國(guó)家電投集團(tuán)江蘇海上風(fēng)力發(fā)電有限公司 金必成

海上風(fēng)電是目前世界風(fēng)電行業(yè)一股新興發(fā)展熱潮，在2010年至2020年這十年間，海上風(fēng)電機(jī)的投運(yùn)安裝呈連續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，未來(lái)將會(huì)有望出現(xiàn)海上風(fēng)電發(fā)展欣欣向榮的局面。我國(guó)海上風(fēng)電正處于高速發(fā)展階段，累計(jì)裝機(jī)容量已位居世界第二。隨著我國(guó)能源出現(xiàn)緊缺，發(fā)展以新能源為主的電力系統(tǒng)已經(jīng)成為首要研究方向，海上風(fēng)電發(fā)展前景一片光明。同時(shí)，期望我國(guó)能提高對(duì)大規(guī)模海上風(fēng)電并網(wǎng)輸送技術(shù)的重視度，大力發(fā)展海上風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)，抓住我國(guó)新能源發(fā)展歷史機(jī)遇。

1 國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電發(fā)展情況

1.1 國(guó)外海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀

英國(guó)、丹麥、德國(guó)是歐洲海上風(fēng)電市場(chǎng)的主力代表，關(guān)系著歐洲海上風(fēng)電市場(chǎng)整體發(fā)展。單單2020年這一年，英國(guó)就新添483MW 海上風(fēng)電裝機(jī)容量，占據(jù)歐洲整體新增容量的16.6%，但是裝機(jī)容量增長(zhǎng)幅度有所減緩。英國(guó)目前已啟動(dòng)了4個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目并逐一開(kāi)始動(dòng)工，粗略估計(jì)3年內(nèi)會(huì)陸續(xù)開(kāi)始并網(wǎng)。在2020年，德國(guó)新增風(fēng)電機(jī)裝機(jī)容量為220MW，占據(jù)歐洲整體的7.5%，雖然比不上英國(guó)海上風(fēng)電新增占比，但是德國(guó)也是海上風(fēng)電發(fā)展中不可缺少的一個(gè)國(guó)家。丹麥國(guó)土由于國(guó)土面積較小且面臨海洋，成為歐洲最早開(kāi)始發(fā)展海上風(fēng)電場(chǎng)的國(guó)家，雖然近幾年風(fēng)電裝機(jī)容量增長(zhǎng)幅度有所下滑，但是2019年仍占?xì)W洲總體新增的10%，總裝機(jī)容量為374MW。目前丹麥政府正在提高對(duì)海上風(fēng)電市場(chǎng)的重視度，預(yù)計(jì)2027年之前將建成單場(chǎng)裝機(jī)容量高達(dá)800MW 的超大海上風(fēng)電場(chǎng)。

1.2 我國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展情況

海上風(fēng)電在我國(guó)具有良好的發(fā)展前景，深受我國(guó)政府重視。據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，截止2021年4月份，我國(guó)海上風(fēng)電并網(wǎng)容量已達(dá)到10.45GW，領(lǐng)先于鄰近各國(guó)。海上風(fēng)電平均利用小時(shí)數(shù)為2500小時(shí)，比陸地風(fēng)電高出大約500小時(shí)，僅2021年第一季度，海上發(fā)電總量就達(dá)到了9.94×109kWh。除此之外，我國(guó)海上風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘砍^(guò)10GW，預(yù)計(jì)在今年年底將會(huì)超過(guò)英國(guó)成為世界第一。因此，在滿足我國(guó)電力市場(chǎng)需求基礎(chǔ)上，海上風(fēng)電規(guī)模的進(jìn)一步拓展為我國(guó)未來(lái)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型提供了強(qiáng)有力支持[1]。

1.3 世界海上風(fēng)電發(fā)展趨勢(shì)

海上風(fēng)電已經(jīng)成為緩解能源消耗關(guān)鍵技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年全球新增海上風(fēng)電裝機(jī)容量2219MW，單是歐洲就在海上風(fēng)電投資高達(dá)182億歐元，新增單機(jī)平均額定容量每年增長(zhǎng)16%左右，甚至在2020年就已經(jīng)達(dá)到了8.2MW。歐洲已經(jīng)將研究海上風(fēng)電機(jī)作為推動(dòng)海上風(fēng)電市場(chǎng)發(fā)展的核心，單機(jī)額定容量為8-10MW 的海上風(fēng)電機(jī)正在批量生產(chǎn)，甚至部分企業(yè)開(kāi)始研究容量為15MW 的風(fēng)電機(jī)，海上風(fēng)電機(jī)逐漸朝著大容量的趨勢(shì)發(fā)展。隨著海上風(fēng)電技術(shù)不斷成熟，越來(lái)越多的創(chuàng)新模式走入人們視野，競(jìng)價(jià)上網(wǎng)成為海上風(fēng)電新模式，最大限度降低了海上風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)成本[2]。

