東海大橋100MW海上風(fēng)電場電氣系統(tǒng)的設(shè)計

張 哲

（上?？睖y設(shè)計研究院，上海 200434）

海上風(fēng)電場內(nèi)部電氣系統(tǒng)設(shè)計的科學(xué)性和合理性，關(guān)系到整個風(fēng)電場建成后運行的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和可靠性。海上風(fēng)電場的風(fēng)電機組按一定規(guī)律排布形成若干獨立的組，通過優(yōu)化風(fēng)電場的集電線路分組布局，可在確保風(fēng)電場安全運行的前提下，使得設(shè)備投資和運行成本最小。海上風(fēng)電場需要鋪設(shè)長距離的海底電纜輸送系統(tǒng)，電能輸送的經(jīng)濟性和可靠性以及電纜維護運行的方便性，也是海上風(fēng)電場內(nèi)部電氣系統(tǒng)設(shè)計的主要目標(biāo)。本文將結(jié)合東海大橋海上風(fēng)電場建設(shè)的實踐，介紹風(fēng)電場的電網(wǎng)接入方式、場內(nèi)集電線路設(shè)計、海底電纜選擇、海纜敷設(shè)方式以及海纜的運行監(jiān)測系統(tǒng)等。

1 電網(wǎng)接入方式選擇

海上風(fēng)電輸電系統(tǒng)的建設(shè)成本取決于系統(tǒng)的容量、輸電的方式和距離以及其他一些因素。風(fēng)電場接入電網(wǎng)可以采用交流輸送方式，也可以采用直流輸送方式，應(yīng)當(dāng)根據(jù)風(fēng)電場的建設(shè)規(guī)模與離岸距離等具體情況，通過經(jīng)濟性和技術(shù)性的綜合比較后確定。高壓直流（HVDC）傳輸并網(wǎng)方式不受傳輸距離限制，但換流站的投資成本較高，比較適合于較遠(yuǎn)距離大型海上風(fēng)電場并網(wǎng)［1］。交流傳輸并網(wǎng)方式雖然傳輸距離和傳輸容量受限制，但是結(jié)構(gòu)簡單、成本低，比較適合中小容量、近距離的海上風(fēng)電場并網(wǎng)。東海大橋100MW海上風(fēng)電示范項目在東海大橋以東1km外海域，布置5排共34臺單機容量為3MW的離岸型風(fēng)力發(fā)電機組，場址海域最北端風(fēng)機距南匯嘴岸線約8km，最南端風(fēng)機距岸線約13km。根據(jù)風(fēng)電場裝機規(guī)模及離岸距離，采用交流電纜的輸電方式接入電網(wǎng)較為合適。

按照大型風(fēng)電場的設(shè)計經(jīng)驗，場內(nèi)集電線路電壓等級一般采用35kV，風(fēng)電機組的發(fā)電輸出，采用一機一變的方式先升壓至35kV后再接入升壓變電站。升壓變電站可以建在陸上，也可以建在海上。采用海上升壓平臺雖然電能損耗較小，海纜占據(jù)的海域使用面積也較小，但是在設(shè)計、施工、運行及維護方面可以借鑒的經(jīng)驗較少，建設(shè)的技術(shù)風(fēng)險較大，而且電氣設(shè)備投資多、升壓平臺的基礎(chǔ)費用高、施工時間長，高電壓大截面等級的海纜投資費用較高，特別是設(shè)備的運行環(huán)境惡劣、防腐要求高，電氣設(shè)備的運行及維護比較困難。而陸上升壓變電站可以常規(guī)布置，雖然陸上升壓變電站的中壓海纜回數(shù)較多、電能損耗較大，還要占據(jù)較大的海域，但是設(shè)計、施工、運行的技術(shù)成熟，特別是設(shè)備戶內(nèi)布置受環(huán)境的影響較小，運行及維護比較方便，而且采用常規(guī)設(shè)備投資低。與海上升壓平臺較高的投資相比，東海大橋海上風(fēng)電場的場內(nèi)升壓變電站建在引橋東側(cè)的海堤內(nèi)，電能損耗引起的成本增加并不多，經(jīng)濟上更為合理。

