中國(guó)電建集團(tuán)國(guó)際工程有限公司 吳 迪 中國(guó)電建集團(tuán)江西省電力設(shè)計(jì)院有限公司 李 克

為了更好地落實(shí)我國(guó)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的綠色發(fā)展，減輕我國(guó)電力能源的供應(yīng)負(fù)擔(dān)，現(xiàn)階段我國(guó)開始重視淺水區(qū)海上風(fēng)電場(chǎng)的項(xiàng)目建設(shè)發(fā)展，隨著相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，海上風(fēng)電場(chǎng)也逐漸走向規(guī)?；蜕詈；陌l(fā)展。本文首先概述海上風(fēng)電場(chǎng)的分類，并分析海上風(fēng)電場(chǎng)的輸電方式以及存在的問題，進(jìn)而提出海上風(fēng)電場(chǎng)輸電方式的比較，以及不同區(qū)域海上風(fēng)電場(chǎng)推薦使用的輸電方式，希望對(duì)我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)的輸電發(fā)展提供一定參考。

1 海上風(fēng)電場(chǎng)的分類

海上風(fēng)電場(chǎng)一般可以分為近海風(fēng)電場(chǎng)、深海風(fēng)電場(chǎng)以及潮間帶風(fēng)電場(chǎng)三種，潮間帶風(fēng)電場(chǎng)指的是，在沿海區(qū)域多年的平均大潮高潮線下降到理論中該區(qū)域的最低潮水位5米水深內(nèi)區(qū)域開發(fā)建設(shè)的海上風(fēng)電場(chǎng)；近海風(fēng)電場(chǎng)指的是，在理論最低潮水位以下5米到50米水深區(qū)間進(jìn)行開發(fā)建設(shè)的海上風(fēng)電場(chǎng)；深海風(fēng)電場(chǎng)指的是，其大于理論最低潮水位以下50米區(qū)域進(jìn)行開發(fā)建設(shè)的海上風(fēng)電場(chǎng)。

以國(guó)內(nèi)外相關(guān)工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)來看，海上風(fēng)電場(chǎng)所在區(qū)域的水深越大，則其建設(shè)的成本便越高、建設(shè)技術(shù)越復(fù)雜，所以現(xiàn)階段我國(guó)開展的海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目建設(shè)主要是對(duì)近海風(fēng)能資源進(jìn)行開發(fā)利用[1]。

2 海上風(fēng)電場(chǎng)的輸電方式以及存在的問題

2.1 交流輸電方式以及其存在的問題

交流輸電方式，主要是在規(guī)模較小且離岸距離較近的海上風(fēng)電場(chǎng)群的輸電工作中進(jìn)行使用。交流輸電方式具有技術(shù)方案成熟度較高、結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、可靠程度較高、淺水區(qū)海上風(fēng)電場(chǎng)輸送成本較小，以及工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)十分豐富的優(yōu)勢(shì)。但交流輸電方式在實(shí)際應(yīng)用階段也存在下列問題：

在海上風(fēng)電場(chǎng)群進(jìn)行長(zhǎng)距離電力資源輸送時(shí)，電纜內(nèi)的電容效應(yīng)較為明顯；控制交流輸電方式的無功電壓補(bǔ)償難度較大；交流輸電方式的過電壓?jiǎn)栴}較為顯著；海上風(fēng)電場(chǎng)和陸地電網(wǎng)之間產(chǎn)生的交互影響較大，沒有做到故障隔離。使用交流輸電技術(shù)的海上風(fēng)電場(chǎng)結(jié)構(gòu)主要為：集電系統(tǒng)、海上風(fēng)電場(chǎng)、海上升壓站、無功補(bǔ)償設(shè)備以及海底交流電纜等。

以現(xiàn)階段我國(guó)已經(jīng)并入陸地電網(wǎng)的海上風(fēng)電場(chǎng)群項(xiàng)目來看，其大多屬于離岸距離較近的淺水區(qū)還剩風(fēng)電場(chǎng)，因此使用的輸電方式為交流輸電方式。當(dāng)下我國(guó)還海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目中使用的交流海纜電壓等級(jí)主要有35千伏、110千伏以及220千伏三種。

