淺析海上風(fēng)電集電系統(tǒng)

盧興康

上海電力股份有限公司吳涇熱電廠

1 大型海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)

1.1 集電系統(tǒng)的構(gòu)成

海上風(fēng)力發(fā)電原理是以海上產(chǎn)生的海風(fēng)為發(fā)電動(dòng)力，通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)作，后通過(guò)一系列機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)使其變成電能。海上風(fēng)場(chǎng)主要包括：輸電系統(tǒng)、集電系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)群組和升壓站等。各風(fēng)機(jī)發(fā)出的電能，通過(guò)集電系統(tǒng)匯集到海上變壓站，后通過(guò)升壓將電能輸送到岸上并網(wǎng)點(diǎn)。海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)電能匯集過(guò)程是將多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能，通過(guò)開(kāi)關(guān)設(shè)備和海底電纜進(jìn)行傳輸，然后按一定的組合方式將電能集中到風(fēng)電場(chǎng)出口匯流母線(xiàn)。

近年來(lái)，對(duì)集電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究一直在進(jìn)行，許多學(xué)者就此問(wèn)題進(jìn)行了討論，提出了多種方案。集電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)大型海上風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。

集電系統(tǒng)型式有直流集電系統(tǒng)和交流集電系統(tǒng)。

1）直流集電系統(tǒng)。直流集電系統(tǒng)分并聯(lián)連接和串聯(lián)連接兩種。并聯(lián)連接集電系統(tǒng)通過(guò)直流轉(zhuǎn)直流換流站將中壓直流升高到所需水平，經(jīng)陸上換流站接入到電網(wǎng)（見(jiàn)圖1）。串聯(lián)連接直流輸電系統(tǒng)需對(duì)電壓進(jìn)行升高，把各風(fēng)電機(jī)組通過(guò)電纜進(jìn)行串聯(lián)連接，通過(guò)直流輸電線(xiàn)路和陸上換流站接入電網(wǎng)（見(jiàn)圖2）。

圖3為直流串聯(lián)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié)構(gòu)對(duì)輸出電流進(jìn)行整流，利用進(jìn)行隔離變換，并網(wǎng)方法選擇技術(shù)。直流串聯(lián)保證了風(fēng)機(jī)側(cè)和直流側(cè)隔離，具有良好的容錯(cuò)性能，對(duì)并網(wǎng)端，不需其他補(bǔ)償裝置，工程方便實(shí)施。直流并聯(lián)雖然會(huì)使風(fēng)機(jī)間耦合作用減弱，風(fēng)機(jī)獨(dú)立調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)，但就目前技術(shù)，實(shí)施大型直流并聯(lián)型風(fēng)電場(chǎng)是不可能的。因此，直流串聯(lián)是比較可行的方案。

2）交流集電系統(tǒng)。交流集電系統(tǒng)連接原理是海底電纜連接變壓器出口，通過(guò)海上升壓平臺(tái)與高壓直流輸電線(xiàn)路，經(jīng)陸上換流站將電能并入到電網(wǎng)（見(jiàn)圖4）。

圖1 并聯(lián)直流集電系統(tǒng)

圖2 串聯(lián)直流集電系統(tǒng)

圖3 直流串聯(lián)的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)

圖4 交流集電系統(tǒng)

1.2 集電系統(tǒng)的優(yōu)化

大型海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)的優(yōu)化，對(duì)整個(gè)海上風(fēng)電安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行至關(guān)重要，以下幾方面與集電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)有直接關(guān)系，必須加以考慮。

1）電氣性能方面。集電系統(tǒng)電壓、電流會(huì)隨集電系統(tǒng)拓?fù)洳季址桨付煌?；合理布局才能保障風(fēng)機(jī)、電纜等正常運(yùn)行，使損耗和誤差降到可承受范圍內(nèi),避免發(fā)生過(guò)電壓與過(guò)電流。

2）可靠性方面。集電系統(tǒng)能保障電能質(zhì)量的合格及電能的連續(xù)性；集電系統(tǒng)連接風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)機(jī)，具有匯集電能作用；集電系統(tǒng)故障將使風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量降低，運(yùn)行時(shí)間受到影響，風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)性、安全性得不到保障。此外，由于可靠性受拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)影響，因此，在考慮可靠性時(shí)要合理設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3）經(jīng)濟(jì)性方面。大型海上風(fēng)電廠成本由許多因素構(gòu)成，其中集電系統(tǒng)和設(shè)備連接占成本較大一部分；必須對(duì)集電系統(tǒng)進(jìn)行合理、優(yōu)化設(shè)計(jì)，如降低網(wǎng)損或合理減少電纜成本等。

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化，首先確定海上變壓站及風(fēng)力機(jī)選址，在此基礎(chǔ)上，選擇一個(gè)具有良好經(jīng)濟(jì)性和可行的施工方案。

電纜的布局和連接，電纜費(fèi)用與電纜長(zhǎng)度、電纜截面息息相關(guān)，因此，電纜布局、相連對(duì)成本節(jié)省至關(guān)重要。

