大规模海上风电并网送出策略研究

国家电投集团江苏海上风力发电有限公司 金必成

海上风电是目前世界风电行业一股新兴发展热潮，在2010年至2020年这十年间，海上风电机的投运安装呈连续增长趋势，未来将会有望出现海上风电发展欣欣向荣的局面。我国海上风电正处于高速发展阶段，累计装机容量已位居世界第二。随着我国能源出现紧缺，发展以新能源为主的电力系统已经成为首要研究方向，海上风电发展前景一片光明。同时，期望我国能提高对大规模海上风电并网输送技术的重视度，大力发展海上风电并网技术，抓住我国新能源发展历史机遇。

1 国内外海上风电发展情况

1.1 国外海上风电发展现状

英国、丹麦、德国是欧洲海上风电市场的主力代表，关系着欧洲海上风电市场整体发展。单单2020年这一年，英国就新添483MW 海上风电装机容量，占据欧洲整体新增容量的16.6%，但是装机容量增长幅度有所减缓。英国目前已启动了4个海上风电项目并逐一开始动工，粗略估计3年内会陆续开始并网。在2020年，德国新增风电机装机容量为220MW，占据欧洲整体的7.5%，虽然比不上英国海上风电新增占比，但是德国也是海上风电发展中不可缺少的一个国家。丹麦国土由于国土面积较小且面临海洋，成为欧洲最早开始发展海上风电场的国家，虽然近几年风电装机容量增长幅度有所下滑，但是2019年仍占欧洲总体新增的10%，总装机容量为374MW。目前丹麦政府正在提高对海上风电市场的重视度，预计2027年之前将建成单场装机容量高达800MW 的超大海上风电场。

1.2 我国海上风电发展情况

海上风电在我国具有良好的发展前景，深受我国政府重视。据调查数据显示，截止2021年4月份，我国海上风电并网容量已达到10.45GW，领先于邻近各国。海上风电平均利用小时数为2500小时，比陆地风电高出大约500小时，仅2021年第一季度，海上发电总量就达到了9.94×109kWh。除此之外，我国海上风电装机总容量超过10GW，预计在今年年底将会超过英国成为世界第一。因此，在满足我国电力市场需求基础上，海上风电规模的进一步拓展为我国未来能源结构转型提供了强有力支持[1]。

1.3 世界海上风电发展趋势

海上风电已经成为缓解能源消耗关键技术。据统计，2016年全球新增海上风电装机容量2219MW，单是欧洲就在海上风电投资高达182亿欧元，新增单机平均额定容量每年增长16%左右，甚至在2020年就已经达到了8.2MW。欧洲已经将研究海上风电机作为推动海上风电市场发展的核心，单机额定容量为8-10MW 的海上风电机正在批量生产，甚至部分企业开始研究容量为15MW 的风电机，海上风电机逐渐朝着大容量的趋势发展。随着海上风电技术不断成熟，越来越多的创新模式走入人们视野，竞价上网成为海上风电新模式，最大限度降低了海上风电项目建设成本[2]。

2 我国海上风电基本特征与并网送出面临挑战

2.1 我国海上风电基本特征

我国是一个沿海国家，东临太平洋且具有超长的海岸线，海域面积宽广，因此海上风能资源丰富，与欧洲风电具有明显不同。在我国，海上风速平均为6～11m/s，而在欧洲由于纬度高，平均风速在9～12m/s 左右，远高于我国平均风速。为了弥补风速造成的差异，我国海上风电场需要安装更高装机容量，加大了电网平衡难度。另一方面，由于我国海岸线长，不同沿海地区海床差异较大，再加上地质环境影响，我国海上风电建设难度更高。例如，我国较发达的沿海地区海床都属于冲击海床，含沙量大，海床承载力较低，而欧洲沿海海床多属于砂质海床，承载力更强。在建设海上发电场时，风电机组与并网输电系统在洋流、海风、海浪等冲击下需承受较大倾覆力，必须将海上发电场固定更深层海床中，大大提高了海上风电场建造难度。电网是否能稳定接入大规模海上风电也是目前我国需要面临的一个挑战，部分沿海发达省份本身用电负荷较高，特高压直流落点多，接入海上风电可能会导致交流故障，造成大规模新能源连锁脱网，对电网系统产生较大消极影响。

2.2 我国海上风电并网送出面临挑战

我国海上风能资源主要集中在海岸线经济发达地区。海上交通、捕鱼行业、海洋环境、海防科技等等都是海上风电场主要输电对象，庞大的用电体系导致海上风电建设及其并网送出资源愈加紧张，所以必须接入网架保持电力运输，接入网架强度、运输能力都是需要考虑的重点。目前，我国海上风电技术还处于探索阶段，并网方式与并网送出技术都尚未成熟，深远海大规模海上风电建设还处于实验当中，难关重重。另一方面，我国还经常深受台风问题困扰，据不完全统计，自新中国成立以来，共有600多次台风登陆我国沿海地区，严重影响我国海上风电并网送出系统的安全性，增大了运用维护难度[3]。

3 我国海上风电并网送出策略

3.1 整体策略

3.1.1 集中调配电网资源

从海上风电并网送出角度来看，应提早对风电场建设进行规划指导，从风电场场址资源分配出发，对源头进行把控。集中对输电通道资源进行调配，尽可能降低海上风电建设对海洋环境产生的消极影响，积极完善海上风电并网技术，降低并网送出成本，提高并网送出效率[4]。

3.1.2 加强电网网架联系

海上风电场规模与风电建设成本息息相关。为了发展大规模、大容量海上风电建设，在并网送出时应配备更高压等级的接入电网，使风电并网系统与电网联系更加紧密，增强电网整体结构与强度，提高电网接入可靠性，为大规模海上风电并网送出奠定基础。