35千伏和110千伏電壓等級(jí)的交流海纜會(huì)受到輸送容量的限制，在輸電過程中產(chǎn)生的電力資源損耗較大，海底走廊占用面積也較大?；诖?，國(guó)內(nèi)使用的主流交流輸電方式選擇的交流海纜電壓等級(jí)在220千伏，電纜規(guī)格結(jié)構(gòu)為單回三芯結(jié)構(gòu)，具有18萬千瓦到35萬千瓦的輸電能力；而220千伏的交流海纜具有更大的截面面積，在500千伏規(guī)格海纜的輸電能力可以達(dá)到40萬千瓦以上，但是由于受到絕緣技術(shù)、制造技術(shù)以及敷設(shè)技術(shù)等影響，應(yīng)在考慮備用相的情況下使用單芯結(jié)構(gòu)，電纜鋪設(shè)數(shù)量為3根到4根（單回條件下），需要占用的海底走廊資源較多。

2.2 柔性直流輸電方式以及其存在的問題

柔性直流輸電方式主要是用于海上規(guī)模較大且輸電距離較遠(yuǎn)的海上風(fēng)電場(chǎng)群的電力資源傳輸中。其主要的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

其在長(zhǎng)距離輸電中的輸送容量更大；匯集輸送時(shí)靈活程度和擴(kuò)展程度較高；輸電線路數(shù)量更少；海域資源占用較少；體積較小，方便進(jìn)行施工以及擴(kuò)建；對(duì)電力資源傳輸過程中的電壓控制更加簡(jiǎn)單；在潮流反轉(zhuǎn)時(shí)更加快速有效；可以提高系統(tǒng)的輸電能力；輸電階段出現(xiàn)問題，在解決問題后可以快速恢復(fù)供電功能；可以為無源電網(wǎng)進(jìn)行供電。

柔性直流輸電方式的不足為：造價(jià)較高；現(xiàn)階段技術(shù)不夠成熟，輸電穩(wěn)定程度和可靠程度無法得到保障；相關(guān)工程項(xiàng)目的運(yùn)行使用經(jīng)驗(yàn)不足?，F(xiàn)階段國(guó)外部分國(guó)家在離岸距離較遠(yuǎn)的海上風(fēng)電場(chǎng)電力資源傳輸時(shí)，使用的輸電方式便是柔性直流輸電[2]。

2.3 混合直流輸電方式以及其存在的問題

就直流輸電方式的技術(shù)發(fā)展路線分析可知，直流輸電方式的未來發(fā)展分布，會(huì)形成傳統(tǒng)直流輸電和柔性直流輸電共同存在的情況。現(xiàn)階段已經(jīng)開始對(duì)二者聯(lián)系使用方面進(jìn)行研究，即形成混合直流輸電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種方式可以將傳統(tǒng)直流輸電和柔性直流輸電的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行充分利用，對(duì)兩種輸電方式的不足進(jìn)行優(yōu)化。

混合直流輸電技術(shù)具有獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)，可以在特定條件下展現(xiàn)出比傳統(tǒng)直流輸電和柔性直流輸電更加優(yōu)秀的性能，具有比柔性直流輸電方式使用成本造價(jià)更少、應(yīng)用場(chǎng)景更加廣泛的特點(diǎn)，并通過進(jìn)一步利用換流器的優(yōu)勢(shì)，可以形成混合多端直流輸電的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的弱交流輸送供電，并成為海上風(fēng)電場(chǎng)連接的主要備選方案，可以滿足海上風(fēng)電場(chǎng)的功率輸送需求。但是現(xiàn)階段對(duì)于混合直流輸電方式的相關(guān)研究成果較少，其作為一種新興的輸電技術(shù)，還沒有得到廣泛的應(yīng)用。

3 海上風(fēng)電場(chǎng)輸電方式的比較和推薦

3.1 輸電方式技術(shù)經(jīng)濟(jì)的比較

就交流輸電方式來看，其在不同風(fēng)電輸送容量下，陸地上的集控站點(diǎn)和基礎(chǔ)平臺(tái)造價(jià)在400兆瓦到1000兆瓦的容量范圍區(qū)間內(nèi)，其海上升壓變的造價(jià)和海上風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)容量有關(guān)，無功補(bǔ)償部分的每千米單位造價(jià)和電纜的參數(shù)以及回?cái)?shù)有關(guān)。而直流輸電方式中，在400兆瓦的風(fēng)電輸送容量下，輸送端的海上換流站的單位造價(jià)最高，即直流電纜的單位造價(jià)和輸送容量成正比關(guān)系，在海上風(fēng)電場(chǎng)容量由800兆瓦提高到1000兆瓦時(shí)，直流電纜單位長(zhǎng)度造價(jià)上升近一倍，并且輸送端的海上換流站單位造價(jià)需要考慮海上平臺(tái)部分，即海上換流站需要考慮5%的容量裕度。

