岱山海域潮流能发电并网示范工程设计方案分析

李世强，俞恩科，何旭涛，郑新龙，卢志飞

（国网浙江省电力公司舟山供电公司，浙江 舟山 316000）

岱山海域潮流能发电并网示范工程设计方案分析

李世强，俞恩科，何旭涛，郑新龙，卢志飞

（国网浙江省电力公司舟山供电公司，浙江 舟山 316000）

岱山海域潮流能发电并网电力系统是国内首个实现潮流能发电并网商业化运行的示范工程，标志着我国向商业化潮流能发电迈出了关键的一步。从接入系统方案、系统电气计算分析、海缆工程设计3方面入手，详细阐述了岱山海域潮流能发电并网设计技术方案的可行性及存在的问题，并给出了初步解决方案，为该工程的最终实施提供了技术支持。

潮流能发电；并网；设计；海缆工程；商业化运行

0 引言

海洋是人类的资源宝库。随着海洋技术的发展，除了矿产和渔业资源，海风、波浪、潮汐、潮流等海洋可再生能源，都可用于缓解人类面临的能源危机。目前，开发和利用海洋资源已上升到国家战略层面，海洋可再生能源无疑是其中的重要组成部分。潮流能发电是一种新型的潮流能利用技术，直接利用潮涨潮落的水流冲击叶轮机械装置进行发电。潮流能发电无需建设拦海堤坝，从而降低了建设投资，也大大缩短了建设周期，且兼具良好的生态友好特性和经济性[1，2]。舟山群岛一带大部分海域潮流流速为2～4 m/s，其可开发利用的潮流能占全国的50%以上。就岱山秀山岛海域的龟山水道而言，如将它蕴藏的潮流能转换成装机容量，理论上相当于3.9个长江三峡电站。

1 示范工程项目概况

岱山海域潮流能发电并网示范工程的发电装置主要采用AR1000TM型涡轮机，该型涡轮机由新加坡亚特兰蒂斯资源有限公司（以下简称“ARC”）研发，是世界上最先进的潮流能涡轮发电机，装机容量为1 MW。装机台数为1台，安装在岱山秀山岛海域的龟山水道上，发电装置发出的电通过海底电缆传输，海底电缆长度约为2 km，连接至位于秀山岛上的潮流能配电站，升压后通过长度约4 km的10 kV输电线路并入电网运行。年平均发电量在2 000 MWh以上。

2 示范工程并网设计方案分析

2.1 接入系统设计方案

示范工程位于岱山秀山岛海域，考虑接入系统就近原则，故接入秀山岛内变电站较为合适。目前，秀山岛已建成投运的110 kV变电站有3座，其中兰秀变电站为公用变电站，其余2座为用户变电站。根据国家电网公司企业标准《分布式电源接入系统规定》和《国家电网公司关于印发分布式电源接入系统典型设计的通知》，1～6 MW统购统销分布式电源一般采用1回10 kV电压等级专线接入公共电网变电站10 kV母线，因本工程装机容量为1 MW，故考虑采用10 kV电压等级送入110 kV兰秀变电站10 kV侧，就地平衡当地负荷。

同时，根据本潮流能发电示范工程的发电能力，综合考虑年平均发电量在2 000 MWh以上、年发电利用小时数不超出 3 000 h等因素，按1.65 A/mm2经济电流密度可计算得出，10 kV送出线路的经济电流截面约为35 mm2，考虑接入电网架空导线输送容量预留适当裕度，推荐采用50 mm2架空导线。同时，根据输送容量，考虑交流海缆采用3×120 mm2截面。

2.2 接入系统电气计算分析

2.2.1 潮流计算分析

目前，兰秀变电站主变压器容量为 1×5+ 0.63（冷备）万kVA，常石变电站主变压器容量为2×1.6万kVA，惠生变电站主变压器容量为 2× 1.25万kVA。根据岱山电网运行方式，正常方式下，兰秀变电站通过舟山电厂——兰秀1回线受电，并转供常石变电站及惠生变电站负荷。

计算中考虑全网峰、腰、谷负荷，其中腰负荷按峰负荷的90%考虑，谷负荷按峰负荷的60%考虑；常石变电站、惠生变电站为用户变电站，考虑到生产需要，峰、腰、谷负荷均按满负荷考虑。峰负荷、腰负荷时岱山电网功率因数取0.92，谷负荷功率因数取0.95。考虑到分布式电站接入电网，与电网保持无功功率零交换的目标，本示范工程潮流计算中，潮流能发电按站内无功功率自我平衡后向电网注入有功功率考虑。计算结果如下：

（1）潮流能升压站主变压器分接头暂考虑置于11.0+2×2.5%/3.4 kV档。

（2）正常峰负荷时，潮流能发电机组满出力，配电站母线电压为10.51/3.30 kV。峰负荷状态下，潮流能发电机组出力60%，配电站母线电压为10.51/3.30 kV。

