎng)建設(shè)成本;另一方面,集群化的海上風(fēng)電場有利于工作人員進(jìn)行統(tǒng)一的運行維護(hù),降低了平均維護(hù)成本。同時,伴隨著海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的成熟,政策補貼將逐漸退坡,這將導(dǎo)致成本問題更加凸顯[13]。在這種背景下,不斷規(guī)模化、集群化、大型化,通過規(guī)模效應(yīng)降低非技術(shù)成本將是未來海上風(fēng)電發(fā)展的必然趨勢。
海上風(fēng)電場的離岸距離和水深影響建設(shè)投資支出和運行維護(hù)成本,具有重要的經(jīng)濟意義。海上風(fēng)電場一般經(jīng)海上升壓站采用海纜方式上岸,離岸距離直接影響海纜長度及費用,風(fēng)電場距離海岸線越遠(yuǎn),與安裝過程和并網(wǎng)相關(guān)的成本就越高。此外,由于荷載的增加,更深的水域處風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)規(guī)模更大,這將導(dǎo)致風(fēng)機基礎(chǔ)、海上升壓站平臺基礎(chǔ)相關(guān)的建設(shè)成本上升。歐洲風(fēng)能協(xié)會的研究表明,淺水風(fēng)機基礎(chǔ)的成本(包括安裝費用)大約在150萬~200萬歐元/MW,該成本隨水深增加呈指數(shù)級升高[14]。
圖3 為全球正在運行的海上風(fēng)電場的離岸距離和水深示意圖,其中氣泡的尺寸代表該海上風(fēng)電場的風(fēng)機總數(shù)??梢钥闯?,已投運的海上風(fēng)力發(fā)電場基本位于離岸距離50 km 以內(nèi),其中大部分位于離岸20 km 以內(nèi)、平均水深小于30 m 的海域內(nèi)。
圖3 正在運行的海上風(fēng)電場的平均離岸距離和水深Fig.3 Average water depth and distance to shore of operational offshore wind farms
然而,遠(yuǎn)海具有更高、更平穩(wěn)的風(fēng)速、更少的紊流和更開闊的空間,風(fēng)能質(zhì)量更高[15]。同時,相較于近海風(fēng)電,遠(yuǎn)海風(fēng)電無需過多考慮環(huán)境保護(hù)以及影響海岸線、占用航線等問題。不同時間段投運風(fēng)電場的平均離岸距離和水深如圖4所示,可以看出,在海上風(fēng)電的發(fā)展過程中,海上風(fēng)電場所處水域的水深和離岸距離均呈現(xiàn)顯著增加的趨勢。隨著海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,近海風(fēng)電資源的開發(fā)將逐步趨于飽和,因此,未來海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)勢必將向深水遠(yuǎn)海發(fā)展。
圖4 不同時間段投運風(fēng)電場的平均離岸距離和水深Fig.4 Average water depth and distance to shore of offshore wind farms put into operation in different time periods
與陸上風(fēng)電相比,海上風(fēng)電建設(shè)處在更為復(fù)雜的海洋環(huán)境中,海上風(fēng)機的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)除其結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載之外,還受波浪力、水流力等因素的影響,因此海上風(fēng)機基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)與陸上風(fēng)電有較大差異。同時,根據(jù)風(fēng)機的大小、桿塔尺寸、離岸距離和水深等建設(shè)條件的不同,發(fā)展出了不同的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型。通常海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式有重力式基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)、高樁承臺基礎(chǔ)、三腳樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、負(fù)壓桶基礎(chǔ)和浮式基礎(chǔ)等類型[16-17],目前已投運的海上風(fēng)電場中主要使用的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型如圖5 所示,每種結(jié)構(gòu)類型的特點和適用條件如表2所示[18-19]。
圖5 海上風(fēng)電場基礎(chǔ)類型Fig.5 Offshore wind turbine foundations
表2 海上風(fēng)機基礎(chǔ)特征總結(jié)Tab.2 Summary of characteristics of offshore wind turbine foundations
