遠海風電可靠并網(wǎng)的首選方案 海上風電并網(wǎng)的典型技術路線包括常規(guī)交流送出、低頻交流送出和柔性直流送出等。我國首個遠海風電經(jīng)直流送出項目——江蘇如東海上風電柔性直流工程正式開工建設。遠海風電經(jīng)柔性直流送出技術掌握在歐洲少數(shù)國家手中。
大規(guī)模發(fā)展海上風電已成為我國深入推進能源轉型、促進大氣污染防治的重要手段之一。我國海上風電起步晚、發(fā)展快。據(jù)預測，2023年我國海上風電累計裝機容量將突破千萬千瓦，市場發(fā)展前景巨大。如何實現(xiàn)大容量遠海風電跨海輸送和安全可靠并網(wǎng)，是電力行業(yè)亟待解決的關鍵技術難題。
位于江蘇省如東縣掘苴墾區(qū)的海上風電場 章亞運 攝
遠海風電：未來海上風電發(fā)展的主戰(zhàn)場
目前，我國已核準的海上風電項目以離岸距離小于50千米、裝機容量20萬千瓦～40萬千瓦的近海項目為主。然而，受生態(tài)環(huán)境保護、交通航道占用等因素影響，近海風電項目的站址資源日趨緊張。
相比之下，遠海具有更廣闊的海域資源和更龐大的風能儲量，開發(fā)潛力巨大。隨著遠海風電并網(wǎng)技術的不斷進步及高效利用風能資源的需求日益增長，海上風電遠海化發(fā)展是必然趨勢，遠海風電將成為未來海上風電發(fā)展的主戰(zhàn)場。
縱觀全球，以英國、德國為代表的歐洲等國正在加快布局，推動遠海風電發(fā)展。2019年，歐洲在建的海上風電項目平均離岸距離59千米，目前已開標的項目中，最遠的離岸距離達220千米。
近年來，我國遠海風電發(fā)展逐漸起步。統(tǒng)一優(yōu)化遠海海域資源連片開發(fā)、探索推動百萬千瓦級遠海風電集中送出成為引導我國海上風電高質量發(fā)展的新路徑。未來我國海上風電平均離岸距離預計超過100千米，2050年我國遠海風電裝機規(guī)模有望達到4000萬千瓦。
柔性直流：遠海風電可靠并網(wǎng)的首選方案
海上風電并網(wǎng)的典型技術路線包括常規(guī)交流送出、低頻交流送出和柔性直流送出等。
常規(guī)交流送出技術具有結構簡單、成本較低、無需電能變換、工程經(jīng)驗豐富等特點，現(xiàn)階段絕大多數(shù)近海風電并網(wǎng)均采用該技術路線。但在大容量遠海風電并網(wǎng)的應用場景下，交流電纜電容效應會大大增加無功損耗，降低電纜的有效負荷能力。若采用常規(guī)交流送出方式則需在海底電纜中途增設中端補償站，通過并聯(lián)電抗器補償。這會帶來運維檢修困難、整體經(jīng)濟性降低等問題。
低頻交流送出技術可通過降低頻率提高交流電纜的有效傳輸功率。但該技術尚面臨大容量交流變頻器研制、電氣設備低頻匹配性設計、變壓器低頻磁飽和抑制等難題，仍處于理論研究階段。
和常規(guī)交流送出、低頻交流送出技術相比，柔性直流送出技術采用直流電纜輸電，避免了交流電纜充電功率造成的輸送距離受限問題，同時具備有效隔離陸上交流電網(wǎng)與海上風電場的相互影響、可為海上風電場提供穩(wěn)定的并網(wǎng)電壓、系統(tǒng)運行方式調控靈活等技術優(yōu)勢，是遠海風電可靠并網(wǎng)的首選技術方案，也是目前唯一具有工程實踐經(jīng)驗的大規(guī)模遠海風電并網(wǎng)方案。
和傳統(tǒng)的陸上柔性直流輸電工程不同，遠海風電經(jīng)柔性直流送出工程海上平臺空間布局緊張、環(huán)境惡劣、運行維護工況復雜，對柔性直流換流站輕型化、緊湊化及防污性、可靠性的要求更高。柔性直流送出工程成套設計面臨站內電氣接線、設計布局、設備選型及源網(wǎng)協(xié)調控制等一系列問題。
要實現(xiàn)遠海風電經(jīng)柔性直流送出，亟須解決高電壓大容量系統(tǒng)與緊湊化輕型化平臺之間存在矛盾的問題，攻克直流海纜絕緣水平優(yōu)化提升、海上風電輸出能量波動大且對柔性直流系統(tǒng)故障穿越要求高、主設備適海性技術要求與試驗方案無可借鑒經(jīng)驗等技術難關。
