海上風(fēng)電場輸電系統(tǒng)選擇

上海綠色環(huán)保能源有限公司 ■ 張開華 張智偉

上海電力設(shè)計院有限公司 ■ 王婧倩* 葉軍

0 引言

風(fēng)能是業(yè)界公認(rèn)的技術(shù)最成熟的綠色能源，近年來全球風(fēng)力發(fā)電迅猛發(fā)展。雖然德國、丹麥、挪威等國家的陸上風(fēng)電開發(fā)已趨飽和；但海上風(fēng)電具有巨大的開發(fā)潛力，并以能效高、干擾少、不占用土地資源等優(yōu)勢成為各主要經(jīng)濟(jì)體發(fā)展的重點。盡管目前海上風(fēng)電存在開發(fā)技術(shù)難度大、投資成本偏高、機(jī)制政策尚待完善、并網(wǎng)技術(shù)不成熟等問題，但其在歐洲仍然取得了令人矚目的成果[1]。

我國海上風(fēng)資源儲量豐富，具有良好的開發(fā)條件和優(yōu)勢，并已邁出堅實的步伐?！讹L(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出，2020年海上風(fēng)電裝機(jī)容量要達(dá)到2.1億kW[2]，這標(biāo)志著我國海上風(fēng)電技術(shù)發(fā)展方向更加明確，開發(fā)步伐進(jìn)一步加快。

然而，發(fā)展海上風(fēng)電并非一帆風(fēng)順，隨著發(fā)電量的增加，并網(wǎng)面臨的技術(shù)問題也日益嚴(yán)峻，一是電能的輸送，二是風(fēng)電場動態(tài)穩(wěn)定性對電網(wǎng)的影響[3-5]，已成為影響海上風(fēng)電發(fā)展的主要障礙。由于運(yùn)行環(huán)境惡劣，海上風(fēng)電建設(shè)、并網(wǎng)、電能輸送，以及運(yùn)行維護(hù)的技術(shù)難度和投資成本均較陸上風(fēng)電高。因此，安全可靠的輸電方案是確保風(fēng)電送出和系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵。

目前，海上風(fēng)電的領(lǐng)先技術(shù)大部分在歐洲，而國際上尚無海上風(fēng)電設(shè)計的專用方法和標(biāo)準(zhǔn)，因此，如何實現(xiàn)海上風(fēng)電場的電能傳輸成為一個重要而迫切的研究課題。海上風(fēng)電場輸電方案包括并網(wǎng)方式與輸電線路形式的選擇，不同方案的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益不盡相同。針對以上問題，本文將分別介紹海上風(fēng)電的3種并網(wǎng)方式和3種輸電線路類型的優(yōu)點和適用范圍，并對不同輸電方案的技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析研究。

1 海上風(fēng)電場分類

海上風(fēng)電場可分為潮間帶風(fēng)電場、近海風(fēng)電場和深海風(fēng)電場。潮間帶風(fēng)電場是指在沿海多年平均大潮高潮線以下至理論最低潮水位5 m水深內(nèi)的海域開發(fā)的風(fēng)電場；近海風(fēng)電場是指在理論最低潮水位以下5～50 m水深的海域開發(fā)的風(fēng)電場；深海風(fēng)電場是指在大于理論最低潮水位以下50 m水深的海域開發(fā)的風(fēng)電場。

根據(jù)國內(nèi)外工程經(jīng)驗，水越深，風(fēng)電場的建設(shè)成本越高，技術(shù)越復(fù)雜，因此，近期我國海上風(fēng)電的主要目標(biāo)是開發(fā)近海風(fēng)能資源[3]。隨著技術(shù)的成熟與政策機(jī)制的完善，大容量、遠(yuǎn)距離的海上風(fēng)電將是未來的發(fā)展趨勢，其電能輸送問題也是現(xiàn)今亟待解決的一個重要課題。

2 并網(wǎng)方式選擇

海上風(fēng)電的并網(wǎng)方式主要有3種，分別為：高壓交流輸電(HVAC)、常規(guī)高壓直流輸電(LCC-HVDC)和柔性直流輸電(VSC-HVDC)[4,6-7]。

2.1 高壓交流輸電(HVAC)

目前，HVAC是國內(nèi)主要采用的并網(wǎng)方式，主要由風(fēng)電場集電線路、海上升壓站、交流線路、陸上升壓站(或開關(guān)站)，以及相應(yīng)的無功補(bǔ)償設(shè)備組成。

