岱山海域潮流能發電并網示范工程設計方案分析

李世強，俞恩科，何旭濤，鄭新龍，盧志飛

（國網浙江省電力公司舟山供電公司，浙江 舟山 316000）

岱山海域潮流能發電并網示范工程設計方案分析

李世強，俞恩科，何旭濤，鄭新龍，盧志飛

（國網浙江省電力公司舟山供電公司，浙江 舟山 316000）

岱山海域潮流能發電并網電力系統是國內首個實現潮流能發電并網商業化運行的示范工程，標志著我國向商業化潮流能發電邁出了關鍵的一步。從接入系統方案、系統電氣計算分析、海纜工程設計3方面入手，詳細闡述了岱山海域潮流能發電并網設計技術方案的可行性及存在的問題，并給出了初步解決方案，為該工程的最終實施提供了技術支持。

潮流能發電；并網；設計；海纜工程；商業化運行

0 引言

海洋是人類的資源寶庫。隨著海洋技術的發展，除了礦產和漁業資源，海風、波浪、潮汐、潮流等海洋可再生能源，都可用于緩解人類面臨的能源危機。目前，開發和利用海洋資源已上升到國家戰略層面，海洋可再生能源無疑是其中的重要組成部分。潮流能發電是一種新型的潮流能利用技術，直接利用潮漲潮落的水流沖擊葉輪機械裝置進行發電。潮流能發電無需建設攔海堤壩，從而降低了建設投資，也大大縮短了建設周期，且兼具良好的生態友好特性和經濟性[1，2]。舟山群島一帶大部分海域潮流流速為2～4 m/s，其可開發利用的潮流能占全國的50%以上。就岱山秀山島海域的龜山水道而言，如將它蘊藏的潮流能轉換成裝機容量，理論上相當于3.9個長江三峽電站。

1 示范工程項目概況

岱山海域潮流能發電并網示范工程的發電裝置主要采用AR1000TM型渦輪機，該型渦輪機由新加坡亞特蘭蒂斯資源有限公司（以下簡稱“ARC”）研發，是世界上最先進的潮流能渦輪發電機，裝機容量為1 MW。裝機臺數為1臺，安裝在岱山秀山島海域的龜山水道上，發電裝置發出的電通過海底電纜傳輸，海底電纜長度約為2 km，連接至位于秀山島上的潮流能配電站，升壓后通過長度約4 km的10 kV輸電線路并入電網運行。年平均發電量在2 000 MWh以上。

2 示范工程并網設計方案分析

2.1 接入系統設計方案

示范工程位于岱山秀山島海域，考慮接入系統就近原則，故接入秀山島內變電站較為合適。目前，秀山島已建成投運的110 kV變電站有3座，其中蘭秀變電站為公用變電站，其余2座為用戶變電站。根據國家電網公司企業標準《分布式電源接入系統規定》和《國家電網公司關于印發分布式電源接入系統典型設計的通知》，1～6 MW統購統銷分布式電源一般采用1回10 kV電壓等級專線接入公共電網變電站10 kV母線，因本工程裝機容量為1 MW，故考慮采用10 kV電壓等級送入110 kV蘭秀變電站10 kV側，就地平衡當地負荷。

同時，根據本潮流能發電示范工程的發電能力，綜合考慮年平均發電量在2 000 MWh以上、年發電利用小時數不超出 3 000 h等因素，按1.65 A/mm2經濟電流密度可計算得出，10 kV送出線路的經濟電流截面約為35 mm2，考慮接入電網架空導線輸送容量預留適當裕度，推薦采用50 mm2架空導線。同時，根據輸送容量，考慮交流海纜采用3×120 mm2截面。

2.2 接入系統電氣計算分析

2.2.1 潮流計算分析

目前，蘭秀變電站主變壓器容量為 1×5+ 0.63（冷備）萬kVA，常石變電站主變壓器容量為2×1.6萬kVA，惠生變電站主變壓器容量為 2× 1.25萬kVA。根據岱山電網運行方式，正常方式下，蘭秀變電站通過舟山電廠——蘭秀1回線受電，并轉供常石變電站及惠生變電站負荷。

計算中考慮全網峰、腰、谷負荷，其中腰負荷按峰負荷的90%考慮，谷負荷按峰負荷的60%考慮；常石變電站、惠生變電站為用戶變電站，考慮到生產需要，峰、腰、谷負荷均按滿負荷考慮。峰負荷、腰負荷時岱山電網功率因數取0.92，谷負荷功率因數取0.95。考慮到分布式電站接入電網，與電網保持無功功率零交換的目標，本示范工程潮流計算中，潮流能發電按站內無功功率自我平衡后向電網注入有功功率考慮。計算結果如下：

