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海上风电送出工程的新方向 海上风电怎样迈向深水远海

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目前,我国已核准的海上风电项目以离岸距离小于50千米、装机容量20万千瓦——40万千瓦的近海项目为主。然而,受生态环境保护、交通航道占用等因素影响,近海风电项目的站址资源日趋紧张。


相比之下,远海具有更广阔的海域资源和更庞大的风能储量,开发潜力巨大。随着远海风电并网技术的不断进步及高效利用风能资源的需求日益增长,海上风电远海化发展是必然趋势,远海风电将成为未来海上风电发展的主战场。


纵观全球,以英国、德国为代表的欧洲等国正在加快布局,推动远海风电发展。2019年,欧洲在建的海上风电项目平均离岸距离59千米,目前已开标的项目中,最远的离岸距离达220千米。


近年来,我国远海风电发展逐渐起步。统一优化远海海域资源连片开发、探索推动百万千瓦级远海风电集中送出成为引导我国海上风电高质量发展的新路径。未来我国海上风电平均离岸距离预计超过100千米,2050年我国远海风电装机规模有望达到4000万千瓦。





柔性直流:海上风电送出工程的新方向


随着全国海上风电进入规模化发展阶段,未来深远海区域将是开发的重点,如何选择更加经济的送出方案成为业内关注的焦点问题。


相比陆上风电,海上风电的送出工程更为复杂。风机的输出电压需要先通过35kV集电线路汇集至海上升压站,再经海上升压站并通过220kV海底电缆接入陆上集控中心。


这意味着离岸距离越远的深远海项目,送出工程的成本越高,并且不同的送出方案也会影响项目的收益,所以对于开发业主来说,在成本与收益之间选择合适的送出方案至关重要。


海上风电的送出主要分为交流和直流两种方式。交流送出系统相对简单,成本较低,但受输电距离、容量以及电压等级的限制,适用于容量较小的近海风电项目;直流送出则不受输电距离的限制,更适合离岸距离较远的大容量深远海项目。


由于目前国内并网的海上风电项目多位于近海浅水区域,所以交流输电的送出方式最为普遍。有研究表明,对于离岸距离超过70公里、容量大于40万千瓦的海上风电项目,相比交流输电,柔性直流输电更具经济性和可靠性。


截至目前,国内已经启动了如东和射阳两个海上风电柔性直流输电示范项目的建设。据了解,三峡新能源也在考虑将柔性直流输电应用于汕头海上风电项目。


尽管国内目前尚未有海上风电柔性直流输电项目正式投运,但由于陆上柔性直流输电项目起步较早,已经积累了丰富的工程经验,也为应用于海上风电项目的集中送出奠定了技术基础。


早在2013年,南方电网南澳±160千伏多端柔性直流输电示范工程就正式投运,这是世界上第一个多端柔性直流输电示范工程。示范工程落地于此,与南澳的海岛性质和电源结构密切相关。


受台湾海峡“狭管效应”的影响,南澳风电场全年平均风速在8.5米/秒至10.5米/秒左右,优良的风资源是南澳发展风电得天独厚的条件。


自1989年第一台风机投产发电,经过数十年发展,南澳岛内风电装机容量已经达到17.17万千瓦,远超岛内用电负荷。风电在为南澳提供清洁电力的同时,却也因为出力的波动性对电力系统的稳定运行产生不利影响。而柔性直流输电的特性在于能够独立控制有功和无功功率,稳定系统的电压,所以示范工程的落地提升了南澳岛风电的消纳水平。


据汕头供电局变电管理一所柔直巡维中心站副站长曾建兴介绍,南澳多端柔性直流输电示范工程包括塑城、金牛和青澳三个换流站,另外远期规划了塔屿换流站。分布于南澳岛上各处的风电场,通过青澳和金牛换流站接入,再通过塑城换流站输出。该工程有14项不同的运行方式,有效地提高了南澳岛供电的可靠性。


这项示范工程的作用远不止于此,随着海上风电开发逐渐走向深远海,柔性直流输电为海上风电的送出提供了一种新的选择。


此外,柔性直流输电还有提高风电电能质量、提升消纳水平的优点,这对于面临补贴退坡的海上风电非常重要。减少弃风,提高风场利用小时数有利于增加项目收益,减轻开发企业补贴退坡后的财务压力。


虽然柔性直流输电技术相对成熟,但成本仍然是制约其大规模推广的主要因素。以如东海上风电柔直示范项目为例,该项目担负三个、总装机容量110万千瓦的风电场的电力送出,送出项目动态总投资约47亿元,约合4300元/千瓦。


也有专家认为,随着海上风电的进一步推广,加上市场充分竞争,未来单位千瓦动态投资有希望降到3500元/千瓦以下。





技术应用:首个远海风电经直流送出工程落地实施


今年2月份,我国首个远海风电经直流送出项目——江苏如东海上风电柔性直流工程正式开工建设。我国海上风电向深水远海迈出坚实一步。


该工程连接江苏如东东部黄沙洋海域3个风电场,总装机规模1100万千瓦,额定直流电压±400千伏,通过约99千米海缆和9千米陆地电缆实现远海风电送出,计划于2021年投运。该工程是目前世界范围内在建的电压等级最高、输送容量最大的远海风电柔性直流工程。


该工程由国网经研院承担成套设计和系统调试工作。面对海上建设风电场、换流平台等对柔性直流输电系统设计带来的新挑战,国网经研院成立项目攻关团队,开展方案论证与仿真计算,提出远海风电经柔性直流送出工程的主接线典型范式、降低设备制造难度和工程投资水平的绝缘配合方案、风电场-柔性直流系统-耗能装置分级协调的故障穿越控制体系及柔性直流系统全套主设备适海性技术规范,形成了满足接线紧凑化、设备轻型化、运维远程/无人化、高可靠性、适应极端恶劣环境等特殊要求的成套设计技术方案。


由该院牵头提出的系统调试方案考虑了海上平台空间承重受限、海洋工程基地试验电源不足、陆上接入变电站工期滞后、系统运行方式复杂多变等多重困难,使系列化创新型技术成果在远海风电经柔性直流送出工程中的落地成为可能,为推动远海风电高效开发与并网消纳提供了可行方案。


工程成套设计在工程安全和可靠设计的前提下聚焦设备国产化,其标准和规范的制订带动了我国直流装备制造业的发展。目前,我国已自主攻克具有国际领先水平的高绝缘大电流直流海缆、大容量直流耗能装置及高电压大电感接地电抗器等核心“卡脖子”设备的设计研发难题,提高了远海风电直流装备制造业的自主创新能力和国际竞争力。


江苏如东远海风电项目全面建成投运后,年上网电量可达33亿千瓦时,相当于135万户家庭一年的用电量。与同等规模的燃煤电厂相比,该项目每年可节约标准煤100万吨,减排二氧化碳约250万吨,节约淡水约980万立方米。


国网经研院将加大远海风电并网关键技术攻关力度,推动海上直流电网等面向未来远海风电发展需求的前沿技术创新,努力建成具有世界先进水平的远海风电柔性直流传输并网技术体系,为远海风电大规模集约开发与并网提供更可靠、更经济的解决方案。

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