此方式下，電能無需轉(zhuǎn)換為直流或其他頻率，風(fēng)電機(jī)組輸出電壓經(jīng)升壓至35 kV后，分別通過35 kV海纜匯流至110 kV或220 kV海上升壓站，經(jīng)110 kV或220 kV線路接入陸上升壓站或集控中心，最終以220 kV線路并網(wǎng)。

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但是受充電功率的制約，適用于小規(guī)模潮間帶風(fēng)電場和近海風(fēng)電場。

2.2 常規(guī)高壓直流輸電(LCC-HVDC)

LCC-HVDC即基于電網(wǎng)換相換流器的直流輸電系統(tǒng)，主要由交、直流濾波器，換流變壓器，直流線路，以及輔助動力系統(tǒng)等組成。

此方式下，風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組輸出電壓經(jīng)升壓至35 kV后，分別通過35 kV海纜匯流至海上換流站，經(jīng)直流線路接入陸上換流站，最終仍以220 kV線路并網(wǎng)。

LCC-HVDC系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展成熟，適用于大功率的傳輸，多用于陸上長距離輸電和大長度海纜工程。由于會加重諧波污染，該系統(tǒng)尚未在海上風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用[5]。

2.3 柔性直流輸電(VSC-HVDC)

VSC-HVDC即基于電壓源換流器的高壓直流輸電系統(tǒng)，是一種新型直流輸電技術(shù)，具有可控性強(qiáng)、環(huán)境影響小、適合中小容量電力遠(yuǎn)距離輸送等優(yōu)點，是國外大型遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電場并網(wǎng)的唯一選擇，已逐漸成為海上并網(wǎng)的主流技術(shù)。

該系統(tǒng)主要由換流變壓器、柔性直流線路及輔助動力系統(tǒng)等組成[8]。

2.4 并網(wǎng)方式對比

風(fēng)電并網(wǎng)方式的選擇，需綜合考慮不同方式的優(yōu)勢與不足。

HVAC結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但輸電距離、輸電容量及電壓等級都有一定的限制，目前并網(wǎng)工程中的最大輸送容量為200MW/150kV和350MW/245kV。

LCC-HVDC易換相失敗，會降低風(fēng)電場的穩(wěn)定性；同時需要安裝大量的無功補(bǔ)償裝置，占用空間大，不適合在海上風(fēng)電場中使用。

VSC-HVDC結(jié)構(gòu)緊湊、占地小、模塊化、施工便利、控制靈活、環(huán)境影響小、不受輸送距離制約等，但其不足之處在于功率損耗大、輸電容量有限、成本較高，適用于離岸中大型海上風(fēng)電場的并網(wǎng)[6,9]。

因此，國內(nèi)外相關(guān)研究表明，HVAC是潮間帶、近海風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)有效的并網(wǎng)方法；而柔性直流輸電技術(shù)則為遠(yuǎn)海風(fēng)電并網(wǎng)的最佳選擇。不同并網(wǎng)方式的適用范圍如圖1所示，輸送容量在200MW以內(nèi)、離岸距離小于80 km時，采用HVAC比較合適；輸送容量在200～400MW的風(fēng)電場，需根據(jù)離岸距離選擇并網(wǎng)方式；400～600MW的遠(yuǎn)海風(fēng)電場，采用VSC-HVDC較為合適；更大容量的風(fēng)電場則需要采用LCC-HVDC[6,9]。

3 輸電線路的形式選擇

圖1 不同并網(wǎng)方式輸電容量與距離的關(guān)系

與常規(guī)線路類似，海上風(fēng)電場輸電線路可采用架空線路、海底電纜(以下簡稱“海纜”) 線路及架空-海纜混合線路。不同線路形式的運(yùn)行維護(hù)和故障類型也不盡相同，并會由此影響輸電的可靠性。

3.1 海上架空線路

架空線路以投資小、建設(shè)周期快、施工簡便、易發(fā)現(xiàn)故障和隱患、維護(hù)和檢修方便等特點，在高壓輸電系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)力量的提高，架空線路以其獨有的優(yōu)勢逐漸在海島清潔能源并網(wǎng)、向海島孤立負(fù)荷供電等跨海工程中占有一席之地。

架空線路導(dǎo)線種類多樣，不受電壓等級和輸送容量的制約，但是桿塔施工難度較大。目前國內(nèi)已投運(yùn)的跨海工程中，深圳大鏟島前灣LNG電廠220 kV送出線路，跨海段采用同塔雙回架設(shè)，長約10.5 km，桿塔樁基深約40 m；福建莆田L(fēng)NG電廠500 kV送出線路，采用同塔雙回大跨越線路，海上線路長約3.15 km，跨越塔高128.5 m。