2 海底電纜

2.1 海底電纜作用

電纜是大型海上風(fēng)電場(chǎng)不可缺少的組成部分，在機(jī)組間連接、機(jī)組與升壓站連接等發(fā)揮重要作用。電纜分為通信電纜和電力電纜兩種。海底電纜與陸上電纜的選型和鋪設(shè)方法不一樣。與陸上電纜相比，海底電纜需考慮到更多因素，如海水對(duì)電纜的腐蝕、海水的壓力等，因此，海底電纜較陸上電纜要求更多、更嚴(yán)。

由于海底情況復(fù)雜，因此，電纜布局需總體考慮，在安全可靠的前提下再進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 海底電纜鋪設(shè)要求

1）盡量選擇空曠海域，減少對(duì)船只的影響。

2）避開(kāi)較陡、水速快的地方。

3)避開(kāi)硬質(zhì)土壤或石頭。

4)電纜間不要交叉。

5)盡量選擇最短路徑，盡量不采取曲線(xiàn)鋪設(shè)。

2.3 電纜選型原則

1)電纜額定電壓≧安裝點(diǎn)處額定電壓。

2)電纜持續(xù)電流≧負(fù)載最大持續(xù)電流。

3)供電系統(tǒng)短路時(shí)截面應(yīng)滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。

4)電壓降應(yīng)符合電氣要求。

5)線(xiàn)路末端最小短路電流需保證保護(hù)裝置穩(wěn)定動(dòng)作。

對(duì)電纜的選擇，考慮到海上與陸上差異性，且風(fēng)機(jī)間海底電纜長(zhǎng)度較小，應(yīng)將長(zhǎng)期允許的載流量作為標(biāo)準(zhǔn)。

3 影響集電系統(tǒng)的因素

3.1 影響集電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本的主要因素

在集電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)化因素中，對(duì)風(fēng)機(jī)的優(yōu)化較少考慮，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)是由建設(shè)地點(diǎn)地理因素等確定的，且風(fēng)機(jī)型號(hào)也是基本確定的，故在此不討論風(fēng)機(jī)的優(yōu)化。對(duì)集電系統(tǒng)，需考慮選址和定容問(wèn)題。由于大型海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組數(shù)目非常多，因此，需考慮變電站數(shù)量、變電站電壓等級(jí)、容量、地理方位等。電纜間相互連接由海上變電站數(shù)量決定，對(duì)成本具有很大影響。

海底電纜連接方式有多種,下圖所示為12臺(tái)風(fēng)機(jī)分串后接到海上變電站的3種連接方案：圖5為風(fēng)機(jī)分3串接入；圖6為風(fēng)電機(jī)組分2串接入；圖7為風(fēng)機(jī)分1串接入。由于連接方式不同，每段電纜要求的截面、型號(hào)也不同，意味著電纜價(jià)格也不同。距離變電站越遠(yuǎn)，所選電纜截面越小，故電纜優(yōu)化也是大型海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)化的重要部分。

圖5 風(fēng)機(jī)分3串的電纜連接拓?fù)湫问?/p>

圖6 風(fēng)機(jī)分2串的電纜連接拓?fù)湫问?/p>

圖7 風(fēng)機(jī)分1串的電纜連接拓?fù)湫问?/p>

3.2 海上特殊條件的影響因素

海上風(fēng)電場(chǎng)與陸地風(fēng)電場(chǎng)的不同，需考慮的因素也不相同。如陸上要考慮障礙物、人工建筑等，但海上電纜的鋪設(shè)遠(yuǎn)比陸地復(fù)雜，且價(jià)格昂貴，實(shí)施過(guò)程困難很大。以下是必須考慮的影響因素：

1)海底電纜不可交叉鋪設(shè)。海底電纜鋪設(shè)常采用挖溝方法，深入地下2～3m時(shí)才能鋪設(shè)。因此，從鋪設(shè)深度考慮，海底電纜間交叉凈距無(wú)法確定，交叉鋪蓋將導(dǎo)致海底電纜檢修難度增大。

2)海底電纜不能鋪設(shè)在同一個(gè)溝里。與陸上風(fēng)電場(chǎng)相比，海上風(fēng)電場(chǎng)不可放置雙回線(xiàn)，不可直接在同一個(gè)溝中鋪設(shè)電纜，對(duì)海底電纜進(jìn)行檢修時(shí)，海底電纜兩側(cè)至少要50m間隔。

3)與海域里其他管道的交叉。風(fēng)力和海底環(huán)境是確定海上風(fēng)場(chǎng)位置的主要因素，風(fēng)場(chǎng)管道很多鋪設(shè)在海底，故不可避免與海底電纜有交叉，因此，該因素也應(yīng)充分考慮。

4)航道問(wèn)題。某些海纜線(xiàn)路，在接入陸地升壓站前有一段10km甚至更長(zhǎng)的海底傳輸，有可能發(fā)生與航道沖撞或穿越航道問(wèn)題。故在設(shè)計(jì)時(shí)，海上風(fēng)電場(chǎng)海域周?chē)降老拗茟?yīng)被納入考慮范圍。

5)海上變電站主變的選擇。海上平臺(tái)大小與變壓器數(shù)量等有關(guān)。所以，變壓器容量和數(shù)量綜合選擇也應(yīng)納入考慮范圍。通?？蛇x擇一臺(tái)容量較大的變壓器。