從表2 可以看出,單樁基礎(chǔ)是已投運海上風(fēng)電場中應(yīng)用最為廣泛的風(fēng)機基礎(chǔ),采用單樁基礎(chǔ)的風(fēng)機占全部海上風(fēng)機的75.38%。然而,隨著海上風(fēng)電向深水遠(yuǎn)海發(fā)展,單樁基礎(chǔ)不能很好地適應(yīng)更深水域的要求,面對新的場景、新的海洋氣候環(huán)境,需要新的、更先進(jìn)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。對于20~50 m 水深的海域,可以采用三腳樁基礎(chǔ)和導(dǎo)管架式基礎(chǔ)來提供更好的穩(wěn)定性和基礎(chǔ)強度;對于50 m以上的深水海域,固定式基礎(chǔ)的技術(shù)性不完善且經(jīng)濟性較差,可以采用浮式基礎(chǔ)。
風(fēng)力發(fā)電機作為將機械能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備,是海上風(fēng)電場的重要組成部分。在過去10 年中,能源生產(chǎn)需求呈指數(shù)級增長,導(dǎo)致海上風(fēng)電機組安裝數(shù)量和裝機容量持續(xù)增長,機組額定功率已突破10 MW[20]。表3顯示了按風(fēng)電機容量劃分的已投運風(fēng)電機數(shù)量和這些風(fēng)機所在海上風(fēng)電場的數(shù)量。全球風(fēng)力發(fā)電機的平均容量在3~4 MW,這一區(qū)間包括了全球43個風(fēng)電場,共2 366臺風(fēng)電機,占全球正在運行的風(fēng)力發(fā)電機總數(shù)的近50%。
表3 不同風(fēng)機容量下風(fēng)機數(shù)量和風(fēng)電場數(shù)量Tab.3 Number of turbines and wind farms under different turbine capacities
此外,自1995年以來,海上風(fēng)力發(fā)電機的容量也獲得了巨大提升,全球平均風(fēng)力發(fā)電容量系數(shù)從2010 年的不到22%提高到2017 年的超過24%[17]。如圖6所示,在過去25,年風(fēng)力發(fā)電機組容量從第一批海上風(fēng)電場平均約70 kW 的額定容量提升到2020年額定容量為5 MW或更高。
圖6 海上風(fēng)力發(fā)電機容量發(fā)展歷程Fig.6 Development of offshore wind turbine capacity
風(fēng)力發(fā)電機種類繁多,從總體上可以分為恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機;按工作原理不同,可以分為同步風(fēng)力發(fā)電機和異步風(fēng)力發(fā)電機。目前投入商業(yè)運行的風(fēng)力發(fā)電機組主要采用鼠籠式風(fēng)力發(fā)電機、雙饋式風(fēng)力發(fā)電機和永磁同步發(fā)電機3種類型,如表4所示。
表4 海上風(fēng)力發(fā)電機類型Tab.4 Types of offshore wind turbine
在這3 種類型的風(fēng)機中,鼠籠式風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活,能很好地滿足風(fēng)電場對系統(tǒng)提出的高可靠、免維護(hù)的性能要求,但需要額外的無功補償裝置,電壓和功率因數(shù)控制也比較困難[21];雙饋式風(fēng)力發(fā)電機具有變頻器容量小、成本低、易于維護(hù)、發(fā)電機變速運行范圍寬的優(yōu)點,但因為滑環(huán)、電刷的存在,容易產(chǎn)生摩擦損耗,降低了可靠性,且控制回路多、控制較復(fù)雜、要求變頻器具有低電壓穿越等并網(wǎng)運行能力[22]。與異步式發(fā)電機相比,永磁同步發(fā)電機由于其效率高、功率密度大、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活多樣、重量輕且可靠性高等諸多優(yōu)點,已經(jīng)成為大容量風(fēng)力發(fā)電機組的主力機型之一[23]。
從表4 中可以看出,由于可靠性高、維護(hù)要求低的特性更加適應(yīng)海上風(fēng)電復(fù)雜環(huán)境的需求,鼠籠式風(fēng)力發(fā)電機是全球已投運海上風(fēng)電場中應(yīng)用最為廣泛的風(fēng)機類型,占全部風(fēng)機數(shù)量的41.36%。但隨著海上風(fēng)電向深水遠(yuǎn)海發(fā)展,能源需求不斷提高,更大容量的海上風(fēng)機成為未來發(fā)展的趨勢。由表4可知,永磁同步風(fēng)機與另2種風(fēng)機類型相比,其平均容量和最大容量均顯著增大。尤其在近些年,永磁同步海上風(fēng)電機組發(fā)展極為迅速,在2015—2019年新增的海上風(fēng)電場中,投運的永磁同步發(fā)電機占發(fā)電機總數(shù)的69.09%。可見,永磁同步風(fēng)機將是未來海上風(fēng)電機組大型化研究的重要方向。