長期以來，遠海風電經(jīng)柔性直流送出技術掌握在歐洲少數(shù)國家手中，制約了我國遠海風電規(guī)模化發(fā)展進程。只有加強對適海性柔性直流輸電技術的研究儲備，引領我國遠海風電并網(wǎng)關鍵技術發(fā)展，才能確保我國遠海風電“送得出、落得穩(wěn)”。
為了打破遠海風電經(jīng)柔性直流送出技術被國外壟斷的局面，2013年開始，國網(wǎng)經(jīng)濟技術研究院有限公司調配技術骨干開展遠海風電經(jīng)柔性直流傳輸和并網(wǎng)關鍵技術攻關。依托國家能源特高壓直流輸電工程成套設計研發(fā)（實驗）中心優(yōu)勢，國網(wǎng)經(jīng)研院研發(fā)了柔性直流輸電設計核心工具軟件和涵蓋新能源發(fā)電的柔性直流實時仿真系統(tǒng)，掌握了一系列具有完全自主知識產(chǎn)權的創(chuàng)新成果。
技術應用：首個遠海風電經(jīng)直流送出工程落地實施
今年2月份，我國首個遠海風電經(jīng)直流送出項目——江蘇如東海上風電柔性直流工程正式開工建設。我國海上風電向深水遠海邁出堅實一步。
該工程連接江蘇如東東部黃沙洋海域3個風電場，總裝機規(guī)模1100萬千瓦，額定直流電壓±400千伏，通過約99千米海纜和9千米陸地電纜實現(xiàn)遠海風電送出，計劃于2021年投運。該工程是目前世界范圍內在建的電壓等級最高、輸送容量最大的遠海風電柔性直流工程。
該工程由國網(wǎng)經(jīng)研院承擔成套設計和系統(tǒng)調試工作。面對海上建設風電場、換流平臺等對柔性直流輸電系統(tǒng)設計帶來的新挑戰(zhàn)，國網(wǎng)經(jīng)研院成立項目攻關團隊，開展方案論證與仿真計算，提出遠海風電經(jīng)柔性直流送出工程的主接線典型范式、降低設備制造難度和工程投資水平的絕緣配合方案、風電場-柔性直流系統(tǒng)-耗能裝置分級協(xié)調的故障穿越控制體系及柔性直流系統(tǒng)全套主設備適海性技術規(guī)范，形成了滿足接線緊湊化、設備輕型化、運維遠程/無人化、高可靠性、適應極端惡劣環(huán)境等特殊要求的成套設計技術方案。
由該院牽頭提出的系統(tǒng)調試方案考慮了海上平臺空間承重受限、海洋工程基地試驗電源不足、陸上接入變電站工期滯后、系統(tǒng)運行方式復雜多變等多重困難，使系列化創(chuàng)新型技術成果在遠海風電經(jīng)柔性直流送出工程中的落地成為可能，為推動遠海風電高效開發(fā)與并網(wǎng)消納提供了可行方案。
工程成套設計在工程安全和可靠設計的前提下聚焦設備國產(chǎn)化，其標準和規(guī)范的制訂帶動了我國直流裝備制造業(yè)的發(fā)展。目前，我國已自主攻克具有國際領先水平的高絕緣大電流直流海纜、大容量直流耗能裝置及高電壓大電感接地電抗器等核心“卡脖子”設備的設計研發(fā)難題，提高了遠海風電直流裝備制造業(yè)的自主創(chuàng)新能力和國際競爭力。
江蘇如東遠海風電項目全面建成投運后，年上網(wǎng)電量可達33億千瓦時，相當于135萬戶家庭一年的用電量。與同等規(guī)模的燃煤電廠相比，該項目每年可節(jié)約標準煤100萬噸，減排二氧化碳約250萬噸，節(jié)約淡水約980萬立方米。
國網(wǎng)經(jīng)研院將加大遠海風電并網(wǎng)關鍵技術攻關力度，推動海上直流電網(wǎng)等面向未來遠海風電發(fā)展需求的前沿技術創(chuàng)新，努力建成具有世界先進水平的遠海風電柔性直流傳輸并網(wǎng)技術體系，為遠海風電大規(guī)模集約開發(fā)與并網(wǎng)提供更可靠、更經(jīng)濟的解決方案。
（作者單位：國網(wǎng)經(jīng)濟技術研究院有限公司）
