大型海上风电场并网接入方案研究

袁兆祥，仇卫东, 齐立忠

(国网北京经济技术研究院，北京市 102209)



大型海上风电场并网接入方案研究

袁兆祥，仇卫东, 齐立忠

(国网北京经济技术研究院，北京市 102209)

目前，我国海上风电正处于建设初期，随着国家海上风电政策逐步明朗化，我国海上风电将迎来大发展时期。在综合考虑并分析了影响海上风电并网的相关因素：装机规模、送电距离、并网方式、海底电缆输电能力、电网网架、风电无功配置等，经技术经济比较后，提出了4个典型的海上风电场并网接入方案。并网方案的提出可为当前在建和规划建设的我国海上风电场的并网设计方案提供一整套解决方案，规范系统方案，明确风电送出方案的设计原则与思路，可以有效提高设计水平和效率，保障电源电网安全稳定运行，实现风电与电网的协调发展。

海上风电场；并网；接入方案；装机规模；送电距离

0 引 言

随着我国绿色能源发展战略的实施，清洁能源建设迎来了发展的春天，我国8个千万千瓦级风电基地及山西、黑龙江风电的建设，带动了一轮风电建设的高潮，截至2014年底，我国风电总装机规模已超过96 GW，已超越核电装机，成为我国仅次于火电、水电的第三大发电能源。海上风电作为可再生能源发展的重要领域，在国家海上风电产业政策日趋明朗的前提下，有望从2015年开始迎来快速发展时期。汲取陆上风电发展教训，总结陆上风电发展经验，有必要提前谋划，规范海上风电设计标准，做好风电场建设工作。另一方面，大规模的海上风电并网对沿海电网的安全稳定运行也将带来一定影响，有必要对海上风电场设备配置和运行提出技术要求[1]。

目前，在大型海上风电场并网方案领域，国内外文献对海上风电并网方案尚未进行系统研究，也没有提出比较成熟的系列化并网方案。国外海上风电场的并网方案通常是以单个项目为中心进行个体并网方案的研究和设计，没有对众多的海上风电并网进行系统的研究，而我国海上风电的开发近几年刚刚起步，近海风电的开发情况千差万别，没有对其进行系统研究；同时，海上风电场的并网方案需考虑的影响因素较多，既有风电场本身的一些因素，也有电网的相关因素[2-3]。

为了解决我国海上风电大规模开发的并网问题，有必要对海上风电场并网接入方案进行系统研究，提出海上风电的标准化、系列化送出方案，指导海上风电的合理规范并网，以实现海上风电与沿海电网的协调发展[4-5]。

1 海上风电建设现状

1.1 国外海上风电建设

2013年欧洲海上风电新增装机容量1 567 MW，同比增长34%，累计装机容量为6 562 MW，占欧洲2013年风电装机的14%[6-7]。2013年，47%的新增海上风电装机容量出现在英国，装机容量733 MW；丹麦排名第二，新增装机容量350 MW，占比22%。紧随其后的是德国(240 MW)和比利时(192 MW)，占比分别为15%和12%。截止2013年底，欧洲各国海上风电装机容量如表1所示。

表1 欧洲主要国家海上风电装机容量(2013年)

除欧洲国家外，日本、韩国和美国等也大力发展海上风电。在福岛核电危机后，日本转向海上风电的开发，目前有49.6 MW的海上风电装机容量，其中包括4 MW 漂浮式风电。韩国在济州岛建设84 MW 海上风电场，并在该项目中使用三星的7 MW风机，韩国海上风电发展目标为2016年装机容量为900 MW，2019 年1.5 GW。美国目前为止开发最快的项目是468 MW 的Cape Wind 风电项目和30 MW Block岛项目。世界海上风电装机规模详见图1。

1.2 我国海上风电建设

我国海上风能资源丰富，加快海上风电项目建设，对于促进沿海地区治理大气雾霾、调整能源结构和转变经济发展方式具有重要意义。风电发展“十二五”规划提出，到2015年，海上风电装机容量达到5 GW；到2020年，海上风电装机容量达到30 GW。

图1 世界海上风电装机规模

近期，国家能源局公布了《全国海上风电开发建设方案(2014—2016)》，装机总容量10.530 GW的44个海上风电项目列入开发建设方案，这标志着我国海上风电开发将进一步提速。根据这个方案，这44个海上风电项目分布在天津、河北、辽宁、江苏、浙江、福建、广东、海南等省份。其中江苏省列入开发建设的项目规模最大，达到348.970 MW。

截至2013年底，我国已建成的海上风电项目装机容量共计42.90 MW，其中，潮间带风电装机容量达到300 MW，近海风电装机容量为12.90 MW。我国海上风电装机规模详见图2。