（1）潮流能升壓站主變壓器分接頭暫考慮置于11.0+2×2.5%/3.4 kV檔。

（2）正常峰負荷時，潮流能發電機組滿出力，配電站母線電壓為10.51/3.30 kV。峰負荷狀態下，潮流能發電機組出力60%，配電站母線電壓為10.51/3.30 kV。

（3）正常腰負荷時，潮流能發電機組滿出力，配電站母線電壓為10.49/3.30 kV。

（4）正常谷負荷時，潮流能發電機組滿出力，配電站母線電壓為10.54/3.31 kV。

綜上分析，示范工程并網后，正常峰負荷潮流如圖1所示，潮流分布合理，電網運行安全、穩定。

圖1 投運后正常峰負荷潮流（潮流能滿出力）

2.2.2 短路電流計算分析

考慮示范工程近期投運，根據接入系統方案，通過1回線路接入110 kV蘭秀變電站10 kV母線，目前，蘭秀變電站主變壓器容量為1×5+0.63（冷備）萬kVA。

暫考慮示范工程采用阻抗電壓百分比為4%的升壓變壓器，根據計算結果，示范工程配電站10 kV母線三相短路電流約為13.5 kA，蘭秀變電站10 kV母線三相短路電流約為21.2 kA，滿足設備安全運行需要。

遠景年，蘭秀變電站主變壓器容量為2×5萬kVA，示范工程配電站接入電網方式不變，配電站10 kV母線三相短路電流約為15.5 kA，滿足系統設備的安全運行需要。

綜上分析，示范工程并網后短路電流滿足電氣設備安全運行要求。

2.2.3 潮流配電站電氣主接線分析

示范工程潮流能發電系統的發電機由在潮流中旋轉的葉片和永磁發電機（PMG）組成，發電機將產生額定電壓為3.8 kV的變頻交流電，并連接到PCS1000變流器，變流器由發電機側INU（逆變器單元）、直流電連接和電網側的ARU（整流單元）組成。

根據分析，結合10 kV配電網電氣主接線的一般型式，潮流能陸上配電站建議采用單母線接線，主接線如圖2所示。

圖2 潮流能發電配電站主接線

2.3 并網工程線路設計方案分析

示范工程線路部分的設計分海中段和陸上段2部分，其中海中段是本次設計的重點。擬選線路路由為從潮流能發電渦輪機至陸上潮流能配電站，路由總長度約1 920 m，其中陸上部分從登陸點至變電站的長度約230 m，海底電纜路由長度1 690 m。路由位于秀山島海域，地形地貌復雜，將對示范工程的設計、施工造成一定影響。

2.3.1 登陸點地形地貌分析

綜合考慮周邊地理環境和人文因素，示范工程的海纜登陸點擬選位置位于秀山島北客運站東側山體小型灣岙內。該處地貌屬于自然海岸段，海岸線大部分平直，基本呈東西走向，西中部建有標準海塘，岸線前沿約25 m區域為砂礫岸灘，低潮時均露出海床。岸線后方為山谷，兩側隆起、中部下陷，植被較為茂盛，后方山體頂部為正在施工建設的示范工程配電站。

就登陸點周邊地理環境來看，該登陸點位置較合理。首先，解決了施工材料的運輸問題，同時也方便施工船靠岸；其次，從海纜日后運行來看，該岙口屬于無人區，且沒有張網區，可有效避免海纜運行后受外力破壞；最后，海纜登陸處地質為砂礫岸灘，適合電纜溝的開挖和鋪設。

2.3.2 海纜路由海中段海底地形地貌分析

示范工程海纜預選路由海底部分的地形存在一定起伏變化，渦輪機安裝在北部巖礁上，中部為龜山水道深槽區，南面地形呈一定坡度上升至海岸，中間有大面積巖礁分布。總體而言，路由區海底地形呈兩側不對稱的V字型航槽地貌格局。水深基本在50 m，最大水深達85 m，坡度達140°。

經勘測，海域底質類型主要可歸納為2種，即巖礁區和泥混砂質分布區，路由大部分區域以基巖為主，地層性質穩定，常年受強烈海流沖刷作用影響；少部分區域存在泥沙或砂貝沉積，位于基巖兩側邊坡，基本呈灘地落淤、通道沖刷的地貌形態。