3.2 海纜線路

海纜的使用已超過百年，早期用于向孤立的近海設(shè)備供電，如燈塔、醫(yī)療船等；隨后，向近海海島供電成為海纜工程的主要應(yīng)用；為了獲得更好的穩(wěn)定性和能源利用，20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了獨立電網(wǎng)的連接[10]；隨著海上風(fēng)電的興起，海纜的應(yīng)用又成為熱點。近年來，國內(nèi)海纜制造業(yè)迅速發(fā)展，在技術(shù)研發(fā)、施工能力等方面均有較大提高，尤其是110 kV及以下電壓等級交聯(lián)海底(光電復(fù)合)電纜逐步取代了國外品牌，并成功研制了220 kV海底光電復(fù)合電纜[12]。

海纜按絕緣類型可分為交聯(lián)聚乙烯絕緣海纜、充油絕緣海纜和油紙絕緣海纜。由于交聯(lián)聚乙烯絕緣海纜具備電氣性能好、機(jī)械強(qiáng)度高、安裝敷設(shè)和運(yùn)行維護(hù)方便、環(huán)保等特點，在海上風(fēng)電領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是在交流并網(wǎng)方式下，海纜充電電流較大，限制了傳輸距離和輸送容量。圖2為傳輸距離與輸送容量二者間的關(guān)系曲線圖。

交流海纜按芯數(shù)可分為單芯海纜和三芯海纜。在交流并網(wǎng)方式下，可采用3根單芯海纜，其敷纜、搶修相對方便，載流量較大，但海域使用面積大；也可采用1根三芯海纜，其海域使用面積小，但敷纜、搶修時間較長，載流量較小。由于220 kV三芯海纜外徑大、重量重、制造和施工水平要求高，因此，對于220 kV線路，推薦采用單芯海纜。110 kV線路宜從海纜路由、輸送容量、制造水平、施工技術(shù)、運(yùn)行維護(hù)等方面，在單芯海纜和三芯海纜之間做出選擇。

直流海纜按芯數(shù)可分為單芯、兩芯和同軸海纜。扁形兩芯海纜易于彎曲，但只能朝一個方向彎曲，使制造安裝較為不便。同軸海纜附件難以制作，僅在2002年蘇格蘭和安爾蘭之間的Molye互聯(lián)工程中采用[10]。因此，直流并網(wǎng)時推薦采用2根單芯海纜。

圖2 交流海纜輸送距離與輸送容量曲線圖

目前，國內(nèi)具備生產(chǎn)能力的交流交聯(lián)海纜最高電壓等級為220 kV，在舟山-秀山-岱山輸電線路工程中應(yīng)用，是國內(nèi)唯一量產(chǎn)并使用的220 kV海纜。受直流交聯(lián)絕緣材料耐受電壓的限制，國內(nèi)直流交聯(lián)海纜的最高電壓等級為±200 kV[12]，如國網(wǎng)±200 kV舟山多端柔性直流輸電示范工程。國外海上風(fēng)電并網(wǎng)工程的最高電壓為±320 kV[14]，如德國Dolwin 1海上風(fēng)電并網(wǎng)工程。

3.3 海上架空-海纜混合線路

架空-海纜混合線路形式將架空線和海纜進(jìn)行組合，優(yōu)劣互補(bǔ)，可解決因地形條件影響不便于全線架設(shè)導(dǎo)線或受客觀原因制約不利于全線敷設(shè)海纜等問題，但會受輸送容量和輸電距離的制約。

3.4 不同線路形式對比

相比海纜線路，架空線路造價較低、設(shè)計靈活、充電功率小、不受輸送容量和輸電距離的制約；但因線路直接暴露在大氣中，易受雷擊和污染的影響而發(fā)生暫時性故障，根據(jù)現(xiàn)有運(yùn)行經(jīng)驗，可通過加強(qiáng)絕緣配置來提高線路的耐雷水平和防污性能。該輸電形式的實施難點在于桿塔本體設(shè)計和施工，深海風(fēng)電水深較深，一般大于50 m，且風(fēng)速較高，導(dǎo)致桿塔尺寸大、樁基深、施工難、周期長，因此，海上架空線路多用于潮間帶風(fēng)電送出、近海風(fēng)電送出及深海風(fēng)電近岸側(cè)。