2 場內(nèi)集電線路設(shè)計

根據(jù)國外海上風(fēng)電場的建設(shè)經(jīng)驗，海上風(fēng)電場的建設(shè)成本主要包括風(fēng)電機組及其基礎(chǔ)投資，以及由中高壓海底電纜構(gòu)成的場內(nèi)集電線路等項目的投資。因此場內(nèi)集電線路的合理布局，對于降低風(fēng)電場建設(shè)成本非常重要。目前，海上風(fēng)電場內(nèi)部集電線路布局方式分為鏈形、環(huán)形和星形等形式［2］。其中鏈形布局結(jié)構(gòu)簡單，投資成本較低；環(huán)形布局與鏈形布局相比需要較高的投資成本，但能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度的冗余，可靠性較高。海底電纜一旦發(fā)生故障就會導(dǎo)致一部分風(fēng)機不能正常發(fā)電，一方面增加了故障維修費用，另一方面風(fēng)電場在故障維修期間還會損失發(fā)電收入。因此，集電線路布局方案的可靠性，對風(fēng)電場的經(jīng)濟性有較大影響，必須綜合考慮。在對不同布局方案的經(jīng)濟性進行比較時，除了考慮集電線路初期一次性投資成本外，還應(yīng)考慮集電線路可靠性的影響。鏈形布局投資小，故障機會成本大；環(huán)形布局投資大，故障機會成本小，必須用投資成本和故障機會成本相加得到的總成本，作為衡量不同布局方式的經(jīng)濟指標(biāo)［3］。

為了優(yōu)化場內(nèi)集電線路布局，東海大橋海上風(fēng)電場方案的設(shè)計，按照鏈形和環(huán)形方式分別擬定了普通鏈形連接、相臨回路風(fēng)機首端聯(lián)絡(luò)、環(huán)形連接共3種方案進行了比較。比較結(jié)果表明，環(huán)形布局或相臨回路風(fēng)機首端聯(lián)絡(luò)方案雖然能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度的冗余，提高集電線路的可靠性，增加發(fā)電效益，但增加了線路和開關(guān)的投資。由于目前海底電纜的制造和施工成本較高，增加的發(fā)電效益無法彌補海纜增加的投資，因此，東海大橋海上風(fēng)電場的場內(nèi)集電線路采用普通鏈形連接方案。對場內(nèi)34臺風(fēng)機采用分4組和分5組組合的兩種方案比較后發(fā)現(xiàn)，將34臺風(fēng)機箱變分為4組，按每組8臺或9臺風(fēng)機箱變組合成一個聯(lián)合單元后分別接入風(fēng)電場110kV升壓變電站，相應(yīng)的集電線路回路輸送容量為24MW或27MW的方案比較合理，經(jīng)濟性最優(yōu)。聯(lián)合單元內(nèi)風(fēng)機之間以及聯(lián)合單元首端風(fēng)機到陸上110kV升壓變電站之間，采用35kV光電復(fù)合電纜線路連接。場內(nèi)4回主海纜回路通過頂管穿越蘆潮港海堤連接到陸上110kV變電站。

3 海纜選型及敷設(shè)

3.1 海纜選型

35kV交聯(lián)聚乙烯海底電纜為銅導(dǎo)體三心交聯(lián)聚乙烯絕緣分相鉛護套粗鋼絲鎧裝海底光電復(fù)合電纜，采用水下直埋方式敷設(shè)。海底電纜包含電力電纜和光纖通信電纜兩部分，3根電纜的纜心和2根16心的光纖通信電纜采用行星式機械組合成纜，鎧裝的墊層為聚丙烯繩及紡織帶；墊層外采用具有防腐功能的鍍鋅鋼絲作為鎧裝層，采用2層聚丙烯繩作為外護套，護套涂覆瀝青。

