适用于福建省的大规模海上风电汇集外送输电方式研究

陈明福

（中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

福建省海上风电资源丰富，单座海上风电场区既有规划100 MW 到2 000 MW 的近海风电，也有1 000 MW 到超过7 000 MW 的远海风电。

海上风电规模化、集群化、远海化的发展趋势，对风电的开发提出了一系列要求：一方面是大规模风电开发与用海集约化要求的协调［1］；另一方面，柔性直流输电方案是远海大规模海上风电的重要选择［2-3］，但在我国海上风电领域仅处于起步阶段，包括福建省在内的众多沿海省份缺乏建设运行经验。本文对以上问题开展研究，为福建省今后的工程应用进行技术储备。

1 福建海上风电发展规划

福建省作为全国“新型电力系统示范区”之一，未来能源供给增量将以零碳能源（主要是核能+可再生能源）为主体，并逐步提高比重。以下说明福建省海上风电规划和消纳情况。

1.1 近海风电

根据福建省近海海上风电等规划［4］，具备较好开发条件的近海风电厂址主要分布于福州、漳州、莆田、宁德，场区分布和特点分别如表1 所示，单座场区装机规模100 MW～1 800 MW。

表1 福建省近海海上风电场址规划

1.2 远海风电

根据福建省海上风电场工程规划、闽南海上风电基地等规划研究［5-6］，深远海风电场区分布及规模等分别如表2 所示，单座场区装机规模900 MW～7 200 MW，离岸距离54 km～200 km。

表2 福建省远海风电规划场区情况

1.3 电力消纳

结合福建省电力市场、电源规划等所做出的电力平衡分析［7-8］：福建省电力缺额主要在南部电网；随着海上风电规模的增大，冬季盛风期负荷小方式全省逐渐出现电力盈余；未来盈余风电可考虑通过互联通道送至周边省份，在更大范围内实现福建省海上风电资源的优化配置；大规模海上风电宜通过高电压等级进行汇集外送。

2 海上风电输电方式

2.1 现状

海上风电输电方式主要包括高压交流输电方式和高压直流输电方式，两者适用于不同规模和离岸距离的海上风电项目。

（1）交流输电方式。综合考虑海缆制造能力和输送能力，交流输电方式通常用于海上风电场规模较小（500 MW 以内）且风场距离海岸较近（70 km 以内）的情况，目前国内外大部分海上风电项目采用这种方式。福建省已建或在建的海上风电均为近海风电，升压站离岸距离在50 km 以内，均采用交流输电方式、在岸上或海上建设交流升压站，如图1 所示。

图1 福建省部分已建海上风电接线示意图

（2）直流输电方式。直流送出主要有常规直流、柔性直流2种技术路线。与常规直流输电技术相比而言，柔性直流输电技术具备以下特性：不易发生换相失败、可接入无源网络、可灵活独立地控制有功和无功、不需要交流侧提供无功补偿装置、具备黑启动能力。这些特性使柔性直流输电技术成为大规模、远距离海上风电主流并网技术。

国外远海海上风电柔直送出工程在北海较为集中，建有4个海上风电场集群，以±320 kV 为主、功率690 MW～900 MW、线路长度90 km～205 km。国内仅江苏省在建如东和射阳海上风电项目采用柔直送出方案，电压最高±400 kV，功率最大1 100 MW，离岸距离70 km，采用对称单极接线，如图2 所示。

图2 江苏如东海上风电柔直输电项目送出方案

2.2 输电方式比较

以下对海上风电分别采用交流输电方式或柔直输电方式进行比较。

（1）技术比较。①交流输电方式。结构相对简单、技术成熟、工程经验丰富；但由于电缆充电功率的限制，传输距离有限，且电压等级越高，充电电流越大，对无功补偿要求越高，增大占地。②柔性直流输电方式。可以连接规模更大、离岸更远的海上风电场，适应风电场大范围频率波动，不受传输距离的限制，且传输损耗较低；不易发生换相失败、可接入无源网络、可灵活独立地控制有功和无功、不需要交流侧提供无功补偿装置、具备黑启动能力。

（2）投资比较。根据福建省海上风电规划规模、海缆等设备电力输送能力和生产制造水平，参考国内外海上风电配套送出工程投资水平，挑选800 MW、1 200 MW、1 600 MW 3 种规模，对海上风电不同的输电方式进行投资比较。其中：①交流送出方案按照风机+海上升压站+陆上集控站+各级海缆的建设模式；②柔性直流送出方案按照风机+海上升压站+海上换流站+陆上换流站的建设模式。

由比较图3 所示曲线可见：①当风电场离岸输电距离在60 km 以内时，建议采用交流输电方案；若整个场区风电装机规模较大，可考虑分散送出。②当容量800 MW 及以上的大规模风电场汇集外送且输电距离超过70 km，建议采用柔性直流输电方案；电压等级需根据装机规模进行论证和选择。③输电距离在60 km～70 km 时，需结合实际工程情况进行交直流输电方案比选分析。

图3 不同规模海上风电不同输电距离交流和柔直输电方案造价曲线图

对于福建省不同的海上风电并网工程，装机规模从100 MW到超过7 000 MW，离岸距离16 km～200 km，存在着不同的临界距离。究竟采用交流方式并网、柔性直流方式并网或是交直流混合方式并网，需要根据实际工程，综合考虑技术要求和经济性进行分析研究。

3 海上柔性直流换流站的要求

考虑到包括福建省在内的沿海省市海上风电规模化、集群化、远海化的发展趋势，柔性直流输电在技术、经济等方面的优势，使其将成为未来海上风电主流并网技术。因此，以下分析海上柔性直流换流站的主要参数。