集電系統(tǒng)是海上風(fēng)電場電氣系統(tǒng)的重要組成部分,包含的設(shè)備、元件繁多,連接方式復(fù)雜,其總成本占整個海上風(fēng)電場建造成本的15%~30%,僅中壓海底電纜所占比例就高達(dá)5%[24]。
由于海上風(fēng)電場運行條件十分惡劣,集電系統(tǒng)一旦發(fā)生故障,其維護(hù)、檢修工作難度更大,耗時更長。因此,海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計關(guān)系著整個海上風(fēng)電場的安全與經(jīng)濟運行,成為工程技術(shù)人員關(guān)注的焦點之一。
集電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計主要包括集電系統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化、設(shè)備選型等方面,目前相關(guān)研究成果較多,但還需結(jié)合工程實際來檢驗和改進(jìn)。海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)任務(wù)是將各風(fēng)電機組輸出的電能通過中壓海底電纜匯集到海上變電站的匯流母線。海上風(fēng)電場常用的集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有以下5 種:放射形結(jié)構(gòu)、星形結(jié)構(gòu)、單邊環(huán)形、雙邊環(huán)形及復(fù)合環(huán)形。
近年來有不少學(xué)者從設(shè)計、優(yōu)化及評估等方面對集電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步研究,并提出了集電網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[25-26]使用標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法對海上風(fēng)電場電氣系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,得出了若干風(fēng)電場電氣系統(tǒng)整體配置的優(yōu)化方案;文獻(xiàn)[27]對前述算法特性進(jìn)行了分析;文獻(xiàn)[28]在海上風(fēng)電場基本電氣結(jié)構(gòu)確定的基礎(chǔ)上給出了冗余設(shè)計方法,并以成本最低為目標(biāo),利用不同的算法對風(fēng)電場內(nèi)部電氣連接進(jìn)行了優(yōu)化。此外,還有基于最小生成樹算法的優(yōu)化方法以及基于模糊C 均值聚類的優(yōu)化方法等[24]。相關(guān)優(yōu)化算法以集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性或可靠性為優(yōu)化目標(biāo),得出滿足相關(guān)條件的優(yōu)化結(jié)果。
海上風(fēng)電的并網(wǎng)方式可以主要分為高壓交流輸電技術(shù)(high voltage alternating current,HVAC)和高壓直流輸電技術(shù)(high voltage direct current,HVDC)2 種,分別適用于不同的工程情況。風(fēng)電場額定容量在400 MW以內(nèi),離岸距離在70 km之內(nèi)可考慮采用高壓交流輸電方式,但HVAC 對于長距離、大容量的輸電存在一定問題[29]。當(dāng)HVAC 技術(shù)不能滿足并網(wǎng)需求時,可以采用高壓直流輸電的方式來進(jìn)行并網(wǎng)。與HVAC 相比,HVDC 技術(shù)具有輸送距離遠(yuǎn)、運行調(diào)控靈活等優(yōu)點,是未來海上風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)的趨勢。圖7 為高壓直流并網(wǎng)風(fēng)電場的典型結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7 典型的高壓直流并網(wǎng)海上風(fēng)電場結(jié)構(gòu)Fig.7 Typical structure of HVDC grid-connected offshore wind farm
