2024年12月26日，浙江（華東）深遠海風電母港在溫州開工，這將是全國首個面向深遠海的風電母港項目。依托母港建設，浙江計劃到2030年打造千億級風電產(chǎn)業(yè)集群。

海上風電大規(guī)模開發(fā)的時代來了，帶著機遇，也帶著挑戰(zhàn)。

溫州平陽南麂島上的風力發(fā)電機丨劉光漲攝

海上風電優(yōu)勢卓異，為什么？

浙江，七山一水二分田，綠水青山熔鑄出了詩畫江南的美景，鋪就了經(jīng)濟發(fā)展的底色，也激發(fā)出蓬勃的經(jīng)濟活力，帶來旺盛的電力需求。

不過，需求大卻不等同于稟賦好。與其他地域相比，浙江本地電源匱乏，三分之一的用電量需要依靠省外輸入，在綠色發(fā)展理念和丘陵地形的雙重擠壓下，火電等本地傳統(tǒng)電源擴張余地局促。浙江渴求電源的目光便投向了海上風電、分布式光伏和抽水蓄能。

尤其是海洋資源。浙江近岸海域內(nèi)擁有海島4300多個，居全國第一。同時，浙江的海岸線和海島岸線總長6000多千米。得天獨厚的環(huán)境賦予了浙江豐富的可開發(fā)海上風能資源，2021-2035年間，浙江省風電發(fā)展規(guī)劃達到3650萬千瓦，其中近海風電850萬千瓦、遠海風電2800萬千瓦。海上風電大規(guī)模且集群式開發(fā)并網(wǎng)正從藍圖變?yōu)楝F(xiàn)實。

一向敢為人先的浙江確實早已開始了海上風電送出相關(guān)的研究。

“影響海上風電送出模式選擇的主要因素是風電場離岸距離和規(guī)模。”國網(wǎng)浙江電力科技部二級職員金文德介紹。目前，浙江開發(fā)的都是離岸80公里以內(nèi)的近海小型風電場，其中，單個風電場的最大發(fā)電容量為50萬千瓦。截至2024年11月，浙江海上風電總裝機容量達477萬千瓦，這些項目均采用了工頻交流送出的技術(shù)。

同樣的送出方式被國內(nèi)大多數(shù)海上風電場所青睞。我國是目前全球海上風電場數(shù)量最多的國家，近10年累計裝機增長近10倍，裝機容量超過英國，躍居世界第一位。“這些風電場以水深30米左右、離岸50千米以內(nèi)的近海海域為主，對于近海小型風電場而言，工頻交流送出是目前裝備最成熟、工程經(jīng)驗最豐富的技術(shù)。”金文德說，然而，受交流電纜的能量損耗問題和電纜成本問題影響，如果將工頻交流送出技術(shù)直接應用于即將開發(fā)的離岸80-150公里的中遠海域風電場，其經(jīng)濟性將大打折扣。

中遠海域的風電要如何送出？這是一個國際性難題。英國、德國、丹麥、澳大利亞等國家在海上風電領(lǐng)域正廣泛應用柔性直流輸電技術(shù)。柔性直流中的柔性是指一種基于大功率、高性能的電力電子器件，實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓、電流、功率等各類參數(shù)實時調(diào)節(jié)的先進技術(shù)，能讓電能可控性好、適應性強、響應速度快、智能化程度高。

但在金文德看來，雖然這是當前國際上主流的深遠海風送出模式，但卻不是回答海上風電送出的最優(yōu)解。“柔性直流輸電的主要優(yōu)勢在于克服了海纜充電無功的問題，輸電能力更強。缺點也十分明顯，即需要建設海上換流站。”他解釋道。海上換流站被稱作“海上巨無霸”，平面面積近乎一個標準足球場，高度可比肩15層的居民樓，建設成本動輒幾十億元，無論是在建設還是運維，都涉及巨額的投資和成本。

即使投資成本是天文數(shù)字，但向海爭風的策略不能放棄——海上風電不僅發(fā)電效率高且無需占用土地資源，投運后的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益優(yōu)勢在新能源界都出類拔萃。此時，破題之法只能是找到更具經(jīng)濟性的海上風電送出模式。

柔性低頻更加經(jīng)濟，憑什么？

何為更經(jīng)濟的送出方式？

“一是成本更低，二是送出效率更高。”國網(wǎng)浙江電科院電網(wǎng)技術(shù)中心副主任陸翌回答。很顯然，優(yōu)化掉海上換流站就可以大幅削減成本，減少電力損耗就能提升送出效率。

早在上世紀90年代，中國科學院院士王錫凡就提出了分頻輸電方式，即在較低頻率下輸電，在較高頻率下用電，通過降低輸電頻率，來減少電能損耗，讓電能被送得更遠。2014年前后，國網(wǎng)浙江電科院柔性電力技術(shù)團隊逐步啟動柔性低頻輸電技術(shù)研究。

“低頻技術(shù)的優(yōu)勢在于只需建設一座海上升壓站，將低頻風電機組發(fā)出的電力升壓至需要的電壓再送至陸地。”陸翌介紹。目前，全球最大海上升壓站尺寸為66米×55米×32米，占地面積僅為一個標準海上換流站的二分之一，建造難度及成本優(yōu)勢顯而易見。

頻率低到多少才最為經(jīng)濟？“通過層層計算驗證和仿真對比，我們發(fā)現(xiàn)當要實現(xiàn)離岸80-180公里的中遠海百萬千瓦風電送出時，若輸電頻率低于20赫茲，變壓器、斷路器的成本將上升，若高于20赫茲，海纜傳輸能力將下降，必須增設海纜才能滿足送出要求。”柔性電力技術(shù)團隊中負責組織開展頻率優(yōu)選工作的團隊骨干裘鵬說。