3.1 直流并网方式

根据互连的柔性直流换流站数量和汇集方式，柔性直流系统并网大体分为4 类。

（1）两端柔性直流输电系统。由2 个柔性直流换流站和连接它们的直流线路组成，即“点对点”方式，如图4 所示。

图4 海上风电两端直流（点对点）输电并网方式

（2）多端柔性直流输电系统。由多于2 个柔性直流换流站和连接它们的直流输电线路组成，如图5 所示。

图5 海上风电多端直流输电并网方式

（3）多馈入直流输电并网方式。同样由多于2 个柔性直流换流站和连接它们的直流输电线路组成统，但陆上功率受入点单一集中，如图6 所示。

图6 海上风电多馈入直流输电并网方式

（4）混合直流输电并网方式。陆上换流站直流侧部分采用架空线的情况，参考乌东德特高压混合直流项目，还可考虑送端采用柔性直流技术、受端采用常规直流技术，如图7 所示。

图7 海上风电混合直流输电并网方式

3.2 直流侧额定电压、额定功率、额定电流

（1）根据柔直换流站相关设计规范［9］。①宜选用序列化的额定电压；②可考虑单回直流或者双回直流，输电功率总数盈余输电任务相匹配；③宜选用序列化的额定功率，便于采用通用化的设计及标准化的设备，以形成集约效应和规模效益。

（2）柔性直流输电电压等级序列。根据已建成柔性直流工程和传统直流输电工程电压等级序列，考虑技术前瞻性原则，参数相关研究［10-11］，柔性直流输电电压等级序列主要考虑：±200 kV、±320 kV、±400 kV、±500 kV、±660 kV、±800 kV、±1 100 kV 等。

（3）额定功率和电流。目前柔性直流工程换流阀多数都使用基于IGBT 的MMC 拓扑结构。为了降低损耗、节约成本、提高整体可靠性，需要串联的子模块尽量少、通流能力尽量大、耐压水平尽量高。根据当前设备制造水平，柔性直流输电各电压等级对应的额定参数表见表3。

表3 柔性直流电压、电流、功率表

根据国内外已建及在建的柔直工程情况，±400 kV 及以下电压等级可作为我国海上柔性直流换流站的近期电压等级选择范围；远景则可采用±500 kV 及以上电压等级。

3.3 适用于福建省的大规模海上风电柔性直流换流站规模

福建省远海海上风电规划单座场区装机规模900 MW～7 200 MW，离岸距离54 km～200 km，换流站的电压建议初期以±320 kV、±400 kV 为主，换流站单个阀厅规模按1 200 MW～1 600 MW，具体如表4 所示。待设备制造工艺和产品质量提高、建设成本下降、建设和运维经验丰富后，适时扩大直流电压等级和规模，具体根据实际的海上风电场群规模而定。

表4 近期柔性直流换流站规模选择

3.4 进出线规模

（1）交流侧。取决汇集的海上升压站数量和各自送出回路数。

（2）直流侧。对于两端直流输电方式或多馈入多馈入直流输电方式，高压侧直流海缆回路数与柔性直流换流单位的数量相一致；对于多端直流输电并网方式，需根据汇集直流模块数量、增加直流出线间隔。

3.5 电气主接线

（1）交流侧。根据进线数量，可考虑双母线、双母线单/双分段、一个半断路器接线方式等。

（2）直流侧。包括对称单极和对称双极接线2 种。国内外已建、在建海上风电柔直项目均采用对称单极接线方式，有成熟的建设运行经验，根据统计，对称单极的可用率一般可达到97%及以上。同时，对称单极接线设备与电缆数量少，减少换流站与海域使用面积，经济可靠。因此，本文同样推荐福建省近期所规划新建海上柔直换流站采用对称单极接线方式。

4 直流海缆的选型

由于柔性直流输电系统切除直流侧故障时比较困难，因此已建成的柔性直流工程线路大多数采用直流电缆以降低故障率。与交流电缆相比，直流电缆的导体没有集肤效应和邻近效应，即使输送很大电流，也不必采用复杂的分裂导体结构。

用于直流输电的海底直流电缆主要有挤包式绝缘电缆和绕包式绝缘电缆。随着挤包式直流XLPE 绝缘电缆在空间及界面电荷积聚、温度梯度效应等因素引起的绝缘老化和破坏这一关键问题的逐步解决，XLPE 直流电缆将成为未来柔性直流输电系统中直流电缆市场的主流产品。根据部分直流（光电复合）海缆电压等级、导线截面和输送能力如表5 所示。

表5 直流海缆输送功率 单位：MVA

5 结论及建议

（1）本文综合海上风电规模、输送距离、海缆输送能力、经济性、实际工程经验等因素，分析海上风电的外送输电方式，重点研究柔性直流技术的适用条件。对于大规模海上风电，柔性直流输电在大容量远距离输电以及交直流互联电网安全可靠性等方面将得到加强，柔性直流输电工程以及柔性直流电网将得到更广泛的应用。

（2）本文提出海上风电柔性直流换流站的并网方式、电压等级、进出线规模、电气主接线等关键方面，以及海缆选型；结合福建省海上风电发展规划，提出适用于福建省的大规模海上风电汇集外送的输电方式。

（3）根据研究结论，当风电场离岸输电距离在60 km 以内时，建议采用交流输电方案；若整个场区风电装机规模较大，可考虑分散送出。当容量800 MW 及以上大规模风电场汇集外送且输电距离超过70 km，建议采用柔性直流输电方案；电压等级需根据装机规模进行论证和选择。输电距离在60 km～70 km时，需结合实际工程情况进行交直流输电方案比选分析。