2 我國(guó)海上風(fēng)電基本特征與并網(wǎng)送出面臨挑戰(zhàn)

2.1 我國(guó)海上風(fēng)電基本特征

我國(guó)是一個(gè)沿海國(guó)家，東臨太平洋且具有超長(zhǎng)的海岸線，海域面積寬廣，因此海上風(fēng)能資源豐富，與歐洲風(fēng)電具有明顯不同。在我國(guó)，海上風(fēng)速平均為6～11m/s，而在歐洲由于緯度高，平均風(fēng)速在9～12m/s 左右，遠(yuǎn)高于我國(guó)平均風(fēng)速。為了彌補(bǔ)風(fēng)速造成的差異，我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)需要安裝更高裝機(jī)容量，加大了電網(wǎng)平衡難度。另一方面，由于我國(guó)海岸線長(zhǎng)，不同沿海地區(qū)海床差異較大，再加上地質(zhì)環(huán)境影響，我國(guó)海上風(fēng)電建設(shè)難度更高。例如，我國(guó)較發(fā)達(dá)的沿海地區(qū)海床都屬于沖擊海床，含沙量大，海床承載力較低，而歐洲沿海海床多屬于砂質(zhì)海床，承載力更強(qiáng)。在建設(shè)海上發(fā)電場(chǎng)時(shí)，風(fēng)電機(jī)組與并網(wǎng)輸電系統(tǒng)在洋流、海風(fēng)、海浪等沖擊下需承受較大傾覆力，必須將海上發(fā)電場(chǎng)固定更深層海床中，大大提高了海上風(fēng)電場(chǎng)建造難度。電網(wǎng)是否能穩(wěn)定接入大規(guī)模海上風(fēng)電也是目前我國(guó)需要面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)，部分沿海發(fā)達(dá)省份本身用電負(fù)荷較高，特高壓直流落點(diǎn)多，接入海上風(fēng)電可能會(huì)導(dǎo)致交流故障，造成大規(guī)模新能源連鎖脫網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生較大消極影響。

2.2 我國(guó)海上風(fēng)電并網(wǎng)送出面臨挑戰(zhàn)

我國(guó)海上風(fēng)能資源主要集中在海岸線經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。海上交通、捕魚行業(yè)、海洋環(huán)境、海防科技等等都是海上風(fēng)電場(chǎng)主要輸電對(duì)象，龐大的用電體系導(dǎo)致海上風(fēng)電建設(shè)及其并網(wǎng)送出資源愈加緊張，所以必須接入網(wǎng)架保持電力運(yùn)輸，接入網(wǎng)架強(qiáng)度、運(yùn)輸能力都是需要考慮的重點(diǎn)。目前，我國(guó)海上風(fēng)電技術(shù)還處于探索階段，并網(wǎng)方式與并網(wǎng)送出技術(shù)都尚未成熟，深遠(yuǎn)海大規(guī)模海上風(fēng)電建設(shè)還處于實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，難關(guān)重重。另一方面，我國(guó)還經(jīng)常深受臺(tái)風(fēng)問(wèn)題困擾，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自新中國(guó)成立以來(lái)，共有600多次臺(tái)風(fēng)登陸我國(guó)沿海地區(qū)，嚴(yán)重影響我國(guó)海上風(fēng)電并網(wǎng)送出系統(tǒng)的安全性，增大了運(yùn)用維護(hù)難度[3]。

3 我國(guó)海上風(fēng)電并網(wǎng)送出策略

3.1 整體策略

3.1.1 集中調(diào)配電網(wǎng)資源

從海上風(fēng)電并網(wǎng)送出角度來(lái)看，應(yīng)提早對(duì)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)進(jìn)行規(guī)劃指導(dǎo)，從風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址資源分配出發(fā)，對(duì)源頭進(jìn)行把控。集中對(duì)輸電通道資源進(jìn)行調(diào)配，盡可能降低海上風(fēng)電建設(shè)對(duì)海洋環(huán)境產(chǎn)生的消極影響，積極完善海上風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)，降低并網(wǎng)送出成本，提高并網(wǎng)送出效率[4]。

3.1.2 加強(qiáng)電網(wǎng)網(wǎng)架聯(lián)系

海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模與風(fēng)電建設(shè)成本息息相關(guān)。為了發(fā)展大規(guī)模、大容量海上風(fēng)電建設(shè)，在并網(wǎng)送出時(shí)應(yīng)配備更高壓等級(jí)的接入電網(wǎng)，使風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)與電網(wǎng)聯(lián)系更加緊密，增強(qiáng)電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度，提高電網(wǎng)接入可靠性，為大規(guī)模海上風(fēng)電并網(wǎng)送出奠定基礎(chǔ)。