（3）正常腰负荷时，潮流能发电机组满出力，配电站母线电压为10.49/3.30 kV。

（4）正常谷负荷时，潮流能发电机组满出力，配电站母线电压为10.54/3.31 kV。

综上分析，示范工程并网后，正常峰负荷潮流如图1所示，潮流分布合理，电网运行安全、稳定。

图1 投运后正常峰负荷潮流（潮流能满出力）

2.2.2 短路电流计算分析

考虑示范工程近期投运，根据接入系统方案，通过1回线路接入110 kV兰秀变电站10 kV母线，目前，兰秀变电站主变压器容量为1×5+0.63（冷备）万kVA。

暂考虑示范工程采用阻抗电压百分比为4%的升压变压器，根据计算结果，示范工程配电站10 kV母线三相短路电流约为13.5 kA，兰秀变电站10 kV母线三相短路电流约为21.2 kA，满足设备安全运行需要。

远景年，兰秀变电站主变压器容量为2×5万kVA，示范工程配电站接入电网方式不变，配电站10 kV母线三相短路电流约为15.5 kA，满足系统设备的安全运行需要。

综上分析，示范工程并网后短路电流满足电气设备安全运行要求。

2.2.3 潮流配电站电气主接线分析

示范工程潮流能发电系统的发电机由在潮流中旋转的叶片和永磁发电机（PMG）组成，发电机将产生额定电压为3.8 kV的变频交流电，并连接到PCS1000变流器，变流器由发电机侧INU（逆变器单元）、直流电连接和电网侧的ARU（整流单元）组成。

根据分析，结合10 kV配电网电气主接线的一般型式，潮流能陆上配电站建议采用单母线接线，主接线如图2所示。

图2 潮流能发电配电站主接线

2.3 并网工程线路设计方案分析

示范工程线路部分的设计分海中段和陆上段2部分，其中海中段是本次设计的重点。拟选线路路由为从潮流能发电涡轮机至陆上潮流能配电站，路由总长度约1 920 m，其中陆上部分从登陆点至变电站的长度约230 m，海底电缆路由长度1 690 m。路由位于秀山岛海域，地形地貌复杂，将对示范工程的设计、施工造成一定影响。

2.3.1 登陆点地形地貌分析

综合考虑周边地理环境和人文因素，示范工程的海缆登陆点拟选位置位于秀山岛北客运站东侧山体小型湾岙内。该处地貌属于自然海岸段，海岸线大部分平直，基本呈东西走向，西中部建有标准海塘，岸线前沿约25 m区域为砂砾岸滩，低潮时均露出海床。岸线后方为山谷，两侧隆起、中部下陷，植被较为茂盛，后方山体顶部为正在施工建设的示范工程配电站。

就登陆点周边地理环境来看，该登陆点位置较合理。首先，解决了施工材料的运输问题，同时也方便施工船靠岸；其次，从海缆日后运行来看，该岙口属于无人区，且没有张网区，可有效避免海缆运行后受外力破坏；最后，海缆登陆处地质为砂砾岸滩，适合电缆沟的开挖和铺设。

2.3.2 海缆路由海中段海底地形地貌分析

示范工程海缆预选路由海底部分的地形存在一定起伏变化，涡轮机安装在北部岩礁上，中部为龟山水道深槽区，南面地形呈一定坡度上升至海岸，中间有大面积岩礁分布。总体而言，路由区海底地形呈两侧不对称的V字型航槽地貌格局。水深基本在50 m，最大水深达85 m，坡度达140°。

经勘测，海域底质类型主要可归纳为2种，即岩礁区和泥混砂质分布区，路由大部分区域以基岩为主，地层性质稳定，常年受强烈海流冲刷作用影响；少部分区域存在泥沙或砂贝沉积，位于基岩两侧边坡，基本呈滩地落淤、通道冲刷的地貌形态。

从已知海缆预选路由地形地貌及底质情况来看，在海缆敷设及运行中都会有一定困难。首先，地形不规则的高低起伏，会使海缆存在一定区域的悬空段，而悬空区域又是基岩，在海流的作用下海缆会直接与基岩摩擦，从而造成损害；其次，该处水流很急，水深较深，海缆在敷设过程中会有很多不可控的潜在风险，同时也极易造成海缆实际敷设位置与预选路由的偏离；最后，该处底质大部分是基岩，锚损与基岩磨损是海缆受损的最主要“杀手”，据统计，95%的海缆破坏都是由其产生。这种不良底质的存在，将给海缆日后运行造成很大风险。

综上分析，海缆预选路由地形地貌及底质情况不理想。但考虑到潮流能涡轮机安装位置及周边海域情况，海缆预选路由通道已是最佳通道。鉴于此，设计认为必须做好以下3件事，才能保证示范工程的顺利投运，保障海缆的安全运行：