海纜截面按實際需要的載流量確定，并按照電壓降和短路容量進行校核。風(fēng)機之間以及從風(fēng)機到陸上變電站的海纜有多種敷設(shè)方式，雖然大部分海纜埋設(shè)在海底，溫度較低，土壤的熱阻系數(shù)小，埋設(shè)的海纜載流量較大，但由于在風(fēng)機塔筒底部屬空氣中敷設(shè)，過堤及過堤后至變電站部分屬穿管敷設(shè)，過堤之前屬淺灘埋地敷設(shè)，實際載流量應(yīng)按海纜在上述各種情況下的最小值來確定。

3.2 海纜敷埋設(shè)方案

海纜路由的選擇應(yīng)能保障海底電纜能夠順利敷設(shè)，并且使敷設(shè)后的海纜有足夠長的使用壽命。如果路由選擇不恰當(dāng)，不僅會造成敷設(shè)困難，還會對電纜的運行安全帶來影響。施工前應(yīng)先對初步選擇的數(shù)條路由進行勘察，然后對調(diào)查結(jié)果進行比較，最后確定敷設(shè)路由。調(diào)查的內(nèi)容主要包括登陸點、水底地形、水底地質(zhì)、水底障礙物、水文氣象和其它一些項目。東海大橋海上風(fēng)電場的海底電纜敷設(shè)路由分為4條登陸主干路由和5條分支路由，各組內(nèi)風(fēng)機通過分支路由連接，然后與對應(yīng)的主干路由相接，平行向北至南匯嘴東海大橋東側(cè)海岸登陸。海纜集電線路的路徑通道、敷設(shè)方式及海纜登陸方案，是根據(jù)海洋勘測部門提供的海底光電復(fù)合電纜路由勘測報告所推薦的路由以及海纜敷設(shè)要求確定的。海底電纜由蘆潮港敷設(shè)至風(fēng)電場海域，橫跨東海大橋1000t以及500t航道，路由水深約10m，海纜登陸段灘涂區(qū)域達(dá)到約1km范圍。

在場址區(qū)域內(nèi)，海纜沿風(fēng)機之間的連線埋設(shè)；每臺風(fēng)機的進出海纜通過風(fēng)機基礎(chǔ)施工時埋設(shè)的“J”形管進入塔筒底部；每個風(fēng)機組至陸地升壓變電站的海纜，沿東海大橋東側(cè)1km平行大橋埋設(shè)，海纜之間的敷設(shè)間距為50m左右；海纜敷設(shè)在跨越已有線纜處時，采用在線纜上部跨越并回填保護的方法；海纜進入南匯嘴淺灘處，采用人工挖填電纜溝；此后海纜間距逐步縮小，至海堤處縮短為4m左右，采用非開挖穿管方式穿越海塘大堤；出堤后進入升壓變電站內(nèi)的電纜轉(zhuǎn)換井，由電纜轉(zhuǎn)換井進入升壓變電站的半地下電纜層。

海底電纜大部分事故屬于船錨和漁具的作用造成，船舶投錨及其走錨，是造成水下電纜機械性外傷的主要因素之一，因此，機械性外傷的防范是海底電纜敷設(shè)的重要環(huán)節(jié)。風(fēng)電場場址海域內(nèi)船只較多，海纜路徑需經(jīng)過東海大橋的1000t和500t通航孔，而且海床為柔軟的沉積淤泥層，根據(jù)錨重與投入淤泥層深度的關(guān)系，電纜埋深一般在2.0～2.5m之間，考慮航道清淤及沖刷的影響，穿越通航孔處的電纜埋深給予了適當(dāng)加大。

海纜登陸后，采用非開挖定向鉆和明挖直埋工法埋設(shè)保護管穿越蘆潮港區(qū)域海塘大堤至110kV陸上升壓變電站，保護管間距為4m，埋管最深處距離地面約16.5m。根據(jù)該處的敷設(shè)條件與環(huán)境地溫，按IEC 60287標(biāo)準(zhǔn)計算，穿堤頂管如果采用塑料管材，該方案的主回路海纜實際載流量稍有不足。為了改善此處海纜的敷設(shè)環(huán)境，穿堤頂管改為鋼管并在管內(nèi)充水，經(jīng)核算新方案的海纜實際載流量滿足要求。