3.1.3 采取多种并网方案

各个国家海上风电建设发展阶段、技术水平、电网结构、经济发展都有所差别，所以输电方案也各不相同。部分风电建设规模小，离陆地较近的海上风电场，多采用高压交流电。而一些风电建设规模大，离陆地较远的大部分采用柔性直流电。在我国海上风电建设也应该选择合适的并网技术方案，确保海上风电电力输送稳定性。

3.2 大规模海上风电集群送出策略

3.2.1 高压交流方案

若是总装机容量在1GW 左右的风电场群，应多采用高压交流并网送出方式。考虑到35kV 场内电缆的送电距离、220kV 海底电缆送电容量，将单个风电场容量控制在300-400MW 左右是最佳方案，每个风电场都需设立一座海上升压站，采用多回220kV 海底电缆送入电网。若是500kV 海底电缆技术成熟之后，也可将550kV 单回海底电缆送入电网。最后，还需提高对线路无功补偿和协振问题的关注度。

3.2.2 柔性直流方案

若是距离陆地较远的海上风电发电场，优先考虑柔性直流并网送出方式。在总装机容量1GW 左右的发电场群，保障经济性前提下，可以在多个升压站汇集后接入1座公共海上换流站，通过1回高压柔性直流电缆连接陆地电力系统主网。随着海上风电规模建设越大，风电装机容量也逐渐加大。为了提高并网输送容量并降低输送过程中的损耗，已经开始对66kV 场内集电系统进行试验，并着手研究90kV 或者更高等级的场内电缆，为我国海上风电场规模进一步扩展奠定基础。

3.3 海上风电场单场并网送出情景

针对技术熟练性、方案实用性、工程有效性方面进行对比，我国在“十四五”乃至更长时间内都会采用高压交流、柔性直流输电技术来对海上风电并网进行送出。在输送功率相同、可靠性类似的比较基础上，采用直流输电换流站成本要高于交流输电变电站投资成本，而直流输电线路投资低于交流输电线路投资；随着输电距离不断增加，交流或者直流输电存在等价距离。通常情况下，只有输电距离大于等价距离之时，采用直流输电会显得比较经济；反之，采用交流输电较为经济，应根据海上风电实际输电距离选择合适的输电方式。容量等级不同、电压等级不同的输电系统，交流或者直流等价距离也各不相同，普遍在50-70km 范围内。随着电力电子技术逐渐迈入人们视野，换流装置价格也在日渐降低，交流或者直流输电等价距离还会进一步缩短。以技术可靠性和经济性为主要思考方向，在我国海上风电场单场送出可以采用以下几种对策：第一，风电场装机容量在200MW 以内，离岸边距离小于50km 时，采用高压交流输电方式；第二，风电场装机容量为400-600MW 时，这个时候风电场会位于深远海区域，可以适当采用基于电压源变换器的高压直流输电方式；第三，风电场装机容量为200-400MW 时，可以结合离岸距离进行技术经济对比分析，在根据分析结果选择恰到好处的海上风电并网送出方式，确保送出方式所产生的成本控制在最小范围之内[5]。

4 我国海上风电并网送出对策建议

4.1 明确资源储量，确定统一规划理念

将来，在我国准备建设海上风电场前，应先调查分析海上风电资源储备量、资源分布特点，对海上风电资源进行评估。由于我国海岸线长且海床结构差异较大，大幅提高了海上风电建设难度，在风电建设技术逐渐完善的情况下，应对现存资源数据及时更新，统筹规划可开发量。就目前风电发展形式来看，向远海与深海发展是海上风电发展必经之路。需尽早掌握深海风能资源布局，正确引导海上风电建设开发与利用，推动海上风电市场良性发展[6]。

4.2 加强自主创新，突破并网关键技术

目前，我国海上风电建设经过多方面探索，已经逐步走向深海，对风电并网送出技术要求将会更为严格。如何有效解决大规模海上风电并网送出问题是我国目前将面临的重要挑战。因此，需提高研究人员自主创新能力，深入研究并网技术并创建海上风电并网技术研究体系，搭建技术交流平台，为突破并网核心问题做准备。

4.3 完善运行机制，支持高质量发展

我国海上风电建设经过多年探索与发展，装机容量已远超其他各国。由于补贴退出政策影响，出现了海上风电装抢热潮，对海上风电市场可持续发展造成消极影响。在多方考虑下，应开展海上风电集中送出模式分析探究，统一建设资源，形成电网规范化，并积极推广吉瓦级示范项目建设。同时，加强海上风电机组、各类零部件、基础结构的检测与维修保养，提升风电并网输送效率，保障风电市场健康绿色发展[7]。

4.4 注重对外交流，促进产业国际合作

欧洲海上风电技术发展起步远早于我国，具有丰富的技术经验。目前竞价上网等新模式的出现大幅降低了海上风电建设成本，提高了并网送出效率。因此，我国应加强与欧洲方面的技术交流，深入探讨欧洲风电方面优质配置方法，建立高效严格的管理机构，为海上风电可持续发展奠定基础，推动海上风电产业平稳发展[8]。

目前，我国海上风电建设还处于发展初期，不论是风电建设本身还是并网送出技术都仍存在不足之处。我国应提高对海上风电并网送出技术的重视程度，加大对其研究力度，超前谋划并前瞻布局，开展多端柔性直流、混合直流等新型海上风电并网送出技术方案的设计、试验、示范应用，积极开展海上风电直流电网、海上风电综合能源岛相关的前沿技术探索与实践。同时多与欧洲加强交流，以保障我国海上风电并网输送效率，更好的支撑我国能源转型发展。