海纜線路面臨的威脅主要來自外部的機(jī)械損傷，具體表現(xiàn)為船只拋錨傷害，且多為永久性故障，修復(fù)時間較長。其施工難度受廠家生產(chǎn)能力和海域地形條件的影響較大。海纜線路實施難點在于海纜選型和安裝敷設(shè)。海纜選型與并網(wǎng)方式、輸送容量、電壓等級、過電壓水平、熱穩(wěn)定性能及敷設(shè)條件有關(guān)。我國潮間帶海域廣闊，但水深較淺，不利于海纜的施工。以我國東南沿海省市為例，在海纜施工時，潮間帶漲潮時平均水深只有1.5 m左右，不滿足敷設(shè)船的吃水深度要求，一天中高水位持續(xù)時間只有2～3 h，且大部分潮間帶因其淤泥質(zhì)灘面的土質(zhì)較軟易沉，增加了施工難度和施工周期[11-12]。因此，對于潮間帶風(fēng)電和近海風(fēng)電送出線路，可結(jié)合工程地質(zhì)條件，選擇架空線路或架空-海纜混合線路；深海風(fēng)電多采用海纜線路。

國外學(xué)者對不同輸送容量、電壓等級下的線路選擇進(jìn)行了研究統(tǒng)計[13-14]，如圖3所示。

圖3 不同電壓等級和輸送容量下的線路選擇

4 經(jīng)濟(jì)性分析

工程投資包括建設(shè)成本和運(yùn)行費用。建設(shè)成本包括變電站(換流站)部分和輸電線路部分。

直流并網(wǎng)方式下，每回線路可少1根海纜(或架空線)，但換流站費用較高，因此，建設(shè)費用高于交流并網(wǎng)方式。從運(yùn)行費用考慮，相同輸送容量下，直流輸電系統(tǒng)的損耗僅為交流系統(tǒng)的2/3。因此，當(dāng)海纜輸電距離達(dá)到某個值，交、直流方式的工程投資相同。相關(guān)研究表明，該臨界距離在80 km左右[5,8]。相同輸電線路形式下，交、直流系統(tǒng)的投資比較如圖4所示。

交流海纜的損耗由線芯的交流電阻損耗、絕緣損耗、金屬套和鎧裝的損耗組成，而直流海纜損耗比較單一。架空線路主要考慮電阻損耗，因此，全交流海纜線路的年運(yùn)行費用最高。

根據(jù)上述分析，以輸送容量為200MW、輸送距離為50 km的某海上風(fēng)電工程為例，計算分析不同輸電方案下的工程投資。方案1為220 kV架空線輸電方案；方案2為220 kV海纜輸電方案；方案3為220 kV架空-海纜混合輸電方案(架空、海纜各占50%)；方案4為±200 kV架空線輸電方案；方案5為±200 kV海纜輸電方案；方案6為±200 kV架空-海纜混合輸電方案(架空、海纜各占50%)。 6種方案的投資費用差價如表1、表2所示。

圖4 交、直流輸電方式投資成本比較

由表1、表2中的數(shù)據(jù)可知，因換流站和海纜價格高于變電站和架空線路，臨界輸送距離內(nèi)的±200 kV海纜輸電方案的建設(shè)成本最高，但±200 kV架空-海纜混合輸電方案的運(yùn)行費用較低。因海中桿塔施工費用較高，架空線輸電方案和架空-海纜混合輸電方案總費用相當(dāng)。

表1 6種方案建設(shè)成本差額(單位：萬元)

表2 6種方案年運(yùn)行費用差額(單位：萬元)

綜上所述，6種方案中，220 kV架空線輸電方案工程投資最低，其次為220 kV架空-海纜混合輸電方案。

5 結(jié)論

為使海上風(fēng)電的建設(shè)更為經(jīng)濟(jì)合理，本文對海上風(fēng)電場輸電方案進(jìn)行了分析比較。輸送容量在200MW以內(nèi)的潮間帶風(fēng)電場和離岸距離80 km內(nèi)的近海風(fēng)電場宜采取HVAC；輸送容量在200～400MW的近海風(fēng)電場，需根據(jù)離岸距離選擇并網(wǎng)方式；輸送容量在400～600MW的遠(yuǎn)距離近海和深海風(fēng)電場，采用VSC-HVDC較合適；更大容量的風(fēng)電場則需要采用LCC-HVDC。海上架空線路適用于潮間帶、近海風(fēng)電送出及深海風(fēng)電近岸側(cè)，因海中桿塔施工費用較高，架空線輸電方案和架空-海纜混合輸電方案總費用相當(dāng)?？傮w來說，臨界輸送距離內(nèi)，220 kV架空-海纜混合輸電方案的工程投資較低，僅次于220 kV架空線輸電方案；臨界輸送距離外，直流架空-海纜混合輸電方案的工程投資較低。

鑒于我國海上風(fēng)電并網(wǎng)采用VSC-HVDC的基礎(chǔ)研究不多，更缺乏工程經(jīng)驗，因此，在應(yīng)用時還需結(jié)合工程實際情況作深入的研究探討。