陳明福

（中國電建集團福建省電力勘測設(shè)計院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

福建省海上風(fēng)電資源豐富，單座海上風(fēng)電場區(qū)既有規(guī)劃100 MW 到2 000 MW 的近海風(fēng)電，也有1 000 MW 到超過7 000 MW 的遠海風(fēng)電。

海上風(fēng)電規(guī)模化、集群化、遠?；陌l(fā)展趨勢，對風(fēng)電的開發(fā)提出了一系列要求：一方面是大規(guī)模風(fēng)電開發(fā)與用海集約化要求的協(xié)調(diào)［1］；另一方面，柔性直流輸電方案是遠海大規(guī)模海上風(fēng)電的重要選擇［2-3］，但在我國海上風(fēng)電領(lǐng)域僅處于起步階段，包括福建省在內(nèi)的眾多沿海省份缺乏建設(shè)運行經(jīng)驗。本文對以上問題開展研究，為福建省今后的工程應(yīng)用進行技術(shù)儲備。

1 福建海上風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃

福建省作為全國“新型電力系統(tǒng)示范區(qū)”之一，未來能源供給增量將以零碳能源（主要是核能+可再生能源）為主體，并逐步提高比重。以下說明福建省海上風(fēng)電規(guī)劃和消納情況。

1.1 近海風(fēng)電

根據(jù)福建省近海海上風(fēng)電等規(guī)劃［4］，具備較好開發(fā)條件的近海風(fēng)電廠址主要分布于福州、漳州、莆田、寧德，場區(qū)分布和特點分別如表1 所示，單座場區(qū)裝機規(guī)模100 MW～1 800 MW。

表1 福建省近海海上風(fēng)電場址規(guī)劃

1.2 遠海風(fēng)電

根據(jù)福建省海上風(fēng)電場工程規(guī)劃、閩南海上風(fēng)電基地等規(guī)劃研究［5-6］，深遠海風(fēng)電場區(qū)分布及規(guī)模等分別如表2 所示，單座場區(qū)裝機規(guī)模900 MW～7 200 MW，離岸距離54 km～200 km。

表2 福建省遠海風(fēng)電規(guī)劃場區(qū)情況

1.3 電力消納

結(jié)合福建省電力市場、電源規(guī)劃等所做出的電力平衡分析［7-8］：福建省電力缺額主要在南部電網(wǎng)；隨著海上風(fēng)電規(guī)模的增大，冬季盛風(fēng)期負荷小方式全省逐漸出現(xiàn)電力盈余；未來盈余風(fēng)電可考慮通過互聯(lián)通道送至周邊省份，在更大范圍內(nèi)實現(xiàn)福建省海上風(fēng)電資源的優(yōu)化配置；大規(guī)模海上風(fēng)電宜通過高電壓等級進行匯集外送。

2 海上風(fēng)電輸電方式

2.1 現(xiàn)狀

海上風(fēng)電輸電方式主要包括高壓交流輸電方式和高壓直流輸電方式，兩者適用于不同規(guī)模和離岸距離的海上風(fēng)電項目。

（1）交流輸電方式。綜合考慮海纜制造能力和輸送能力，交流輸電方式通常用于海上風(fēng)電場規(guī)模較?。?00 MW 以內(nèi)）且風(fēng)場距離海岸較近（70 km 以內(nèi)）的情況，目前國內(nèi)外大部分海上風(fēng)電項目采用這種方式。福建省已建或在建的海上風(fēng)電均為近海風(fēng)電，升壓站離岸距離在50 km 以內(nèi)，均采用交流輸電方式、在岸上或海上建設(shè)交流升壓站，如圖1 所示。

圖1 福建省部分已建海上風(fēng)電接線示意圖

（2）直流輸電方式。直流送出主要有常規(guī)直流、柔性直流2種技術(shù)路線。與常規(guī)直流輸電技術(shù)相比而言，柔性直流輸電技術(shù)具備以下特性：不易發(fā)生換相失敗、可接入無源網(wǎng)絡(luò)、可靈活獨立地控制有功和無功、不需要交流側(cè)提供無功補償裝置、具備黑啟動能力。這些特性使柔性直流輸電技術(shù)成為大規(guī)模、遠距離海上風(fēng)電主流并網(wǎng)技術(shù)。

國外遠海海上風(fēng)電柔直送出工程在北海較為集中，建有4個海上風(fēng)電場集群，以±320 kV 為主、功率690 MW～900 MW、線路長度90 km～205 km。國內(nèi)僅江蘇省在建如東和射陽海上風(fēng)電項目采用柔直送出方案，電壓最高±400 kV，功率最大1 100 MW，離岸距離70 km，采用對稱單極接線，如圖2 所示。