图2 我国海上风电装机规模

2 海上风电大规模开发的并网需求

海上风电的大规模开发，必将面临着并网问题，目前，海上风电并网方案的选择主要考虑输送容量、输送距离、经济性、可靠性、环境友好性等因素，世界范围内海上风电并网主要分为高压交流、高压直流两大类[8]。

当海上风电场的规模相对较小且风场离海岸距离较近时，风电机组一般采用交流电缆的输电方式接入陆上电网，并考虑加装一定容量的动态无功补偿装置，这类风电场不需设置海上变电站，适用于早期、近海，规模较小的海上风电场。由于该方式较为简单，应用比较广泛，目前全世界135个海上风电场(含在建工程)中，采用无汇集升压装置的风场有84个，约占63%。

对于大型的远距离海上风电场，为了提高传输效率，需提高电压等级，通过海上交流升压站，通过将风电机组的功率汇集起来升高电压，再经过海底电缆输送到陆上集控中心，主要取决于风电场的装机规模、离岸距离和岸上公共连接点的电压等级，该方式的主要特点是电力传输系统效率较高。通过对海上交流升压站(含在建工程)的统计分析，目前国内外采用交流升压站的风场共36座。其中投产24座，在建12座。

由于交流电缆充电电流的影响，传输容量和传输距离受到限制，随着海上风场的不断扩大，直流输电的优势越来越明显，可大大减少线损和增加输送容量，国外研究结果表明当海上风电场离岸距离超过40～70 km，容量在400 MW以上时，宜采用直流送出方案，大部分单个海上换流站汇集了相邻同等规模海上风场的功率，集中送出，相对提高了经济性。目前已建成的海上换流站1座，在建6座，均位于德国，虽然在投产的海上风场中采用换流站的比例不高，仅为1%，但在在建的工程中，采用换流站的风场高达22%，上升趋势非常明显[9]。

随着我国海上风电的大规模开发，有必要对海上风电的并网进行深入研究，提出海上风电并网的解决方案，规范海上风电的并网和接入系统设计，实现海上风电的可持续发展。

3 海上风电场并网接入方案分析

3.1 海上风电场并网接入方案影响因素分析

3.1.1 装机规模

海上风场装机规模的大小对风电场送出方案直接影响，海上风电场装机规模相对较小时，如200、300、400 MW时，则直接采用一回送出海底电缆即可送出；如海上风电场装机规模较大，在500 MW以上时，则考虑将风电场分拆成几部分，分别送出或经直流汇集后送出[10]。

3.1.2 送电距离

海上风电场离岸距离较近时，则采用交流输电即可，离岸距离较远时，则需考虑柔性直流输电。

3.1.3 并网方式

海上风电场一般考虑采用交流送出或柔性直流送出两种并网方式。离岸距离较近时直接采用交流输电；如离岸距离较远，经技术经济比较后，可采用柔性直流输电，为摊薄直流输电成本，建议在采用柔性直流输电时，送出的海上风电应具有一定的开发规划规模，建议在600 MW以上。

3.1.4 海底电缆输电能力

目前，海底电缆最大制造能力为截面1 600 mm2电缆，其运行受生产厂商制造能力、运输、海上施工等多种因素影响，短期内海底电缆输电能力不会大幅提高。在交流220 kV输电时，其最大输电能力约400 MW左右。

3.1.5 电网网架

海上风电场并网的沿海电网网架、电网的坚强程度，对海上风电场的接入方案有较大影响，在考虑风电场的接入电压等级、并网方式等时，应充分考虑电网的接入条件、电网的适应性等[11]。

3.2 海上风电场并网接入方案技术要求

(1)明确风电场规划容量、分期容量、建设计划、电力市场消纳方向、输电方向、送电距离及其在电力系统中的地位和作用[12]。

(2)风电场升压变电站的电气主接线应尽量简化。

(3)风电场应按运行灵活、节省投资、安全可靠的原则配置无功设备。

(4)风电场并网后，必须满足电网各种运行方式的要求[13]。

(5)风电场内设备的技术参数应满足GB/T 19963—2011《风电场接入电力系统技术规定》。

(6)电能质量应能够满足风力发电场运行的技术要求。

3.3 海上风电场并网接入方案

结合国内外海上风电场交、直流并网方式研究现状以及海上风电场并网现状统计情况，在对海上风电场交直流送出方案经济比较的基础上，提出海上风电场并网接入系列方案[14]。