由此得出結(jié)論：在不同容量下的交流輸電方式和直流輸電方式，其在容量400兆瓦以上的海上風(fēng)電場(chǎng)電力資源匯集輸送時(shí)，在60千米到70千米的輸送距離區(qū)間中，兩種輸電方式的造價(jià)相同，若是海上風(fēng)電場(chǎng)輸電距離在70千米以內(nèi)時(shí)，則應(yīng)使用交流時(shí)段的方式，若是海上風(fēng)電場(chǎng)輸電距離大于70千米，則應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的柔性直流輸電方式[3]。

3.2 輸電方式占海域資源的比較

以輸送100萬千瓦的海上風(fēng)電場(chǎng)為例，其在不同輸電方式中占用的海域資源也存在差異，若是使用220千伏的海纜進(jìn)行輸送則需要3回到4回，截面使用的海纜數(shù)量應(yīng)為3根到4根（單回三芯結(jié)構(gòu)），若是使用500千伏的海纜進(jìn)行輸送則只需要1回，海纜數(shù)量同樣為3根到4根（單芯結(jié)構(gòu)），其中考慮到備用相時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)為4根，其對(duì)應(yīng)的海纜保護(hù)區(qū)域?yàn)?50米到1150米，在水深25米的情況下則需要占用海水寬度在170米。若是使用柔性直流輸電的方式，則需要使用1回的±320千伏的柔直海纜2根，截面為2000平方毫米，海纜的保護(hù)區(qū)為150米到1050米，占用海水寬度為70米。

由此得出結(jié)論：在輸送相同大容量規(guī)模的海上風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生的電力資源時(shí)，柔性直流輸電方式占用的海域資源更少，而交流輸電方式在500千伏和220千伏相同。再結(jié)合海纜和升壓站等配套設(shè)施的投資建設(shè)，以及現(xiàn)階段施工和制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，不會(huì)考慮使用500千伏的交流輸電方式。

3.3 海上風(fēng)電場(chǎng)輸電方式的推薦

3.3.1 淺水區(qū)海上風(fēng)電場(chǎng)輸電方式

海上淺水區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)通常離岸距離為60千米之內(nèi)，因此選擇使用交流海纜的方式進(jìn)行輸電。結(jié)合海上風(fēng)電場(chǎng)使用的裝機(jī)規(guī)模差異進(jìn)行分析，推薦使用的輸電方式如下：

第一，海上風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)規(guī)模小于10萬千瓦時(shí)，應(yīng)選擇使用35千伏的交流海纜直接進(jìn)行送出登陸操作。

第二，海上風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)規(guī)模大于10萬千瓦時(shí)，應(yīng)進(jìn)行交流升壓站的建設(shè)，將交流升壓站建設(shè)在海上風(fēng)電場(chǎng)附近的島嶼、或者使用海上平臺(tái)的方式進(jìn)行交流升壓站建設(shè)，將海上風(fēng)電場(chǎng)的輸出電流進(jìn)行升壓后，使用110千伏或者220千伏的交流海纜直接進(jìn)行送出登陸操作。

3.3.2 深水區(qū)海上風(fēng)電場(chǎng)輸電方式

海上深水區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)通常離岸距離在60千米以上，使用的輸電方式一般為柔直海纜的輸電方式，結(jié)合海上風(fēng)電場(chǎng)使用的裝機(jī)規(guī)模差異進(jìn)行分析，推薦使用的輸電方式如下：

第一，海上風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)規(guī)模在50萬千瓦到100萬千瓦時(shí)，應(yīng)進(jìn)行海上柔直換流站的建設(shè)，使用單回柔直海纜的方式進(jìn)行送出登陸操作，柔直海纜的規(guī)格應(yīng)選擇為電壓在±200千伏到±320千伏之間。

第二，海上風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)規(guī)模大于100萬千瓦時(shí)，可以使用的輸電方式有兩種類型：使用大容量柔直海纜輸電的方式，即借助風(fēng)電場(chǎng)附近的島嶼進(jìn)行大容量柔直換流站的建設(shè)，島嶼的選擇最好為無人島嶼，之后將海上風(fēng)電場(chǎng)群產(chǎn)生的電力能源在海上進(jìn)行匯集后，利用大容量柔直輸電通道進(jìn)行登陸操作；使用多端柔直輸電的方式，即進(jìn)行多個(gè)海上柔直換流站的建設(shè)工作，將海上風(fēng)電場(chǎng)群產(chǎn)生的電力資源通過柔直海纜進(jìn)行匯集并進(jìn)行登陸操作。柔直海纜的規(guī)格應(yīng)選擇為電壓在±320千伏到±800千伏之間。