（1）解决海缆在基岩区的附加保护。根据舟山电网多年来的海缆工程设计及运行经验，有3种方式：第一，基岩开槽，通过爆破的方式把海缆敷设区域下的基岩炸平并形成沟槽状，将海缆放置沟内。第二，水下抛石，在海缆敷设完后，用石块将基岩区的海缆四周盖住。第三，套保护管，即在海缆外面加装耐磨、耐腐、强度高的不锈钢保护套管。上述3种方式中，第一、第二种方案对海缆的保护效果最好，基本能消除基岩造成的损伤，但方案可操作性不强，主要原因是作业难度较大、施工价格昂贵，而第三种方式则具有可操作性，但就本工程来说还需进一步改进，为使海缆套上保护管后在海底减少移动从而避免与基岩长期摩擦，应在一定间距内附加重力锚进行锚固，或在敷设时每隔数米在保护管上连1块重力块，使海缆沉入海底后不随洋流移动，从而有效保护海缆。

（2）解决海缆施工方面的难题。本示范工程海缆路由区域的流速较大，极易使施工船偏离预选轨道，也会在敷设过程中带来海缆受损的风险。同时，海缆敷设时要边敷设边套保护装置，将大大增加施工难度，就国内海缆施工能力来看，极具挑战性。因此，施工单位应根据工程特点，对每个重要环节制定相应的技术方案及保障措施。

（3）解决海缆运行后受外力破坏的风险。示范工程海缆路由直接穿过龟山水道和瓦窑门山即秀山航道，该航道的运输船及渔船众多，为避免海缆受到船舶抛锚及其他破坏外力，需进一步加大该条海缆的监控措施。除了设立警示装置外，还需建立1套综合在线监控系统，该监控系统应涵盖AIS（船舶识别系统）、远程视频监控系统、雷达及红外成像等，从根本上杜绝船舶的外力破坏。

3 结语

目前，该潮流能发电示范工程并网接入电力系统尚处可研阶段，根据分析，工程建设最大的制约因素是海缆输电线路的施工，只有顺利解决海缆工程中存在的问题，示范工程才能得以顺利实施。

目前拟采取的方法是：

（1）海缆选型：采用双层铠装结构，增大抗摩擦性能。

（2）施工船：根据流速，将采用与之匹配的带动力定位系统的施工船，以保证海缆敷设路由与设计相符。

（3）海缆保护：基岩区域安装不锈钢保护管，同时附加重力锤固定，使之在海底不会受洋流影响而来回移动，减少海缆摩擦。

（4）监控：采用海缆内部监控与外部监控相结合的方式，建立1套综合在线监测系统。外部监控将采用AIS、红外成像、雷达、视频监控等设备；内部监控含海缆温度、扰动、故障等。目前，该方案已初步得到业主单位及专家的认可。

示范工程一旦顺利投运，将成为我国首个潮流能发电并实现商业化并网运行的工程。它的投运，可作为今后研究实现大容量、高电压等级并网的技术支撑，充分发挥潮流能发电的优势，有效解决能源瓶颈问题，还可以节约能源及减少二氧化碳排放。示范工程投运后每年将至少节省标煤600 t，减少二氧化碳排放1 900 t。

通过该示范工程的实施，可以进一步消化、吸收世界先进技术，大大加快我国潮流能开发利用技术的产业化进程，缩短与西方发达国家在潮流能开发利用技术上的差距，进而实现我国潮流能开发利用技术的自主创新和装置的完全国产化，降低建设成本，以实现我国潮流能发电的大规模开发利用。

[1]张勇，崔蓓蓓，邱宇晨，等.潮流发电—一种开发潮汐能的新方法[J].能源技术，2009，30（4）：223-227.

[2]GRABBE MARTEN.A review of the tidal current energy resource in Norway[J].Renewable&sustainable energy reviews，2009，（13）8:1898-1909.

[3]舟山市岱山海域海洋能并网电力系统示范工程海底电缆管道路由勘测报告[R].杭州：浙江华东建设工程有限公司，2014.

[4]舟山市岱山海域海洋能并网电力系统示范工程可行性研究报告[R].重庆：中国新时代国际工程公司，2012.

[5]李程，钟宇军，彭明伟，等.浙江舟山群岛新区电网规划思路和发展模式研究[J].浙江电力，2014，33（10）:11-13.

（本文编辑：龚 皓）

Analysis on Design Plan of Tide Energy Generation and Integration in Daishan Sea Area

LI Shiqiang，YU Enke，He Xutao，ZHENG Xinlong，LU Zhifei
（State Grid Zhoushan Power Supply Company，Zhoushan Zhejiang 316000，China）

As the first demonstration project of tide energy generation and integration put into commercial operation in China，the tide energy power generation and integration system in Daishan marks a key step towards domestic commercial tidal energy generation.Starting from access system scheme，electrical calculation analysis on system and submarine cable project design，this paper expounds feasibility and problems of technical scheme for tidal energy generation and integration design；moreover；it presents preliminary solutions to provide technical support to the implementation of the project.

tide generation；integration；design；engineering of submarine cable；commercial operation

TM711.1

B

1007-1881（2015）02-0001-04

2014-11-17

李世强（1983），男，工程师，主要从事海洋输电设计及相关技术研究工作。