(1)220 kV交流和柔性直流的等价距离随着海上风电场规模的增大而减小，即海上风电场规模越大，其等价距离越小。

(2)对于建设规模为400 MW以下海上风电场，理论上当离岸距离在100 km以下时采用交流方案较优。结合目前国内外海上风电场建设实际情况，离岸距离在50 km以内的海上风电场推荐采用交流方案；超过50 km的，在实际工程中应考虑电网条件、风电场建设规模、建设条件、工程造价、电缆选型、运行维护等因素具体分析。

(3)对于建设规模超过600 MW的海上风电场，当离岸距离在50 km以上时，采用直流方案送出可能较优。

(4)交直流方案的确定与海上风电场建设规模、风电场离岸距离、设备造价等有直接关系，实际工程中应结合实际情况进行优选比较。

在上述分析基础上，提出4个模块化的设计方案。

(1)方案一。海上单个风电场规划规模为200、300、400 MW。此情况下，海上风电场风机宜经集电线路汇集至海上升压平台(集电线路宜采用35 kV一级电压)，升压至220 kV后经1回海底电缆接至风电场陆上开关站，并通过陆上开关站出线1回接入电网。接入系统方案见图3。

图3 海上风电场并网方案一

(2)方案二。若海上相邻的2个风电场规划规模均为200 MW，且与其同容量的风电场距离较远，此情况下2个风电场宜分别建设海上升压平台，将海上风电场风机分别汇集升压后(集电线路宜采用35 kV一级电压)，采用220 kV海底电缆出线1回接至陆上开关站，并通过陆上开关站出线1回接入电网。接入系统方案见图4。

图4 海上风电场并网方案二

(3)方案三。海上风电场规划规模超过500 MW，且距离超过50 km情况下，经技术经济比较，可采用直流送出。风电场开发规模为600 MW，距陆地超过50 km，可采用±200 kV直流送出，其中汇集线路宜采用35 kV或66 kV。接入系统方案见图5。

图5 海上风电场并网方案三

(4)方案四。风电场开发规模为1 000 MW，距陆地超过50 km，可采用±320 kV直流送出，此情况下可根据工程实际情况，经技术经济性比较，建设多个风电场升压平台或采用35(66)kV线路直接汇集至换流站集中送出。接入系统方案见图6。

图6 海上风电场并网方案四

4 海底电缆选择及无功配置

4.1 送出线路海底电缆选择

海上风电场均采用220 kV及以上电压等级送出，海底电缆宜选择单芯电缆，由典型220 kV海底电缆持续极限输送容量以及海底电缆送电临界距离、载流量相关计算分析可知：

(1)200 MW风电场宜根据离岸距离选择截面为500、630 mm2的海底电缆。

(2)300 MW风电场宜根据离岸距离选择截面为800、1 000、1 200 mm2的海底电缆。

(3)400 MW风电场宜根据离岸距离选择截面为1 400、1 600 mm2的海底电缆。

实际工程中，海底电缆选择应结合工程具体环境和敷设方式等影响因素，进行电缆最大载流量的计算校核。当风电场距岸较远时，充电功率较大时，经研究论证，可选择更大截面海底电缆。

4.2 过电压

海上风电场输电系统的过电压水平与系统运行方式、电缆型号及长度等多种因素相关。

(1)空载线路的电容效应引起的工频过电压不严重，一般均在系统的正常工作电压范围以内，不会对系统的正常稳定工作造成威胁，无需采取限制措施。

(2)不对称短路引起的工频过电压随着海底电缆长度的增加而增加，根据案例研究结果，电缆长度超过30 km、发生单相接地故障时工频过电压将超标，加装高压并联电抗器是抑制工频过电压的有效措施，电缆长度在50 km范围内，通过合理选择高抗补偿度可将工频过电压水平限制在规定范围之内。

(3)为限制操作过电压水平，线路两端需加装避雷器，合闸操作过电压一般可控制在规定范围之内。

(4)当海底电缆长度达到一定数值，分闸操作极易造成多次重燃，对设备的绝缘造成严重威胁，案例研究发现，当电缆长度达到20 km及以上时，分闸操作过电压将超标，极易造成重燃，加装并联高压电抗器后对切空线重燃过电压有明显抑制效果，将分闸操作过电压限制在合理范围之内。

(5)需要说明的是，海上风电场送出线路过电压水平不仅受风电场容量、海底电缆型号、电缆截面及长度影响，还与系统实际运行方式、系统网架结构、大地电阻率、并联高压电抗器容量、电网操作方式等相关因素密切相关，本研究中的案例分析基于参考工程，分析结论具有一定参考价值，工程实际中应结合具体工程具体研究分析。

4.3 无功配置

本研究以200 MW海上风电场为例，根据电力系统无功功率分(电压)层和分(电)区补偿原则，计算分析了海底电缆充电功率补偿容量和风电场内动态无功补偿容量，分析了风电场运行特性，对比优选了风电场送出线路高抗和场内静止无功补偿装置(static var generator，SVG)配置方案[15]。