由于海水沖刷，風(fēng)機基礎(chǔ)處的海纜如果敷設(shè)不當(dāng)，經(jīng)過一段時間后可能被懸空，因此J形海纜保護管敷設(shè)前必須弄清鋼管樁附近的海水沖刷情況，并根據(jù)實際海床面的高程調(diào)整J形管水平段的埋設(shè)深度。此外，在風(fēng)機間海纜敷設(shè)至路徑末端風(fēng)機J形管水平段前約60m處，可以根據(jù)現(xiàn)場情況按Ω形敷設(shè)，盡可能遠(yuǎn)離沖刷區(qū)，并預(yù)留合適的敷設(shè)裕量。

3.3 施工方案

東海大橋海上風(fēng)電場的海纜埋設(shè)施工采用專業(yè)的施工船機設(shè)備和水力機械埋設(shè)機，通過“拖曳式海底管線埋設(shè)機綜合監(jiān)控與導(dǎo)航系統(tǒng)”全面監(jiān)控和導(dǎo)航海底線纜埋設(shè)機水下埋纜及其它拖曳式潛水器作業(yè)過程，并進行數(shù)據(jù)管理。該系統(tǒng)分為水上和水下兩個部分：水下部分有超短基線定位系統(tǒng)、若干輔助監(jiān)控傳感器和信息集中處理箱；水上部分有DGPS，若干輔助監(jiān)控傳感器和水面計算機系統(tǒng)。水面計算機系統(tǒng)用來收集水下和水上部分采集的信息，經(jīng)過軟件處理后，可以直觀反映水下埋設(shè)機的姿態(tài)及敷纜長度。敷埋海纜時主要依據(jù)計算機系統(tǒng)反映的畫面和數(shù)據(jù)來控制埋設(shè)機、船以及路由軌跡畫面、水泵泵壓、埋設(shè)機雪橇是否觸地、拖體（埋設(shè)機）縱橫傾、埋深、海纜在埋設(shè)機出口端的受力、海纜在布纜機兩端口的受力、牽引埋設(shè)機鋼纜受力、水深及敷纜長度等參數(shù)，確保施工質(zhì)量。

3.4 海纜監(jiān)測系統(tǒng)

風(fēng)電場配置了一套海纜溫度探測系統(tǒng)，用于監(jiān)測海纜的運行溫度和輸送容量。探測系統(tǒng)主要由多模光纜、監(jiān)控系統(tǒng)屏及中控室的監(jiān)控終端組成，利用海底光電復(fù)合纜中的多模光纖作為探測溫度傳感器，通過探測回波信號中拉曼散射強度獲得沿光長度上的溫度分布，監(jiān)控主機對獲得數(shù)據(jù)進行處理，可以獲得電纜的運行負(fù)荷。系統(tǒng)可將各段海纜設(shè)置為不同的報警防區(qū)，一旦某個防區(qū)內(nèi)某處的最大溫度或溫升速率超標(biāo)立即報警，使運行人員能及時維護。

4 結(jié)語

東海大橋100MW海上風(fēng)電場于2008年9月正式開工建設(shè)，2009年3月首臺風(fēng)機吊裝成功，同年9月首批3臺風(fēng)機并網(wǎng)運行；2010年2月34臺風(fēng)機吊裝完成，同年6月8日全部風(fēng)機并網(wǎng)發(fā)電。該項目為我國在海上風(fēng)電場建設(shè)上實現(xiàn)了突破，起到了項目示范作用。目前風(fēng)電場運行正常，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。

［1］姚 偉，程時杰，文勁宇.直流輸電在海上風(fēng)電場并網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.中國電力，2007，40（10）：70－74.

［2］靳 靜，艾 芊，奚玲玲，張 欣.海上風(fēng)電場內(nèi)部電氣接線系統(tǒng)的研究［J］.華東電力，2007，35（10）：20－23.

［3］王建東，李國杰.海上風(fēng)電場內(nèi)部電氣系統(tǒng)布局經(jīng)濟性對比［J］.電力系統(tǒng)自動化，2009，33（11）：99－103.