HVDC 技術(shù)按照器件類型可以分為基于晶閘管的電網(wǎng)換相換流器(line commutated converter,LCC)型LCC-HVDC 輸電方式和基于電壓源換流器(voltage source converter,VSC)的VSC-HVDC輸電方式。與LCC-HVDC 輸電技術(shù)相比,VSCHVDC 輸電技術(shù)可以通過穩(wěn)定的電壓和頻率獨立地控制有功和無功,能夠連接非常弱的系統(tǒng)甚至是無源網(wǎng)絡(luò),因此,目前世界上采用直流輸電的海上風(fēng)電場均采用VSC-HVDC技術(shù)[29]。VSC-HVDC技術(shù)根據(jù)風(fēng)電場集電系統(tǒng)運行頻率又可以進(jìn)一步細(xì)分,當(dāng)采用的交流頻率為低頻(10~20 Hz)時,海上風(fēng)電場為低頻電網(wǎng),線路無功電流大幅減少,可以解決遠(yuǎn)海風(fēng)電送出問題;當(dāng)采用的交流頻率為中頻(100~400 Hz)時,海上風(fēng)電場為中頻電網(wǎng),變壓器和濾波器的體積和重量得以大幅減小,集電系統(tǒng)建設(shè)的經(jīng)濟性得以提高[30]。此外,文獻(xiàn)[31]提出了直流集電系統(tǒng)的高壓直流并網(wǎng)海上風(fēng)電場設(shè)計,能夠?qū)崿F(xiàn)更小的集電系統(tǒng)損耗,并且省去了集電系統(tǒng)的無功補償設(shè)備及笨重的變壓器設(shè)備,其結(jié)構(gòu)如圖8所示。
圖8 采用直流集電系統(tǒng)的高壓直流并網(wǎng)海上風(fēng)電場結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of HVDC grid-connected offshore wind farm using DC collector system
按照換流器的拓?fù)漕愋?,VSC-HVDC 可以劃分為基于兩電平、三電平技術(shù)的VSC-HVDC輸電技術(shù)、以及基于模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)的MMC-HVDC 輸電技術(shù),其中,早期多以兩電平和三電平為主,但其存在諧波含量高、開關(guān)損耗大等缺陷。MMC技術(shù)通過多個開關(guān)器件的串聯(lián),允許子模塊使用較低的開關(guān)頻率,減少了器件的損耗,此外,通過使用更多的電平降低了電壓的諧波含量,從而省去了濾波器的配置要求。
由于MMC 換流站占地空間及建造成本均較LCC 換流站要大,文獻(xiàn)[32]提出了采用混合直流輸電技術(shù),即海上變電站采用VSC技術(shù),岸上變電站采用LCC技術(shù),該技術(shù)不但可以保留柔性直流輸電技術(shù)的絕大部分優(yōu)勢,而且可以優(yōu)化工程造價,對于海上風(fēng)電的并網(wǎng)具有很大優(yōu)勢。進(jìn)一步地,為了減少海上風(fēng)電場高壓直流換流站的能源消耗及建設(shè)難度,文獻(xiàn)[33]提出了將海上VSC換流站替換為晶閘管,而陸上換流站依然采用VSC 型輸電結(jié)構(gòu),使傳輸損耗和建造成本分別下降了20%和30%。
考慮到技術(shù)的成熟性,在已投運的風(fēng)電場中,只有德國和中國的部分風(fēng)電場采用了VSC-HVDC并網(wǎng)的技術(shù),其他風(fēng)電場均采取的是不同電壓等級的高壓交流并網(wǎng)。同時,在德國的海上風(fēng)電場中,VSC-HVDC并網(wǎng)的比例很高。在已投運的19座德國風(fēng)電場中,有5 座采用的是高壓柔直并網(wǎng)的方式。在建的風(fēng)電場中,所有來自德國的項目采用的均是高壓柔直并網(wǎng)的方式??梢?,VSCHVDC 并網(wǎng)技術(shù)在德國的大規(guī)模海上風(fēng)電場項目中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,也是德國海上風(fēng)電場未來并網(wǎng)方式發(fā)展的主流。
對于其他國家的海上風(fēng)電場,高壓交流并網(wǎng)仍然是主要選擇。但英國在建的Hornsea I 和Hornsea II兩個項目擬采用HVDC并網(wǎng),可見更多的國家正意識到HVDC 并網(wǎng)的優(yōu)勢。在海上風(fēng)電駛向遠(yuǎn)海的背景下,HVDC 并網(wǎng)技術(shù)將成為未來海上輸電技術(shù)的熱點。
詳細(xì)總結(jié)了全球海上風(fēng)電的發(fā)展現(xiàn)狀、未來趨勢,并重點介紹了海上風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù),包括風(fēng)力發(fā)電機組、風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、風(fēng)電場集電系統(tǒng)以及海上風(fēng)電場并網(wǎng)方式等。研究結(jié)果表明,當(dāng)前海上風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)正向著更深、更遠(yuǎn)海域發(fā)展,風(fēng)電場向更大規(guī)模、更多風(fēng)機發(fā)展,風(fēng)力發(fā)電機組向更大裝機容量發(fā)展,永磁同步風(fēng)機成為未來海上風(fēng)機的主要選擇。
隨著海上風(fēng)電開發(fā)區(qū)域不斷向深海拓展,有效降低開發(fā)成本至關(guān)重要。為克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷并降低海上風(fēng)電場開發(fā)成本,仍然需要學(xué)術(shù)領(lǐng)域開展持續(xù)的研究和創(chuàng)新。