就多端柔直輸電方式和大容量柔直輸電方式進(jìn)行對(duì)比可知，根據(jù)相關(guān)規(guī)定原則，單個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)的外部邊線劃定的海上風(fēng)電場(chǎng)面積應(yīng)控制在每10萬千瓦控制在16平方千米。針對(duì)海上風(fēng)電廠需要將產(chǎn)生的輸出電流進(jìn)行匯集傳輸，應(yīng)選擇使用將每個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)為平均規(guī)模在40萬千瓦，海域面積占用在64平方千米的大小。

對(duì)于大容量的海上風(fēng)電場(chǎng)群而言，在選擇使用大容量柔直輸電通路進(jìn)行輸電系統(tǒng)外送操作，并且由于海上風(fēng)電場(chǎng)群中最遠(yuǎn)距離的風(fēng)電場(chǎng)位置可能會(huì)出現(xiàn)超過交流海纜的輸送距離，容易發(fā)生過電壓等電壓控制方面的問題，對(duì)此類問題進(jìn)行解決的方式，應(yīng)選擇試用多端柔直輸電的方式，以此提高海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行階段的靈活程度和可擴(kuò)展程度[4]。

舉例而言，在越南南部建設(shè)的海上風(fēng)電場(chǎng)群（越南金甌1號(hào)350兆瓦海上風(fēng)電項(xiàng)目），其規(guī)劃在27個(gè)月之內(nèi)完成建設(shè)，該項(xiàng)目共分成4個(gè)區(qū)域（A 區(qū)、B區(qū)、C 區(qū)、D 區(qū)），計(jì)劃布置75臺(tái)單機(jī)容量5兆瓦風(fēng)電機(jī)組，總裝機(jī)容量375兆瓦，是截至目前整個(gè)東南亞地區(qū)規(guī)模最大的海上風(fēng)電場(chǎng)開工建設(shè)項(xiàng)目。其中A 區(qū)和B 區(qū)為190兆瓦，這兩個(gè)區(qū)域計(jì)劃于2022年10月投入運(yùn)行、并入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)發(fā)電，C 區(qū)和D 區(qū)為185兆瓦，這兩個(gè)區(qū)域計(jì)劃于2023年6月投入運(yùn)行、并入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)發(fā)電。

為了有效降低其對(duì)海上資源的占用，需要將海上風(fēng)電場(chǎng)之間的互補(bǔ)特性進(jìn)行強(qiáng)化，降低電網(wǎng)受功率波動(dòng)產(chǎn)生的沖擊問題，在相關(guān)開發(fā)建設(shè)技術(shù)成熟后，再進(jìn)行多端柔性直流輸電系統(tǒng)的建設(shè)?；谠侥夏喜拷ㄔO(shè)的海上風(fēng)電場(chǎng)群的建設(shè)時(shí)間，以及空間布局的角度進(jìn)行分析可知，可考慮在海上進(jìn)行多個(gè)換流站的建設(shè)，使用多端柔直海纜將海上風(fēng)電場(chǎng)群生產(chǎn)的電力資源輸送到陸地上的換流站。

4 結(jié)語

在海上風(fēng)電場(chǎng)群工程中使用的主要輸電方式為交流輸電以及柔性直流輸電兩種，而由于交流輸電方式存在充電功率較高和過電壓的問題，一般在40千米的交流輸電距離時(shí)，需要在海纜的一端安裝高抗設(shè)備，而在交流輸電距離在40千米到80千米之間時(shí)，需要在海纜兩端安裝高抗設(shè)備，若是交流輸電距離超過80千米，則需要在海纜中間進(jìn)行中繼站建設(shè)，并將高抗設(shè)備安裝在中繼站處。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)以及并入電網(wǎng)的海上風(fēng)電場(chǎng)離岸距離較近，使用的輸電方式均為交流海纜輸電方式，隨著海上風(fēng)電場(chǎng)的開發(fā)，未來在淺水區(qū)的海上風(fēng)電場(chǎng)群項(xiàng)目仍會(huì)采取交流海纜輸電方式。在深水區(qū)的海上風(fēng)電場(chǎng)群項(xiàng)目，則需要結(jié)合實(shí)際情況選擇使用柔性直流輸電技術(shù)的輸電方案。