圖2 江蘇如東海上風(fēng)電柔直輸電項目送出方案

2.2 輸電方式比較

以下對海上風(fēng)電分別采用交流輸電方式或柔直輸電方式進行比較。

（1）技術(shù)比較。①交流輸電方式。結(jié)構(gòu)相對簡單、技術(shù)成熟、工程經(jīng)驗豐富；但由于電纜充電功率的限制，傳輸距離有限，且電壓等級越高，充電電流越大，對無功補償要求越高，增大占地。②柔性直流輸電方式?？梢赃B接規(guī)模更大、離岸更遠的海上風(fēng)電場，適應(yīng)風(fēng)電場大范圍頻率波動，不受傳輸距離的限制，且傳輸損耗較低；不易發(fā)生換相失敗、可接入無源網(wǎng)絡(luò)、可靈活獨立地控制有功和無功、不需要交流側(cè)提供無功補償裝置、具備黑啟動能力。

（2）投資比較。根據(jù)福建省海上風(fēng)電規(guī)劃規(guī)模、海纜等設(shè)備電力輸送能力和生產(chǎn)制造水平，參考國內(nèi)外海上風(fēng)電配套送出工程投資水平，挑選800 MW、1 200 MW、1 600 MW 3 種規(guī)模，對海上風(fēng)電不同的輸電方式進行投資比較。其中：①交流送出方案按照風(fēng)機+海上升壓站+陸上集控站+各級海纜的建設(shè)模式；②柔性直流送出方案按照風(fēng)機+海上升壓站+海上換流站+陸上換流站的建設(shè)模式。

由比較圖3 所示曲線可見：①當(dāng)風(fēng)電場離岸輸電距離在60 km 以內(nèi)時，建議采用交流輸電方案；若整個場區(qū)風(fēng)電裝機規(guī)模較大，可考慮分散送出。②當(dāng)容量800 MW 及以上的大規(guī)模風(fēng)電場匯集外送且輸電距離超過70 km，建議采用柔性直流輸電方案；電壓等級需根據(jù)裝機規(guī)模進行論證和選擇。③輸電距離在60 km～70 km 時，需結(jié)合實際工程情況進行交直流輸電方案比選分析。

圖3 不同規(guī)模海上風(fēng)電不同輸電距離交流和柔直輸電方案造價曲線圖

對于福建省不同的海上風(fēng)電并網(wǎng)工程，裝機規(guī)模從100 MW到超過7 000 MW，離岸距離16 km～200 km，存在著不同的臨界距離。究竟采用交流方式并網(wǎng)、柔性直流方式并網(wǎng)或是交直流混合方式并網(wǎng)，需要根據(jù)實際工程，綜合考慮技術(shù)要求和經(jīng)濟性進行分析研究。

3 海上柔性直流換流站的要求

考慮到包括福建省在內(nèi)的沿海省市海上風(fēng)電規(guī)?；?、集群化、遠?；陌l(fā)展趨勢，柔性直流輸電在技術(shù)、經(jīng)濟等方面的優(yōu)勢，使其將成為未來海上風(fēng)電主流并網(wǎng)技術(shù)。因此，以下分析海上柔性直流換流站的主要參數(shù)。

3.1 直流并網(wǎng)方式

根據(jù)互連的柔性直流換流站數(shù)量和匯集方式，柔性直流系統(tǒng)并網(wǎng)大體分為4 類。

（1）兩端柔性直流輸電系統(tǒng)。由2 個柔性直流換流站和連接它們的直流線路組成，即“點對點”方式，如圖4 所示。

圖4 海上風(fēng)電兩端直流（點對點）輸電并網(wǎng)方式

（2）多端柔性直流輸電系統(tǒng)。由多于2 個柔性直流換流站和連接它們的直流輸電線路組成，如圖5 所示。

圖5 海上風(fēng)電多端直流輸電并網(wǎng)方式

（3）多饋入直流輸電并網(wǎng)方式。同樣由多于2 個柔性直流換流站和連接它們的直流輸電線路組成統(tǒng)，但陸上功率受入點單一集中，如圖6 所示。

圖6 海上風(fēng)電多饋入直流輸電并網(wǎng)方式

（4）混合直流輸電并網(wǎng)方式。陸上換流站直流側(cè)部分采用架空線的情況，參考烏東德特高壓混合直流項目，還可考慮送端采用柔性直流技術(shù)、受端采用常規(guī)直流技術(shù)，如圖7 所示。

圖7 海上風(fēng)電混合直流輸電并網(wǎng)方式

3.2 直流側(cè)額定電壓、額定功率、額定電流

（1）根據(jù)柔直換流站相關(guān)設(shè)計規(guī)范［9］。①宜選用序列化的額定電壓；②可考慮單回直流或者雙回直流，輸電功率總數(shù)盈余輸電任務(wù)相匹配；③宜選用序列化的額定功率，便于采用通用化的設(shè)計及標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備，以形成集約效應(yīng)和規(guī)模效益。

（2）柔性直流輸電電壓等級序列。根據(jù)已建成柔性直流工程和傳統(tǒng)直流輸電工程電壓等級序列，考慮技術(shù)前瞻性原則，參數(shù)相關(guān)研究［10-11］，柔性直流輸電電壓等級序列主要考慮：±200 kV、±320 kV、±400 kV、±500 kV、±660 kV、±800 kV、±1 100 kV 等。

