海上风电场输电方式研究

中国电建集团国际工程有限公司 吴 迪 中国电建集团江西省电力设计院有限公司 李 克

为了更好地落实我国产业转型的绿色发展，减轻我国电力能源的供应负担，现阶段我国开始重视浅水区海上风电场的项目建设发展，随着相关科学技术的发展，海上风电场也逐渐走向规模化和深海化的发展。本文首先概述海上风电场的分类，并分析海上风电场的输电方式以及存在的问题，进而提出海上风电场输电方式的比较，以及不同区域海上风电场推荐使用的输电方式，希望对我国海上风电场的输电发展提供一定参考。

1 海上风电场的分类

海上风电场一般可以分为近海风电场、深海风电场以及潮间带风电场三种，潮间带风电场指的是，在沿海区域多年的平均大潮高潮线下降到理论中该区域的最低潮水位5米水深内区域开发建设的海上风电场；近海风电场指的是，在理论最低潮水位以下5米到50米水深区间进行开发建设的海上风电场；深海风电场指的是，其大于理论最低潮水位以下50米区域进行开发建设的海上风电场。

以国内外相关工程建设经验来看，海上风电场所在区域的水深越大，则其建设的成本便越高、建设技术越复杂，所以现阶段我国开展的海上风电场项目建设主要是对近海风能资源进行开发利用[1]。

2 海上风电场的输电方式以及存在的问题

2.1 交流输电方式以及其存在的问题

交流输电方式，主要是在规模较小且离岸距离较近的海上风电场群的输电工作中进行使用。交流输电方式具有技术方案成熟度较高、结构较为简单、可靠程度较高、浅水区海上风电场输送成本较小，以及工程运行经验十分丰富的优势。但交流输电方式在实际应用阶段也存在下列问题：

在海上风电场群进行长距离电力资源输送时，电缆内的电容效应较为明显；控制交流输电方式的无功电压补偿难度较大；交流输电方式的过电压问题较为显著；海上风电场和陆地电网之间产生的交互影响较大，没有做到故障隔离。使用交流输电技术的海上风电场结构主要为：集电系统、海上风电场、海上升压站、无功补偿设备以及海底交流电缆等。

以现阶段我国已经并入陆地电网的海上风电场群项目来看，其大多属于离岸距离较近的浅水区还剩风电场，因此使用的输电方式为交流输电方式。当下我国还海上风电场项目中使用的交流海缆电压等级主要有35千伏、110千伏以及220千伏三种。

35千伏和110千伏电压等级的交流海缆会受到输送容量的限制，在输电过程中产生的电力资源损耗较大，海底走廊占用面积也较大。基于此，国内使用的主流交流输电方式选择的交流海缆电压等级在220千伏，电缆规格结构为单回三芯结构，具有18万千瓦到35万千瓦的输电能力；而220千伏的交流海缆具有更大的截面面积，在500千伏规格海缆的输电能力可以达到40万千瓦以上，但是由于受到绝缘技术、制造技术以及敷设技术等影响，应在考虑备用相的情况下使用单芯结构，电缆铺设数量为3根到4根（单回条件下），需要占用的海底走廊资源较多。

2.2 柔性直流输电方式以及其存在的问题

柔性直流输电方式主要是用于海上规模较大且输电距离较远的海上风电场群的电力资源传输中。其主要的应用优势主要体现在以下几点：

其在长距离输电中的输送容量更大；汇集输送时灵活程度和扩展程度较高；输电线路数量更少；海域资源占用较少；体积较小，方便进行施工以及扩建；对电力资源传输过程中的电压控制更加简单；在潮流反转时更加快速有效；可以提高系统的输电能力；输电阶段出现问题，在解决问题后可以快速恢复供电功能；可以为无源电网进行供电。

