遠(yuǎn)海風(fēng)電可靠并網(wǎng)的首選方案 海上風(fēng)電并網(wǎng)的典型技術(shù)路線包括常規(guī)交流送出、低頻交流送出和柔性直流送出等。我國首個遠(yuǎn)海風(fēng)電經(jīng)直流送出項目——江蘇如東海上風(fēng)電柔性直流工程正式開工建設(shè)。遠(yuǎn)海風(fēng)電經(jīng)柔性直流送出技術(shù)掌握在歐洲少數(shù)國家手中。
大規(guī)模發(fā)展海上風(fēng)電已成為我國深入推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型、促進(jìn)大氣污染防治的重要手段之一。我國海上風(fēng)電起步晚、發(fā)展快。據(jù)預(yù)測，2023年我國海上風(fēng)電累計裝機(jī)容量將突破千萬千瓦，市場發(fā)展前景巨大。如何實(shí)現(xiàn)大容量遠(yuǎn)海風(fēng)電跨海輸送和安全可靠并網(wǎng)，是電力行業(yè)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。
位于江蘇省如東縣掘苴墾區(qū)的海上風(fēng)電場 章亞運(yùn) 攝
遠(yuǎn)海風(fēng)電：未來海上風(fēng)電發(fā)展的主戰(zhàn)場
目前，我國已核準(zhǔn)的海上風(fēng)電項目以離岸距離小于50千米、裝機(jī)容量20萬千瓦～40萬千瓦的近海項目為主。然而，受生態(tài)環(huán)境保護(hù)、交通航道占用等因素影響，近海風(fēng)電項目的站址資源日趨緊張。
相比之下，遠(yuǎn)海具有更廣闊的海域資源和更龐大的風(fēng)能儲量，開發(fā)潛力巨大。隨著遠(yuǎn)海風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步及高效利用風(fēng)能資源的需求日益增長，海上風(fēng)電遠(yuǎn)海化發(fā)展是必然趨勢，遠(yuǎn)海風(fēng)電將成為未來海上風(fēng)電發(fā)展的主戰(zhàn)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(yuǎn)海風(fēng)電發(fā)展。2019年，歐洲在建的海上風(fēng)電項目平均離岸距離59千米，目前已開標(biāo)的項目中，最遠(yuǎn)的離岸距離達(dá)220千米。
近年來，我國遠(yuǎn)海風(fēng)電發(fā)展逐漸起步。統(tǒng)一優(yōu)化遠(yuǎn)海海域資源連片開發(fā)、探索推動百萬千瓦級遠(yuǎn)海風(fēng)電集中送出成為引導(dǎo)我國海上風(fēng)電高質(zhì)量發(fā)展的新路徑。未來我國海上風(fēng)電平均離岸距離預(yù)計超過100千米，2050年我國遠(yuǎn)海風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模有望達(dá)到4000萬千瓦。
柔性直流：遠(yuǎn)海風(fēng)電可靠并網(wǎng)的首選方案
海上風(fēng)電并網(wǎng)的典型技術(shù)路線包括常規(guī)交流送出、低頻交流送出和柔性直流送出等。
常規(guī)交流送出技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、無需電能變換、工程經(jīng)驗(yàn)豐富等特點(diǎn)，現(xiàn)階段絕大多數(shù)近海風(fēng)電并網(wǎng)均采用該技術(shù)路線。但在大容量遠(yuǎn)海風(fēng)電并網(wǎng)的應(yīng)用場景下，交流電纜電容效應(yīng)會大大增加無功損耗，降低電纜的有效負(fù)荷能力。若采用常規(guī)交流送出方式則需在海底電纜中途增設(shè)中端補(bǔ)償站，通過并聯(lián)電抗器補(bǔ)償。這會帶來運(yùn)維檢修困難、整體經(jīng)濟(jì)性降低等問題。
低頻交流送出技術(shù)可通過降低頻率提高交流電纜的有效傳輸功率。但該技術(shù)尚面臨大容量交流變頻器研制、電氣設(shè)備低頻匹配性設(shè)計、變壓器低頻磁飽和抑制等難題，仍處于理論研究階段。
和常規(guī)交流送出、低頻交流送出技術(shù)相比，柔性直流送出技術(shù)采用直流電纜輸電，避免了交流電纜充電功率造成的輸送距離受限問題，同時具備有效隔離陸上交流電網(wǎng)與海上風(fēng)電場的相互影響、可為海上風(fēng)電場提供穩(wěn)定的并網(wǎng)電壓、系統(tǒng)運(yùn)行方式調(diào)控靈活等技術(shù)優(yōu)勢，是遠(yuǎn)海風(fēng)電可靠并網(wǎng)的首選技術(shù)方案，也是目前唯一具有工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的大規(guī)模遠(yuǎn)海風(fēng)電并網(wǎng)方案。
和傳統(tǒng)的陸上柔性直流輸電工程不同，遠(yuǎn)海風(fēng)電經(jīng)柔性直流送出工程海上平臺空間布局緊張、環(huán)境惡劣、運(yùn)行維護(hù)工況復(fù)雜，對柔性直流換流站輕型化、緊湊化及防污性、可靠性的要求更高。柔性直流送出工程成套設(shè)計面臨站內(nèi)電氣接線、設(shè)計布局、設(shè)備選型及源網(wǎng)協(xié)調(diào)控制等一系列問題。
要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)海風(fēng)電經(jīng)柔性直流送出，亟須解決高電壓大容量系統(tǒng)與緊湊化輕型化平臺之間存在矛盾的問題，攻克直流海纜絕緣水平優(yōu)化提升、海上風(fēng)電輸出能量波動大且對柔性直流系統(tǒng)故障穿越要求高、主設(shè)備適海性技術(shù)要求與試驗(yàn)方案無可借鑒經(jīng)驗(yàn)等技術(shù)難關(guān)。