（3）額定功率和電流。目前柔性直流工程換流閥多數(shù)都使用基于IGBT 的MMC 拓撲結(jié)構(gòu)。為了降低損耗、節(jié)約成本、提高整體可靠性，需要串聯(lián)的子模塊盡量少、通流能力盡量大、耐壓水平盡量高。根據(jù)當(dāng)前設(shè)備制造水平，柔性直流輸電各電壓等級對應(yīng)的額定參數(shù)表見表3。

表3 柔性直流電壓、電流、功率表

根據(jù)國內(nèi)外已建及在建的柔直工程情況，±400 kV 及以下電壓等級可作為我國海上柔性直流換流站的近期電壓等級選擇范圍；遠景則可采用±500 kV 及以上電壓等級。

3.3 適用于福建省的大規(guī)模海上風(fēng)電柔性直流換流站規(guī)模

福建省遠海海上風(fēng)電規(guī)劃單座場區(qū)裝機規(guī)模900 MW～7 200 MW，離岸距離54 km～200 km，換流站的電壓建議初期以±320 kV、±400 kV 為主，換流站單個閥廳規(guī)模按1 200 MW～1 600 MW，具體如表4 所示。待設(shè)備制造工藝和產(chǎn)品質(zhì)量提高、建設(shè)成本下降、建設(shè)和運維經(jīng)驗豐富后，適時擴大直流電壓等級和規(guī)模，具體根據(jù)實際的海上風(fēng)電場群規(guī)模而定。

表4 近期柔性直流換流站規(guī)模選擇

3.4 進出線規(guī)模

（1）交流側(cè)。取決匯集的海上升壓站數(shù)量和各自送出回路數(shù)。

（2）直流側(cè)。對于兩端直流輸電方式或多饋入多饋入直流輸電方式，高壓側(cè)直流海纜回路數(shù)與柔性直流換流單位的數(shù)量相一致；對于多端直流輸電并網(wǎng)方式，需根據(jù)匯集直流模塊數(shù)量、增加直流出線間隔。

3.5 電氣主接線

（1）交流側(cè)。根據(jù)進線數(shù)量，可考慮雙母線、雙母線單/雙分段、一個半斷路器接線方式等。

（2）直流側(cè)。包括對稱單極和對稱雙極接線2 種。國內(nèi)外已建、在建海上風(fēng)電柔直項目均采用對稱單極接線方式，有成熟的建設(shè)運行經(jīng)驗，根據(jù)統(tǒng)計，對稱單極的可用率一般可達到97%及以上。同時，對稱單極接線設(shè)備與電纜數(shù)量少，減少換流站與海域使用面積，經(jīng)濟可靠。因此，本文同樣推薦福建省近期所規(guī)劃新建海上柔直換流站采用對稱單極接線方式。

4 直流海纜的選型

由于柔性直流輸電系統(tǒng)切除直流側(cè)故障時比較困難，因此已建成的柔性直流工程線路大多數(shù)采用直流電纜以降低故障率。與交流電纜相比，直流電纜的導(dǎo)體沒有集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，即使輸送很大電流，也不必采用復(fù)雜的分裂導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

用于直流輸電的海底直流電纜主要有擠包式絕緣電纜和繞包式絕緣電纜。隨著擠包式直流XLPE 絕緣電纜在空間及界面電荷積聚、溫度梯度效應(yīng)等因素引起的絕緣老化和破壞這一關(guān)鍵問題的逐步解決，XLPE 直流電纜將成為未來柔性直流輸電系統(tǒng)中直流電纜市場的主流產(chǎn)品。根據(jù)部分直流（光電復(fù)合）海纜電壓等級、導(dǎo)線截面和輸送能力如表5 所示。

表5 直流海纜輸送功率 單位：MVA

5 結(jié)論及建議

（1）本文綜合海上風(fēng)電規(guī)模、輸送距離、海纜輸送能力、經(jīng)濟性、實際工程經(jīng)驗等因素，分析海上風(fēng)電的外送輸電方式，重點研究柔性直流技術(shù)的適用條件。對于大規(guī)模海上風(fēng)電，柔性直流輸電在大容量遠距離輸電以及交直流互聯(lián)電網(wǎng)安全可靠性等方面將得到加強，柔性直流輸電工程以及柔性直流電網(wǎng)將得到更廣泛的應(yīng)用。

（2）本文提出海上風(fēng)電柔性直流換流站的并網(wǎng)方式、電壓等級、進出線規(guī)模、電氣主接線等關(guān)鍵方面，以及海纜選型；結(jié)合福建省海上風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃，提出適用于福建省的大規(guī)模海上風(fēng)電匯集外送的輸電方式。

（3）根據(jù)研究結(jié)論，當(dāng)風(fēng)電場離岸輸電距離在60 km 以內(nèi)時，建議采用交流輸電方案；若整個場區(qū)風(fēng)電裝機規(guī)模較大，可考慮分散送出。當(dāng)容量800 MW 及以上大規(guī)模風(fēng)電場匯集外送且輸電距離超過70 km，建議采用柔性直流輸電方案；電壓等級需根據(jù)裝機規(guī)模進行論證和選擇。輸電距離在60 km～70 km時，需結(jié)合實際工程情況進行交直流輸電方案比選分析。