海上風電送出工程的新方向 海上風電怎樣邁向深水遠海

目前，我國已核準的海上風電項目以離岸距離小于50千米、裝機容量20萬千瓦——40萬千瓦的近海項目為主。然而，受生態環境保護、交通航道占用等因素影響，近海風電項目的站址資源日趨緊張。


相比之下，遠海具有更廣闊的海域資源和更龐大的風能儲量，開發潛力巨大。隨著遠海風電并網技術的不斷進步及高效利用風能資源的需求日益增長，海上風電遠?；l展是必然趨勢，遠海風電將成為未來海上風電發展的主戰場。


縱觀全球，以英國、德國為代表的歐洲等國正在加快布局，推動遠海風電發展。2019年，歐洲在建的海上風電項目平均離岸距離59千米，目前已開標的項目中，最遠的離岸距離達220千米。


近年來，我國遠海風電發展逐漸起步。統一優化遠海海域資源連片開發、探索推動百萬千瓦級遠海風電集中送出成為引導我國海上風電高質量發展的新路徑。未來我國海上風電平均離岸距離預計超過100千米，2050年我國遠海風電裝機規模有望達到4000萬千瓦。





柔性直流：海上風電送出工程的新方向


隨著全國海上風電進入規?；l展階段，未來深遠海區域將是開發的重點，如何選擇更加經濟的送出方案成為業內關注的焦點問題。


相比陸上風電，海上風電的送出工程更為復雜。風機的輸出電壓需要先通過35kV集電線路匯集至海上升壓站，再經海上升壓站并通過220kV海底電纜接入陸上集控中心。


這意味著離岸距離越遠的深遠海項目，送出工程的成本越高，并且不同的送出方案也會影響項目的收益，所以對于開發業主來說，在成本與收益之間選擇合適的送出方案至關重要。


海上風電的送出主要分為交流和直流兩種方式。交流送出系統相對簡單，成本較低，但受輸電距離、容量以及電壓等級的限制，適用于容量較小的近海風電項目；直流送出則不受輸電距離的限制，更適合離岸距離較遠的大容量深遠海項目。


由于目前國內并網的海上風電項目多位于近海淺水區域，所以交流輸電的送出方式最為普遍。有研究表明，對于離岸距離超過70公里、容量大于40萬千瓦的海上風電項目，相比交流輸電，柔性直流輸電更具經濟性和可靠性。


截至目前，國內已經啟動了如東和射陽兩個海上風電柔性直流輸電示范項目的建設。據了解，三峽新能源也在考慮將柔性直流輸電應用于汕頭海上風電項目。


盡管國內目前尚未有海上風電柔性直流輸電項目正式投運，但由于陸上柔性直流輸電項目起步較早，已經積累了豐富的工程經驗，也為應用于海上風電項目的集中送出奠定了技術基礎。


早在2013年，南方電網南澳±160千伏多端柔性直流輸電示范工程就正式投運，這是世界上第一個多端柔性直流輸電示范工程。示范工程落地于此，與南澳的海島性質和電源結構密切相關。


受臺灣海峽“狹管效應”的影響，南澳風電場全年平均風速在8.5米/秒至10.5米/秒左右，優良的風資源是南澳發展風電得天獨厚的條件。


自1989年第一臺風機投產發電，經過數十年發展，南澳島內風電裝機容量已經達到17.17萬千瓦，遠超島內用電負荷。風電在為南澳提供清潔電力的同時，卻也因為出力的波動性對電力系統的穩定運行產生不利影響。而柔性直流輸電的特性在于能夠獨立控制有功和無功功率，穩定系統的電壓，所以示范工程的落地提升了南澳島風電的消納水平。


據汕頭供電局變電管理一所柔直巡維中心站副站長曾建興介紹，南澳多端柔性直流輸電示范工程包括塑城、金牛和青澳三個換流站，另外遠期規劃了塔嶼換流站。分布于南澳島上各處的風電場，通過青澳和金牛換流站接入，再通過塑城換流站輸出。該工程有14項不同的運行方式，有效地提高了南澳島供電的可靠性。


這項示范工程的作用遠不止于此，隨著海上風電開發逐漸走向深遠海，柔性直流輸電為海上風電的送出提供了一種新的選擇。


此外，柔性直流輸電還有提高風電電能質量、提升消納水平的優點，這對于面臨補貼退坡的海上風電非常重要。減少棄風，提高風場利用小時數有利于增加項目收益，減輕開發企業補貼退坡后的財務壓力。


雖然柔性直流輸電技術相對成熟，但成本仍然是制約其大規模推廣的主要因素。以如東海上風電柔直示范項目為例，該項目擔負三個、總裝機容量110萬千瓦的風電場的電力送出，送出項目動態總投資約47億元，約合4300元/千瓦。


也有專家認為，隨著海上風電的進一步推廣，加上市場充分競爭，未來單位千瓦動態投資有希望降到3500元/千瓦以下。





技術應用：首個遠海風電經直流送出工程落地實施


今年2月份，我國首個遠海風電經直流送出項目——江蘇如東海上風電柔性直流工程正式開工建設。我國海上風電向深水遠海邁出堅實一步。


該工程連接江蘇如東東部黃沙洋海域3個風電場，總裝機規模1100萬千瓦，額定直流電壓±400千伏，通過約99千米海纜和9千米陸地電纜實現遠海風電送出，計劃于2021年投運。該工程是目前世界范圍內在建的電壓等級最高、輸送容量最大的遠海風電柔性直流工程。


該工程由國網經研院承擔成套設計和系統調試工作。面對海上建設風電場、換流平臺等對柔性直流輸電系統設計帶來的新挑戰，國網經研院成立項目攻關團隊，開展方案論證與仿真計算，提出遠海風電經柔性直流送出工程的主接線典型范式、降低設備制造難度和工程投資水平的絕緣配合方案、風電場-柔性直流系統-耗能裝置分級協調的故障穿越控制體系及柔性直流系統全套主設備適海性技術規范，形成了滿足接線緊湊化、設備輕型化、運維遠程/無人化、高可靠性、適應極端惡劣環境等特殊要求的成套設計技術方案。


由該院牽頭提出的系統調試方案考慮了海上平臺空間承重受限、海洋工程基地試驗電源不足、陸上接入變電站工期滯后、系統運行方式復雜多變等多重困難，使系列化創新型技術成果在遠海風電經柔性直流送出工程中的落地成為可能，為推動遠海風電高效開發與并網消納提供了可行方案。


工程成套設計在工程安全和可靠設計的前提下聚焦設備國產化，其標準和規范的制訂帶動了我國直流裝備制造業的發展。目前，我國已自主攻克具有國際領先水平的高絕緣大電流直流海纜、大容量直流耗能裝置及高電壓大電感接地電抗器等核心“卡脖子”設備的設計研發難題，提高了遠海風電直流裝備制造業的自主創新能力和國際競爭力。


江蘇如東遠海風電項目全面建成投運后，年上網電量可達33億千瓦時，相當于135萬戶家庭一年的用電量。與同等規模的燃煤電廠相比，該項目每年可節約標準煤100萬噸，減排二氧化碳約250萬噸，節約淡水約980萬立方米。


國網經研院將加大遠海風電并網關鍵技術攻關力度，推動海上直流電網等面向未來遠海風電發展需求的前沿技術創新，努力建成具有世界先進水平的遠海風電柔性直流傳輸并網技術體系，為遠海風電大規模集約開發與并網提供更可靠、更經濟的解決方案。