3.1.3 采取多種并網(wǎng)方案

各個(gè)國(guó)家海上風(fēng)電建設(shè)發(fā)展階段、技術(shù)水平、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展都有所差別，所以輸電方案也各不相同。部分風(fēng)電建設(shè)規(guī)模小，離陸地較近的海上風(fēng)電場(chǎng)，多采用高壓交流電。而一些風(fēng)電建設(shè)規(guī)模大，離陸地較遠(yuǎn)的大部分采用柔性直流電。在我國(guó)海上風(fēng)電建設(shè)也應(yīng)該選擇合適的并網(wǎng)技術(shù)方案，確保海上風(fēng)電電力輸送穩(wěn)定性。

3.2 大規(guī)模海上風(fēng)電集群送出策略

3.2.1 高壓交流方案

若是總裝機(jī)容量在1GW 左右的風(fēng)電場(chǎng)群，應(yīng)多采用高壓交流并網(wǎng)送出方式?？紤]到35kV 場(chǎng)內(nèi)電纜的送電距離、220kV 海底電纜送電容量，將單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)容量控制在300-400MW 左右是最佳方案，每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)都需設(shè)立一座海上升壓站，采用多回220kV 海底電纜送入電網(wǎng)。若是500kV 海底電纜技術(shù)成熟之后，也可將550kV 單回海底電纜送入電網(wǎng)。最后，還需提高對(duì)線路無(wú)功補(bǔ)償和協(xié)振問(wèn)題的關(guān)注度。

3.2.2 柔性直流方案

若是距離陸地較遠(yuǎn)的海上風(fēng)電發(fā)電場(chǎng)，優(yōu)先考慮柔性直流并網(wǎng)送出方式。在總裝機(jī)容量1GW 左右的發(fā)電場(chǎng)群，保障經(jīng)濟(jì)性前提下，可以在多個(gè)升壓站匯集后接入1座公共海上換流站，通過(guò)1回高壓柔性直流電纜連接陸地電力系統(tǒng)主網(wǎng)。隨著海上風(fēng)電規(guī)模建設(shè)越大，風(fēng)電裝機(jī)容量也逐漸加大。為了提高并網(wǎng)輸送容量并降低輸送過(guò)程中的損耗，已經(jīng)開(kāi)始對(duì)66kV 場(chǎng)內(nèi)集電系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，并著手研究90kV 或者更高等級(jí)的場(chǎng)內(nèi)電纜，為我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)展奠定基礎(chǔ)。

3.3 海上風(fēng)電場(chǎng)單場(chǎng)并網(wǎng)送出情景

針對(duì)技術(shù)熟練性、方案實(shí)用性、工程有效性方面進(jìn)行對(duì)比，我國(guó)在“十四五”乃至更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都會(huì)采用高壓交流、柔性直流輸電技術(shù)來(lái)對(duì)海上風(fēng)電并網(wǎng)進(jìn)行送出。在輸送功率相同、可靠性類似的比較基礎(chǔ)上，采用直流輸電換流站成本要高于交流輸電變電站投資成本，而直流輸電線路投資低于交流輸電線路投資；隨著輸電距離不斷增加，交流或者直流輸電存在等價(jià)距離。通常情況下，只有輸電距離大于等價(jià)距離之時(shí)，采用直流輸電會(huì)顯得比較經(jīng)濟(jì)；反之，采用交流輸電較為經(jīng)濟(jì)，應(yīng)根據(jù)海上風(fēng)電實(shí)際輸電距離選擇合適的輸電方式。容量等級(jí)不同、電壓等級(jí)不同的輸電系統(tǒng)，交流或者直流等價(jià)距離也各不相同，普遍在50-70km 范圍內(nèi)。隨著電力電子技術(shù)逐漸邁入人們視野，換流裝置價(jià)格也在日漸降低，交流或者直流輸電等價(jià)距離還會(huì)進(jìn)一步縮短。以技術(shù)可靠性和經(jīng)濟(jì)性為主要思考方向，在我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)單場(chǎng)送出可以采用以下幾種對(duì)策：第一，風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量在200MW 以內(nèi)，離岸邊距離小于50km 時(shí)，采用高壓交流輸電方式；第二，風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量為400-600MW 時(shí)，這個(gè)時(shí)候風(fēng)電場(chǎng)會(huì)位于深遠(yuǎn)海區(qū)域，可以適當(dāng)采用基于電壓源變換器的高壓直流輸電方式；第三，風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量為200-400MW 時(shí)，可以結(jié)合離岸距離進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析，在根據(jù)分析結(jié)果選擇恰到好處的海上風(fēng)電并網(wǎng)送出方式，確保送出方式所產(chǎn)生的成本控制在最小范圍之內(nèi)[5]。