長期以來，遠(yuǎn)海風(fēng)電經(jīng)柔性直流送出技術(shù)掌握在歐洲少數(shù)國家手中，制約了我國遠(yuǎn)海風(fēng)電規(guī)模化發(fā)展進(jìn)程。只有加強(qiáng)對適海性柔性直流輸電技術(shù)的研究儲備，引領(lǐng)我國遠(yuǎn)海風(fēng)電并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展，才能確保我國遠(yuǎn)海風(fēng)電“送得出、落得穩(wěn)”。
為了打破遠(yuǎn)海風(fēng)電經(jīng)柔性直流送出技術(shù)被國外壟斷的局面，2013年開始，國網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司調(diào)配技術(shù)骨干開展遠(yuǎn)海風(fēng)電經(jīng)柔性直流傳輸和并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。依托國家能源特高壓直流輸電工程成套設(shè)計研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心優(yōu)勢，國網(wǎng)經(jīng)研院研發(fā)了柔性直流輸電設(shè)計核心工具軟件和涵蓋新能源發(fā)電的柔性直流實(shí)時仿真系統(tǒng)，掌握了一系列具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新成果。
技術(shù)應(yīng)用：首個遠(yuǎn)海風(fēng)電經(jīng)直流送出工程落地實(shí)施
今年2月份，我國首個遠(yuǎn)海風(fēng)電經(jīng)直流送出項目——江蘇如東海上風(fēng)電柔性直流工程正式開工建設(shè)。我國海上風(fēng)電向深水遠(yuǎn)海邁出堅實(shí)一步。
該工程連接江蘇如東東部黃沙洋海域3個風(fēng)電場，總裝機(jī)規(guī)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)海風(fēng)電送出，計劃于2021年投運(yùn)。該工程是目前世界范圍內(nèi)在建的電壓等級最高、輸送容量最大的遠(yuǎn)海風(fēng)電柔性直流工程。
該工程由國網(wǎng)經(jīng)研院承擔(dān)成套設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試工作。面對海上建設(shè)風(fēng)電場、換流平臺等對柔性直流輸電系統(tǒng)設(shè)計帶來的新挑戰(zhàn)，國網(wǎng)經(jīng)研院成立項目攻關(guān)團(tuán)隊，開展方案論證與仿真計算，提出遠(yuǎn)海風(fēng)電經(jīng)柔性直流送出工程的主接線典型范式、降低設(shè)備制造難度和工程投資水平的絕緣配合方案、風(fēng)電場-柔性直流系統(tǒng)-耗能裝置分級協(xié)調(diào)的故障穿越控制體系及柔性直流系統(tǒng)全套主設(shè)備適海性技術(shù)規(guī)范，形成了滿足接線緊湊化、設(shè)備輕型化、運(yùn)維遠(yuǎn)程/無人化、高可靠性、適應(yīng)極端惡劣環(huán)境等特殊要求的成套設(shè)計技術(shù)方案。
由該院牽頭提出的系統(tǒng)調(diào)試方案考慮了海上平臺空間承重受限、海洋工程基地試驗(yàn)電源不足、陸上接入變電站工期滯后、系統(tǒng)運(yùn)行方式復(fù)雜多變等多重困難，使系列化創(chuàng)新型技術(shù)成果在遠(yuǎn)海風(fēng)電經(jīng)柔性直流送出工程中的落地成為可能，為推動遠(yuǎn)海風(fēng)電高效開發(fā)與并網(wǎng)消納提供了可行方案。
工程成套設(shè)計在工程安全和可靠設(shè)計的前提下聚焦設(shè)備國產(chǎn)化，其標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制訂帶動了我國直流裝備制造業(yè)的發(fā)展。目前，我國已自主攻克具有國際領(lǐng)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(shè)備的設(shè)計研發(fā)難題，提高了遠(yuǎn)海風(fēng)電直流裝備制造業(yè)的自主創(chuàng)新能力和國際競爭力。
江蘇如東遠(yuǎn)海風(fēng)電項目全面建成投運(yùn)后，年上網(wǎng)電量可達(dá)33億千瓦時，相當(dāng)于135萬戶家庭一年的用電量。與同等規(guī)模的燃煤電廠相比，該項目每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤100萬噸，減排二氧化碳約250萬噸，節(jié)約淡水約980萬立方米。
國網(wǎng)經(jīng)研院將加大遠(yuǎn)海風(fēng)電并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)力度，推動海上直流電網(wǎng)等面向未來遠(yuǎn)海風(fēng)電發(fā)展需求的前沿技術(shù)創(chuàng)新，努力建成具有世界先進(jìn)水平的遠(yuǎn)海風(fēng)電柔性直流傳輸并網(wǎng)技術(shù)體系，為遠(yuǎn)海風(fēng)電大規(guī)模集約開發(fā)與并網(wǎng)提供更可靠、更經(jīng)濟(jì)的解決方案。
（作者單位：國網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司）
