海上風(fēng)力發(fā)電機組電力傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢

摘 要：該文從海上風(fēng)場的電網(wǎng)、海底電纜的情況、遠(yuǎn)程監(jiān)控和定期檢修以及電所主接線幾個方面大致探討了海上風(fēng)力發(fā)電機組的電力傳輸發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)力發(fā)電 電力傳輸 趨勢

中圖分類號：TM614文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X（2013）05（a）-0092-01

1 海上風(fēng)力發(fā)電場

根據(jù)多年的觀測結(jié)果及國外運行經(jīng)驗，海上風(fēng)力發(fā)電場相比陸上風(fēng)力發(fā)電場具有的優(yōu)勢為：對環(huán)境（諸如占地面積、風(fēng)扇及機組的噪音排放等）的影響??；風(fēng)速相對較高；設(shè)備可采用海上運輸，因此可以設(shè)計與安裝更大型機組，從而增加單位面積的裝機容量。一般情況下海上風(fēng)力發(fā)電場發(fā)出的電壓等級在30～36 kV，因此對于距離海岸遠(yuǎn)的大型風(fēng)電場，根據(jù)電能傳輸理論，必須提高線路的輸送電壓，以提高電能的傳輸效率。當(dāng)海上風(fēng)力發(fā)電場的規(guī)模相對較小且距離海岸較近時，交流輸變電機組并網(wǎng)方式一般采用加靜止同步無功補償器（STATCOM）的交流高壓聚合物電纜接入到陸地電網(wǎng)，其主要構(gòu)成部分分為：發(fā)電機組側(cè)升壓變壓器、海底交流高壓聚合物電纜、高壓聚合物電纜兩端的晶閘管控制電抗器補償單元、陸地電網(wǎng)變壓器。上述這幾個主要部分構(gòu)成了海上風(fēng)電機組的功率匯合點：風(fēng)力發(fā)電機，風(fēng)場變電站，再通過海底電纜接入陸地電力的電能傳輸系統(tǒng)。海上風(fēng)力發(fā)電場所采用交流輸電并入陸地電網(wǎng)的主要優(yōu)點是：電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。缺點主要是：由于交流高壓聚合物電纜本身的充電電流影響，不可能實現(xiàn)大功率的傳輸容量和較遠(yuǎn)的傳輸距離。另外，隨著風(fēng)電場建設(shè)規(guī)模的增大和離岸距離的增長，尤其是當(dāng)設(shè)計裝機容量為500 MW以上的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)時，采用高壓直流輸電技術(shù)連接風(fēng)電場和陸地電網(wǎng)成了國內(nèi)外高校和電網(wǎng)企業(yè)的研究熱點。像變壓器、電抗器及電纜的接頭等電器設(shè)備很容易受到包括制造問題、離岸的氣候條件、空氣中鹽分的侵蝕等的危害。因此，在風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計中應(yīng)當(dāng)充分考慮到氣候條件對電氣設(shè)備的損害，以及定期的檢測電氣設(shè)備的可靠性，以保證其安全運行。由于海上風(fēng)力發(fā)電機組遠(yuǎn)離陸地，海底電纜又埋于地下，對電氣設(shè)備的檢測存在一定困難。

2 海底電纜的敷設(shè)

20世紀(jì)90年代以前海底電纜多采用油浸紙絕緣電纜。近年來交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜（XLPE）以其諸多的優(yōu)異性能現(xiàn)已成為應(yīng)用最廣泛的交流海底電纜。但一般單根的海底電纜長度并不能達到整條輸電線路長度的要求，所以為增加電纜長度只能采用海底電纜的中間接頭。中間接頭的種類分為兩種，一種是在電纜出廠以后，在敷設(shè)過程中現(xiàn)場安裝的“固定接頭”；另一種則是在電纜的生產(chǎn)過程中進行電纜接續(xù)， 俗稱“軟接頭”。以現(xiàn)階段的敷設(shè)經(jīng)驗來看，由于海上電纜敷設(shè)船的條件限制， 在無法提供單根大長度電纜的時候，“軟接頭”技術(shù)比“固定接頭”技術(shù)應(yīng)用更廣范。海上風(fēng)電場通過高壓海底電纜與陸地電網(wǎng)并聯(lián)，在運行過程中為了降低由于漁民的捕魚等所使用的設(shè)備對海底電纜造成破壞的風(fēng)險，很有必要將海底電纜埋起來。在海底環(huán)境比較平坦的情況下，可以采用高壓噴頭沖洗海床，然后將高壓電纜敷設(shè)于海床內(nèi)。相對于將電纜掘進或投入海床，這樣是更加經(jīng)濟和合理的方法。