4 我國(guó)海上風(fēng)電并網(wǎng)送出對(duì)策建議

4.1 明確資源儲(chǔ)量，確定統(tǒng)一規(guī)劃理念

將來(lái)，在我國(guó)準(zhǔn)備建設(shè)海上風(fēng)電場(chǎng)前，應(yīng)先調(diào)查分析海上風(fēng)電資源儲(chǔ)備量、資源分布特點(diǎn)，對(duì)海上風(fēng)電資源進(jìn)行評(píng)估。由于我國(guó)海岸線長(zhǎng)且海床結(jié)構(gòu)差異較大，大幅提高了海上風(fēng)電建設(shè)難度，在風(fēng)電建設(shè)技術(shù)逐漸完善的情況下，應(yīng)對(duì)現(xiàn)存資源數(shù)據(jù)及時(shí)更新，統(tǒng)籌規(guī)劃可開(kāi)發(fā)量。就目前風(fēng)電發(fā)展形式來(lái)看，向遠(yuǎn)海與深海發(fā)展是海上風(fēng)電發(fā)展必經(jīng)之路。需盡早掌握深海風(fēng)能資源布局，正確引導(dǎo)海上風(fēng)電建設(shè)開(kāi)發(fā)與利用，推動(dòng)海上風(fēng)電市場(chǎng)良性發(fā)展[6]。

4.2 加強(qiáng)自主創(chuàng)新，突破并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

目前，我國(guó)海上風(fēng)電建設(shè)經(jīng)過(guò)多方面探索，已經(jīng)逐步走向深海，對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)送出技術(shù)要求將會(huì)更為嚴(yán)格。如何有效解決大規(guī)模海上風(fēng)電并網(wǎng)送出問(wèn)題是我國(guó)目前將面臨的重要挑戰(zhàn)。因此，需提高研究人員自主創(chuàng)新能力，深入研究并網(wǎng)技術(shù)并創(chuàng)建海上風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)研究體系，搭建技術(shù)交流平臺(tái)，為突破并網(wǎng)核心問(wèn)題做準(zhǔn)備。

4.3 完善運(yùn)行機(jī)制，支持高質(zhì)量發(fā)展

我國(guó)海上風(fēng)電建設(shè)經(jīng)過(guò)多年探索與發(fā)展，裝機(jī)容量已遠(yuǎn)超其他各國(guó)。由于補(bǔ)貼退出政策影響，出現(xiàn)了海上風(fēng)電裝搶熱潮，對(duì)海上風(fēng)電市場(chǎng)可持續(xù)發(fā)展造成消極影響。在多方考慮下，應(yīng)開(kāi)展海上風(fēng)電集中送出模式分析探究，統(tǒng)一建設(shè)資源，形成電網(wǎng)規(guī)范化，并積極推廣吉瓦級(jí)示范項(xiàng)目建設(shè)。同時(shí)，加強(qiáng)海上風(fēng)電機(jī)組、各類零部件、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)與維修保養(yǎng)，提升風(fēng)電并網(wǎng)輸送效率，保障風(fēng)電市場(chǎng)健康綠色發(fā)展[7]。

4.4 注重對(duì)外交流，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)國(guó)際合作

歐洲海上風(fēng)電技術(shù)發(fā)展起步遠(yuǎn)早于我國(guó)，具有豐富的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。目前競(jìng)價(jià)上網(wǎng)等新模式的出現(xiàn)大幅降低了海上風(fēng)電建設(shè)成本，提高了并網(wǎng)送出效率。因此，我國(guó)應(yīng)加強(qiáng)與歐洲方面的技術(shù)交流，深入探討歐洲風(fēng)電方面優(yōu)質(zhì)配置方法，建立高效嚴(yán)格的管理機(jī)構(gòu)，為海上風(fēng)電可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)，推動(dòng)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)平穩(wěn)發(fā)展[8]。

目前，我國(guó)海上風(fēng)電建設(shè)還處于發(fā)展初期，不論是風(fēng)電建設(shè)本身還是并網(wǎng)送出技術(shù)都仍存在不足之處。我國(guó)應(yīng)提高對(duì)海上風(fēng)電并網(wǎng)送出技術(shù)的重視程度，加大對(duì)其研究力度，超前謀劃并前瞻布局，開(kāi)展多端柔性直流、混合直流等新型海上風(fēng)電并網(wǎng)送出技術(shù)方案的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、示范應(yīng)用，積極開(kāi)展海上風(fēng)電直流電網(wǎng)、海上風(fēng)電綜合能源島相關(guān)的前沿技術(shù)探索與實(shí)踐。同時(shí)多與歐洲加強(qiáng)交流，以保障我國(guó)海上風(fēng)電并網(wǎng)輸送效率，更好的支撐我國(guó)能源轉(zhuǎn)型發(fā)展。