柔性直流输电方式的不足为：造价较高；现阶段技术不够成熟，输电稳定程度和可靠程度无法得到保障；相关工程项目的运行使用经验不足。现阶段国外部分国家在离岸距离较远的海上风电场电力资源传输时，使用的输电方式便是柔性直流输电[2]。

2.3 混合直流输电方式以及其存在的问题

就直流输电方式的技术发展路线分析可知，直流输电方式的未来发展分布，会形成传统直流输电和柔性直流输电共同存在的情况。现阶段已经开始对二者联系使用方面进行研究，即形成混合直流输电系统的拓扑结构。这种方式可以将传统直流输电和柔性直流输电的优点进行充分利用，对两种输电方式的不足进行优化。

混合直流输电技术具有独特的技术特点，可以在特定条件下展现出比传统直流输电和柔性直流输电更加优秀的性能，具有比柔性直流输电方式使用成本造价更少、应用场景更加广泛的特点，并通过进一步利用换流器的优势，可以形成混合多端直流输电的系统，实现系统的弱交流输送供电，并成为海上风电场连接的主要备选方案，可以满足海上风电场的功率输送需求。但是现阶段对于混合直流输电方式的相关研究成果较少，其作为一种新兴的输电技术，还没有得到广泛的应用。

3 海上风电场输电方式的比较和推荐

3.1 输电方式技术经济的比较

就交流输电方式来看，其在不同风电输送容量下，陆地上的集控站点和基础平台造价在400兆瓦到1000兆瓦的容量范围区间内，其海上升压变的造价和海上风电场的装机容量有关，无功补偿部分的每千米单位造价和电缆的参数以及回数有关。而直流输电方式中，在400兆瓦的风电输送容量下，输送端的海上换流站的单位造价最高，即直流电缆的单位造价和输送容量成正比关系，在海上风电场容量由800兆瓦提高到1000兆瓦时，直流电缆单位长度造价上升近一倍，并且输送端的海上换流站单位造价需要考虑海上平台部分，即海上换流站需要考虑5%的容量裕度。

由此得出结论：在不同容量下的交流输电方式和直流输电方式，其在容量400兆瓦以上的海上风电场电力资源汇集输送时，在60千米到70千米的输送距离区间中，两种输电方式的造价相同，若是海上风电场输电距离在70千米以内时，则应使用交流时段的方式，若是海上风电场输电距离大于70千米，则应根据实际情况选择合适的柔性直流输电方式[3]。

3.2 输电方式占海域资源的比较

以输送100万千瓦的海上风电场为例，其在不同输电方式中占用的海域资源也存在差异，若是使用220千伏的海缆进行输送则需要3回到4回，截面使用的海缆数量应为3根到4根（单回三芯结构），若是使用500千伏的海缆进行输送则只需要1回，海缆数量同样为3根到4根（单芯结构），其中考虑到备用相时应设计为4根，其对应的海缆保护区域为250米到1150米，在水深25米的情况下则需要占用海水宽度在170米。若是使用柔性直流输电的方式，则需要使用1回的±320千伏的柔直海缆2根，截面为2000平方毫米，海缆的保护区为150米到1050米，占用海水宽度为70米。

由此得出结论：在输送相同大容量规模的海上风电场产生的电力资源时，柔性直流输电方式占用的海域资源更少，而交流输电方式在500千伏和220千伏相同。再结合海缆和升压站等配套设施的投资建设，以及现阶段施工和制造技术的基础上，不会考虑使用500千伏的交流输电方式。

3.3 海上风电场输电方式的推荐

3.3.1 浅水区海上风电场输电方式

海上浅水区的风电场通常离岸距离为60千米之内，因此选择使用交流海缆的方式进行输电。结合海上风电场使用的装机规模差异进行分析，推荐使用的输电方式如下：

第一，海上风电场装机规模小于10万千瓦时，应选择使用35千伏的交流海缆直接进行送出登陆操作。

第二，海上风电场装机规模大于10万千瓦时，应进行交流升压站的建设，将交流升压站建设在海上风电场附近的岛屿、或者使用海上平台的方式进行交流升压站建设，将海上风电场的输出电流进行升压后，使用110千伏或者220千伏的交流海缆直接进行送出登陆操作。