2021年3月，經(jīng)與中國科學院院士陳維江等權(quán)威專家共同研究探討，國網(wǎng)浙江電力明確當下20赫茲是80-180公里中遠距離海風送出場景下最能兼顧經(jīng)濟性與輸電能力的選擇。

全新的技術(shù)路線，意味著配套裝備的空白。“手機性能不夠了，我們通常會選擇換一個，但如果市場上已經(jīng)沒有更好的手機了怎么辦？只能自己研究，從配件開始，核心設備全部自研。”金文德打了個比方。

依托國家能源源網(wǎng)荷儲互動協(xié)同技術(shù)研發(fā)中心、國網(wǎng)海洋輸電工程技術(shù)實驗室等創(chuàng)新平臺，國網(wǎng)浙江電力先后掌握了柔性低頻輸電系統(tǒng)的行為特性，并聯(lián)合科研機構(gòu)及上下游企業(yè)，自研了包括柔性低頻換流器、低頻變壓器、海纜、新型海纜船在內(nèi)的近100項核心技術(shù)裝備和專利成果。

向海爭風，還需要什么？

在浙江臺州大陳島上，海風吹動低頻風力發(fā)電機，綠色的風電便從小小的海島輸送至陸地上的電網(wǎng)。

2022年6月，臺州35千伏柔性低頻輸電示范工程投運。這是世界首套投入商業(yè)運行的低頻海上風電送出系統(tǒng)，也是國網(wǎng)浙江電力柔性低頻輸電系列示范工程規(guī)劃邁出的第一步。

“臺州35千伏柔性低頻輸電示范工程對大陳島上原有的兩臺1.1兆瓦工頻風機進行了低頻改造，將風機發(fā)出20赫茲的電能，升壓至35千伏后送至鹽場低頻換流站，變頻為50赫茲后并入工頻系統(tǒng)。”國網(wǎng)臺州供電公司變電檢修中心副主任蔣旭介紹。投運至今，臺州35千伏柔性低頻輸電示范工程已向陸地輸送海上風電超1600萬千瓦時，相比工頻輸電能量損耗降低了1.2%。工程還配套研制并投入使用了35千伏柔性低頻換流器、低頻變壓器等19項國際首臺首套設備。

“大陳島項目的穩(wěn)定運行，驗證了海島風機源側(cè)低頻接入的技術(shù)先進性及風電柔性低頻送出技術(shù)的可行性。”陸翌說，但35千伏線路主要應用于中短距離的輸電線路，還不能滿足長距離、大功率的電力輸送需求。因此，柔性低頻輸電系列示范工程規(guī)劃的第二步探索悄然開始。

2023年6月30日，杭州220千伏柔性低頻輸電示范工程投入運行，該工程額定傳輸容量30萬千瓦，是目前我國電壓等級最高、輸送容量最大的柔性低頻輸電工程，真正完成了高壓大容量海上風電場電力輸送成套裝備性能的技術(shù)驗證。

“目前，我們正聯(lián)合華能浙江分公司依托玉環(huán)2號海上風電場項目開展大容量海上風電柔性低頻匯集送出系統(tǒng)驗證。這是我們?nèi)嵝缘皖l輸電系列示范工程的第三部曲。”金文德介紹。

玉環(huán)2號海上風電場位于浙江省臺州市玉環(huán)海域，規(guī)劃裝機容量508兆瓦，采用工低頻混合方式送出，其中204兆瓦采用工頻輸電方案，304兆瓦采用低頻輸電方式送至陸上計量站。

“玉環(huán)2號海上風電場配備設置了一座220千伏工低頻共建海上升壓站，將海上低頻風電和工頻風電都升壓至220千伏后，通過一回220千伏工頻海纜和一回220千伏低頻海纜送至陸地。”陸翌說。目前，該工程已完成成套參數(shù)設計，預計將于2025年完成投運。屆時，將能夠在同一工程中積累工頻交流與柔性低頻輸電的具體數(shù)據(jù)，進一步回答中遠海大規(guī)模風電送出的經(jīng)濟性問題。

“當前，海上風電送出設備小型化的問題還沒解決，同時，海上風電的開發(fā)正逐步向深藍推進。未來海上風電大規(guī)模集群送出，有沒有比低頻柔性送出更好的解決方案？這仍值得繼續(xù)探索，仍需研究送出模式，儲備好關(guān)鍵技術(shù)裝備。”金文德認為。

除積累海上風電送出技術(shù)外，也有業(yè)內(nèi)人士表示，海上風電開發(fā)成本問題也需得到進一步重視——當前，我國沿海省份已形成海上風電規(guī)模化產(chǎn)業(yè)基地，9個省份累計建成或在建20多個海上風電產(chǎn)業(yè)園。海上風電較陸地風電在投建、并網(wǎng)、運維等方面難度更大、技術(shù)設備要求更高，投資相應更大，需加強統(tǒng)籌規(guī)劃，豐富扶持政策，以刺激風電企業(yè)投資的積極性和上下游企業(yè)的國產(chǎn)化設備研發(fā)、運維保養(yǎng)的積極性，需要進一步加強原材料掌控力，解決海上風電送出關(guān)鍵技術(shù)“卡脖子”難題與瓶頸。

再清潔一點、再優(yōu)質(zhì)一點、再超前一點。向海爭風正在進行時。