(1)风机功率因数设定为1.0时，风电场最大净吸收无功功率为48 Mvar，海底电缆陆上侧送入电网的最大充电功率为194 Mvar，并网点电压运行范围为0.992～1.159 pu。风机功率因数设定为0.98(超前)/0.99(超前)时，风电场最大净吸收无功功率为109 /88 Mvar，海底电缆陆上侧送入电网的最大充电功率均为194 Mvar，并网点电压运行范围为0.967～1.159 pu或者0.989～1.159 pu。风机功率因数设定为0.98(滞后)/0.99(滞后)时，风电场最大净发出无功功率为13/7 Mvar，最大吸收无功功率为0/13 Mvar，海底电缆陆上侧送入电网的最大充电功率为201/197 Mvar，并网点电压运行范围为1.042～1.170 pu 或者1.029～1.165 pu。

(2)从无功补偿容量上来看，该风电场无功补偿高抗与SVG总容量在240 Mvar左右。当考虑风机功率因数调节作用情况下，可减小SVG容量。风机功率因数0.99(滞后)方案，海底电缆高抗容量190 Mvar，SVG容量45 Mvar。

(3)建议海上风电场并网无功补偿装置采用海上升压站和陆上开关站两侧布置方式，对于离岸距离较近、海底电缆长度相对较短的情况，无功补偿装置可布置在陆上开关站。在陆上连接点电压1.07 pu方式下，风电出力为0时，在离岸距离35 km处电压升高至1.15 pu，需在风电场侧配置感性补偿；陆上连接点电压0.97 pu方式下，风电出力为100%时，离岸距离50 km处风机电压约在0.98 pu，为便于风电场侧电压调节需配置一定容量动态无功补偿设备。

(4)根据电力系统无功功率分(电压)层和分(电)区补偿原则，海底电缆充电功率补偿高抗建议采用场侧配置1/3网侧配置2/3的方案，该补偿方案有利于风电场内动态无功补偿装置的配置和电压调节策略的设定。

(5)研究过程中，对陆上电网进行了无穷大电网等值，不同运行工况参数设置均较为理想，忽略了电网运行方式的多样性，计算中侧重分析风电场侧的电压无功特性，对于计算结果可能产生一定程度的影响。同时，该项目中风电场接入系统方案和设备参数均为典型参数，对计算分析结论会产生一定影响。因此，不同风电项目在接网设计阶段应根据建设规模、海底电缆及电气设备选型等实际情况进行具体分析研究[16]。

5 结 论

本文分析了海上风电场并网方案的并网需求，并重点分析了影响海上风电场并网方案的因素，对海上风电场的典型送出方案、无功补偿方案、过电压问题、送出海底电缆选择等进行了系统分析和阐述，经技术经济比较，提出了海上风电场并网的完整解决方案。本文的研究将为海上风电场的并网设计提供示范，明确风电送出方案的设计原则与思路，可为当前在建和规划建设的我国海上风电场的并网设计提供参考和借鉴，促进海上风电场和电网的协调发展。

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(编辑:蒋毅恒)

Grid Connected Solution for Large Offshore Wind Farm

YUAN Zhaoxiang，QIU Weidong，QI Lizhong

(State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China)

At present, the offshore wind power in China is in the initial stage of construction. Along with the gradually clear policy of the offshore wind power in China, the offshore wind power in China will usher in a new round of large-scale development. Based on the comprehensive consideration and analysis of the related factors affecting the grid connection of offshore wind power: the installed capacity, the transmission distance, the grid connected mode, the transmission capacity of submarine cable, the grid structure, the reactive power configuration of wind power and so on, this paper proposed 4 typical grid connected solutions for offshore wind farm, through economic and technical comparison. The proposed grid connected solutions can provide a complete solution for grid connected schemes of offshore wind farm in building or planning, standardize the system scheme, clear the design principle and idea of wind power transmission scheme, effectively improve the design level and efficiency, ensure the safe and stable operation of power grid, and realize the coordinated development of wind power and grid.

offshore wind farm; grid connection; grid connected solution; installed capacity; transmission distance

Table1 Installed capacity of offshore wind power I major countries of Europe (2013)

TM 614

A

1000-7229(2015)04-0123-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.04.020

2015-01-28

2015-02-07

袁兆祥(1970)，男，高级工程师，主要从事电力系统规划、设计和研究工作；

仇卫东(1972)，男，高级工程师，主要从事电力系统规划设计及电网安全稳定分析方面研究工作。

齐立忠(1968)，男，高级工程师，主要从事电力系统规划、设计和研究工作。

国家电网公司科技项目(B3440912K005)。