3 檢修情況和遠(yuǎn)程監(jiān)控

海上惡劣的天氣使相關(guān)設(shè)備有可能得不到檢修人員正常的檢修和維護，容易造成故障隱患。所以，定期檢修和遠(yuǎn)程時時監(jiān)控對于海上設(shè)備尤其是風(fēng)機高可靠性顯得非常重要。對于一些離陸地較遠(yuǎn)的風(fēng)電場，應(yīng)根據(jù)當(dāng)時的氣象條件制訂合理的風(fēng)機的檢修程序并開發(fā)相關(guān)的檢修用設(shè)備。同時，由于海上空氣的腐蝕性比較強，在運行過程中對海上風(fēng)場的遠(yuǎn)程時時監(jiān)控要比陸地風(fēng)場更為重要一些，從目前歐洲已建成的海上風(fēng)力發(fā)電場來看，其采用遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)已有數(shù)年的運行經(jīng)驗，監(jiān)測情況良好。工程師預(yù)測海上風(fēng)電場采用1.5 MW的大機組，在風(fēng)機上安裝一些新開發(fā)的傳感器，利用這些傳感器來對風(fēng)電場的重要設(shè)備諸如風(fēng)機進行時時的在線檢測。同樣地，為了確保相關(guān)設(shè)備得到適當(dāng)?shù)臋z修，工業(yè)中一些產(chǎn)業(yè)也需要對這項技術(shù)非常了解。

4 電氣主接線的設(shè)計

根據(jù)目前國際上通用規(guī)劃的120～150 MW的大型風(fēng)電場可能以33 kV的電壓等級的電網(wǎng)進行相聯(lián)。風(fēng)電場中，會設(shè)計有30～110 kV電壓等級的變電站平臺和許多檢修設(shè)備。與陸地的聯(lián)結(jié)較多的采用110 kV電壓等級。目前為止，風(fēng)力發(fā)電較為發(fā)達的地區(qū)是歐洲沿海國家和美國，印度和日本根據(jù)自身的地理位置特點也在大力發(fā)展海上風(fēng)電，我國在21世紀(jì)初也越來越重視海上風(fēng)電的發(fā)展，其中較大的風(fēng)力發(fā)電場為上海市的東海大橋風(fēng)電場。其裝機容量達到了100 MW，由50臺2 MW風(fēng)力發(fā)電機組構(gòu)成，距離海岸線最近約為6 km，最遠(yuǎn)約為13 km。每臺風(fēng)機配備一臺0.69/35 kV升壓變壓器，最終所有風(fēng)機的電能母線，再經(jīng)海底電纜以交流/直流的形式傳輸?shù)疥懙仉娋W(wǎng)。在風(fēng)電場的設(shè)計階段，電氣主接線方式應(yīng)視其具體的位置、風(fēng)力大小和分布情況而定。從目前世界上已運行的陸上和海上風(fēng)電場的設(shè)計經(jīng)驗來看，電氣主接線基本上有三種形式：鏈形、星形、環(huán)形。（1）有功損耗：交流高壓電纜將風(fēng)電場的電能由35千伏電纜輸出，通過80 Mvar的SVC后，傳輸?shù)疥懮献冸娬局髯儔浩鞯?5 kV側(cè)，海底交流電纜在登陸點換為陸上交流電纜。根據(jù)文獻中的仿真結(jié)果（只對a，b，c，d四種類型進行仿真）發(fā)現(xiàn)單邊環(huán)形損耗最低，其次是復(fù)合環(huán)形，鏈形結(jié)構(gòu)的有功損耗最高。（2）穩(wěn)定性：電壓穩(wěn)定性，根據(jù)規(guī)定，35 kV及以上供電電壓的正負(fù)偏差值不超過額定電壓的10%。根據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，幾種接線方式都符合規(guī)定。由于海上輸電電纜一旦出現(xiàn)故障，維修需要花費的時間比較長，因此具有冗余的環(huán)形結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢。（3）經(jīng)濟性：根據(jù)工程造價分析可知海上風(fēng)電場的建設(shè)成本是同規(guī)模的陸上風(fēng)電場的2倍，風(fēng)機安裝、海底電纜敷設(shè)、連接設(shè)備是導(dǎo)致兩者投資成本差額的主要原因。在海上風(fēng)電場的總成本中，電氣接線系統(tǒng)占約19%。由接線結(jié)構(gòu)可知單邊環(huán)形成本最高，其次是復(fù)合環(huán)形，然后是雙邊環(huán)形，鏈形結(jié)構(gòu)的成本最低。

單邊環(huán)形結(jié)構(gòu)的建設(shè)成本最高，但其有功損耗、電壓偏差最小。鏈形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)建設(shè)成本最低，但其有功損耗、電壓偏差最大。雙邊環(huán)形、復(fù)合環(huán)形結(jié)構(gòu)在以上所討論的幾種因素中處于中間，綜合特性能最好。其中，復(fù)合環(huán)形結(jié)構(gòu)的建設(shè)成本比雙邊環(huán)形結(jié)構(gòu)低，同時其有功損耗、電壓偏差也均低于雙邊環(huán)形結(jié)構(gòu)。需要專門提出的一點是：在使用復(fù)合環(huán)形結(jié)構(gòu)的條件下，任一主電纜故障會造成所有回路均有故障電流，所以故障判斷和繼電保護也更加復(fù)雜。

參考文獻

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