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海上风电怎样迈向深水远海?关键要有这项并网技术
2020-11-18
 大规模发展海上风电已成为我国深入推进能源转型、促进大气污染防治的重要手段之一。我国海上风电起步晚、发展快。据预测,2023年我国海上风电累计装机容量将突破千万千瓦,市场发展前景巨大。如何实现大容量远海风电跨海输送和安全可靠并网,是电力行业亟待解决的关键技术难题。
 
远海风电:未来海上风电发展的主战场
 
目前,我国已核准的海上风电项目以离岸距离小于50千米、装机容量20万千瓦~40万千瓦的近海项目为主。然而,受生态环境保护、交通航道占用等因素影响,近海风电项目的站址资源日趋紧张。
 
相比之下,远海具有更广阔的海域资源和更庞大的风能储量,开发潜力巨大。随着远海风电并网技术的不断进步及高效利用风能资源的需求日益增长,海上风电远海化发展是必然趋势,远海风电将成为未来海上风电发展的主战场。
 
纵观全球,以英国、德国为代表的欧洲等国正在加快布局,推动远海风电发展。2019年,欧洲在建的海上风电项目平均离岸距离59千米,目前已开标的项目中,最远的离岸距离达220千米。
 
近年来,我国远海风电发展逐渐起步。统一优化远海海域资源连片开发、探索推动百万千瓦级远海风电集中送出成为引导我国海上风电高质量发展的新路径。未来我国海上风电平均离岸距离预计超过100千米,2050年我国远海风电装机规模有望达到4000万千瓦。
 
位于江苏省如东县掘苴垦区的海上风电场。章亚运 摄
 
柔性直流:远海风电可靠并网的首选方案
 
海上风电并网的典型技术路线包括常规交流送出、低频交流送出和柔性直流送出等。
 
常规交流送出技术具有结构简单、成本较低、无需电能变换、工程经验丰富等特点,现阶段绝大多数近海风电并网均采用该技术路线。但在大容量远海风电并网的应用场景下,交流电缆电容效应会大大增加无功损耗,降低电缆的有效负荷能力。若采用常规交流送出方式则需在海底电缆中途增设中端补偿站,通过并联电抗器补偿。这会带来运维检修困难、整体经济性降低等问题。
 
低频交流送出技术可通过降低频率提高交流电缆的有效传输功率。但该技术尚面临大容量交流变频器研制、电气设备低频匹配性设计、变压器低频磁饱和抑制等难题,仍处于理论研究阶段。
 
和常规交流送出、低频交流送出技术相比,柔性直流送出技术采用直流电缆输电,避免了交流电缆充电功率造成的输送距离受限问题,同时具备有效隔离陆上交流电网与海上风电场的相互影响、可为海上风电场提供稳定的并网电压、系统运行方式调控灵活等技术优势,是远海风电可靠并网的首选技术方案,也是目前唯一具有工程实践经验的大规模远海风电并网方案。
 
和传统的陆上柔性直流输电工程不同,远海风电经柔性直流送出工程海上平台空间布局紧张、环境恶劣、运行维护工况复杂,对柔性直流换流站轻型化、紧凑化及防污性、可靠性的要求更高。柔性直流送出工程成套设计面临站内电气接线、设计布局、设备选型及源网协调控制等一系列问题。
 
要实现远海风电经柔性直流送出,亟须解决高电压大容量系统与紧凑化轻型化平台之间存在矛盾的问题,攻克直流海缆绝缘水平优化提升、海上风电输出能量波动大且对柔性直流系统故障穿越要求高、主设备适海性技术要求与试验方案无可借鉴经验等技术难关。
 
长期以来,远海风电经柔性直流送出技术掌握在欧洲少数国家手中,制约了我国远海风电规模化发展进程。只有加强对适海性柔性直流输电技术的研究储备,引领我国远海风电并网关键技术发展,才能确保我国远海风电“送得出、落得稳”。
 
为了打破远海风电经柔性直流送出技术被国外垄断的局面,2013年开始,国网经济技术研究院有限公司调配技术骨干开展远海风电经柔性直流传输和并网关键技术攻关。依托国家能源特高压直流输电工程成套设计研发(实验)中心优势,国网经研院研发了柔性直流输电设计核心工具软件和涵盖新能源发电的柔性直流实时仿真系统,掌握了一系列具有完全自主知识产权的创新成果。
 
技术应用:首个远海风电经直流送出工程落地实施
 
今年2月份,我国首个远海风电经直流送出项目——江苏如东海上风电柔性直流工程正式开工建设。我国海上风电向深水远海迈出坚实一步。
 
该工程连接江苏如东东部黄沙洋海域3个风电场,总装机规模1100万千瓦,额定直流电压±400千伏,通过约99千米海缆和9千米陆地电缆实现远海风电送出,计划于2021年投运。该工程是目前世界范围内在建的电压等级最高、输送容量最大的远海风电柔性直流工程。
 
该工程由国网经研院承担成套设计和系统调试工作。面对海上建设风电场、换流平台等对柔性直流输电系统设计带来的新挑战,国网经研院成立项目攻关团队,开展方案论证与仿真计算,提出远海风电经柔性直流送出工程的主接线典型范式、降低设备制造难度和工程投资水平的绝缘配合方案、风电场-柔性直流系统-耗能装置分级协调的故障穿越控制体系及柔性直流系统全套主设备适海性技术规范,形成了满足接线紧凑化、设备轻型化、运维远程/无人化、高可靠性、适应极端恶劣环境等特殊要求的成套设计技术方案。
 
由该院牵头提出的系统调试方案考虑了海上平台空间承重受限、海洋工程基地试验电源不足、陆上接入变电站工期滞后、系统运行方式复杂多变等多重困难,使系列化创新型技术成果在远海风电经柔性直流送出工程中的落地成为可能,为推动远海风电高效开发与并网消纳提供了可行方案。
 
工程成套设计在工程安全和可靠设计的前提下聚焦设备国产化,其标准和规范的制订带动了我国直流装备制造业的发展。目前,我国已自主攻克具有国际领先水平的高绝缘大电流直流海缆、大容量直流耗能装置及高电压大电感接地电抗器等核心“卡脖子”设备的设计研发难题,提高了远海风电直流装备制造业的自主创新能力和国际竞争力。
 
江苏如东远海风电项目全面建成投运后,年上网电量可达33亿千瓦时,相当于135万户家庭一年的用电量。与同等规模的燃煤电厂相比,该项目每年可节约标准煤100万吨,减排二氧化碳约250万吨,节约淡水约980万立方米。
 
国网经研院将加大远海风电并网关键技术攻关力度,推动海上直流电网等面向未来远海风电发展需求的前沿技术创新,努力建成具有世界先进水平的远海风电柔性直流传输并网技术体系,为远海风电大规模集约开发与并网提供更可靠、更经济的解决方案。(作者:乐波 赵峥 田园园 作者单位:国网经济技术研究院有限公司)
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