3.3.2 深水区海上风电场输电方式

海上深水区的风电场通常离岸距离在60千米以上，使用的输电方式一般为柔直海缆的输电方式，结合海上风电场使用的装机规模差异进行分析，推荐使用的输电方式如下：

第一，海上风电场装机规模在50万千瓦到100万千瓦时，应进行海上柔直换流站的建设，使用单回柔直海缆的方式进行送出登陆操作，柔直海缆的规格应选择为电压在±200千伏到±320千伏之间。

第二，海上风电场装机规模大于100万千瓦时，可以使用的输电方式有两种类型：使用大容量柔直海缆输电的方式，即借助风电场附近的岛屿进行大容量柔直换流站的建设，岛屿的选择最好为无人岛屿，之后将海上风电场群产生的电力能源在海上进行汇集后，利用大容量柔直输电通道进行登陆操作；使用多端柔直输电的方式，即进行多个海上柔直换流站的建设工作，将海上风电场群产生的电力资源通过柔直海缆进行汇集并进行登陆操作。柔直海缆的规格应选择为电压在±320千伏到±800千伏之间。

就多端柔直输电方式和大容量柔直输电方式进行对比可知，根据相关规定原则，单个海上风电场的外部边线划定的海上风电场面积应控制在每10万千瓦控制在16平方千米。针对海上风电厂需要将产生的输出电流进行汇集传输，应选择使用将每个海上风电场建设为平均规模在40万千瓦，海域面积占用在64平方千米的大小。

对于大容量的海上风电场群而言，在选择使用大容量柔直输电通路进行输电系统外送操作，并且由于海上风电场群中最远距离的风电场位置可能会出现超过交流海缆的输送距离，容易发生过电压等电压控制方面的问题，对此类问题进行解决的方式，应选择试用多端柔直输电的方式，以此提高海上风电场运行阶段的灵活程度和可扩展程度[4]。

举例而言，在越南南部建设的海上风电场群（越南金瓯1号350兆瓦海上风电项目），其规划在27个月之内完成建设，该项目共分成4个区域（A 区、B区、C 区、D 区），计划布置75台单机容量5兆瓦风电机组，总装机容量375兆瓦，是截至目前整个东南亚地区规模最大的海上风电场开工建设项目。其中A 区和B 区为190兆瓦，这两个区域计划于2022年10月投入运行、并入当地电网发电，C 区和D 区为185兆瓦，这两个区域计划于2023年6月投入运行、并入当地电网发电。

为了有效降低其对海上资源的占用，需要将海上风电场之间的互补特性进行强化，降低电网受功率波动产生的冲击问题，在相关开发建设技术成熟后，再进行多端柔性直流输电系统的建设。基于越南南部建设的海上风电场群的建设时间，以及空间布局的角度进行分析可知，可考虑在海上进行多个换流站的建设，使用多端柔直海缆将海上风电场群生产的电力资源输送到陆地上的换流站。

4 结语

在海上风电场群工程中使用的主要输电方式为交流输电以及柔性直流输电两种，而由于交流输电方式存在充电功率较高和过电压的问题，一般在40千米的交流输电距离时，需要在海缆的一端安装高抗设备，而在交流输电距离在40千米到80千米之间时，需要在海缆两端安装高抗设备，若是交流输电距离超过80千米，则需要在海缆中间进行中继站建设，并将高抗设备安装在中继站处。

现阶段，国内以及并入电网的海上风电场离岸距离较近，使用的输电方式均为交流海缆输电方式，随着海上风电场的开发，未来在浅水区的海上风电场群项目仍会采取交流海缆输电方式。在深水区的海上风电场群项目，则需要结合实际情况选择使用柔性直流输电技术的输电方案。