從已知海纜預選路由地形地貌及底質情況來看，在海纜敷設及運行中都會有一定困難。首先，地形不規則的高低起伏，會使海纜存在一定區域的懸空段，而懸空區域又是基巖，在海流的作用下海纜會直接與基巖摩擦，從而造成損害；其次，該處水流很急，水深較深，海纜在敷設過程中會有很多不可控的潛在風險，同時也極易造成海纜實際敷設位置與預選路由的偏離；最后，該處底質大部分是基巖，錨損與基巖磨損是海纜受損的最主要“殺手”，據統計，95%的海纜破壞都是由其產生。這種不良底質的存在，將給海纜日后運行造成很大風險。

綜上分析，海纜預選路由地形地貌及底質情況不理想。但考慮到潮流能渦輪機安裝位置及周邊海域情況，海纜預選路由通道已是最佳通道。鑒于此，設計認為必須做好以下3件事，才能保證示范工程的順利投運，保障海纜的安全運行：

（1）解決海纜在基巖區的附加保護。根據舟山電網多年來的海纜工程設計及運行經驗，有3種方式：第一，基巖開槽，通過爆破的方式把海纜敷設區域下的基巖炸平并形成溝槽狀，將海纜放置溝內。第二，水下拋石，在海纜敷設完后，用石塊將基巖區的海纜四周蓋住。第三，套保護管，即在海纜外面加裝耐磨、耐腐、強度高的不銹鋼保護套管。上述3種方式中，第一、第二種方案對海纜的保護效果最好，基本能消除基巖造成的損傷，但方案可操作性不強，主要原因是作業難度較大、施工價格昂貴，而第三種方式則具有可操作性，但就本工程來說還需進一步改進，為使海纜套上保護管后在海底減少移動從而避免與基巖長期摩擦，應在一定間距內附加重力錨進行錨固，或在敷設時每隔數米在保護管上連1塊重力塊，使海纜沉入海底后不隨洋流移動，從而有效保護海纜。

（2）解決海纜施工方面的難題。本示范工程海纜路由區域的流速較大，極易使施工船偏離預選軌道，也會在敷設過程中帶來海纜受損的風險。同時，海纜敷設時要邊敷設邊套保護裝置，將大大增加施工難度，就國內海纜施工能力來看，極具挑戰性。因此，施工單位應根據工程特點，對每個重要環節制定相應的技術方案及保障措施。

（3）解決海纜運行后受外力破壞的風險。示范工程海纜路由直接穿過龜山水道和瓦窯門山即秀山航道，該航道的運輸船及漁船眾多，為避免海纜受到船舶拋錨及其他破壞外力，需進一步加大該條海纜的監控措施。除了設立警示裝置外，還需建立1套綜合在線監控系統，該監控系統應涵蓋AIS（船舶識別系統）、遠程視頻監控系統、雷達及紅外成像等，從根本上杜絕船舶的外力破壞。

3 結語

目前，該潮流能發電示范工程并網接入電力系統尚處可研階段，根據分析，工程建設最大的制約因素是海纜輸電線路的施工，只有順利解決海纜工程中存在的問題，示范工程才能得以順利實施。

目前擬采取的方法是：

（1）海纜選型：采用雙層鎧裝結構，增大抗摩擦性能。

（2）施工船：根據流速，將采用與之匹配的帶動力定位系統的施工船，以保證海纜敷設路由與設計相符。

（3）海纜保護：基巖區域安裝不銹鋼保護管，同時附加重力錘固定，使之在海底不會受洋流影響而來回移動，減少海纜摩擦。

（4）監控：采用海纜內部監控與外部監控相結合的方式，建立1套綜合在線監測系統。外部監控將采用AIS、紅外成像、雷達、視頻監控等設備；內部監控含海纜溫度、擾動、故障等。目前，該方案已初步得到業主單位及專家的認可。

示范工程一旦順利投運，將成為我國首個潮流能發電并實現商業化并網運行的工程。它的投運，可作為今后研究實現大容量、高電壓等級并網的技術支撐，充分發揮潮流能發電的優勢，有效解決能源瓶頸問題，還可以節約能源及減少二氧化碳排放。示范工程投運后每年將至少節省標煤600 t，減少二氧化碳排放1 900 t。

通過該示范工程的實施，可以進一步消化、吸收世界先進技術，大大加快我國潮流能開發利用技術的產業化進程，縮短與西方發達國家在潮流能開發利用技術上的差距，進而實現我國潮流能開發利用技術的自主創新和裝置的完全國產化，降低建設成本，以實現我國潮流能發電的大規模開發利用。

[1]張勇，崔蓓蓓，邱宇晨，等.潮流發電—一種開發潮汐能的新方法[J].能源技術，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網電力系統示范工程海底電纜管道路由勘測報告[R].杭州：浙江華東建設工程有限公司，2014.

[4]舟山市岱山海域海洋能并網電力系統示范工程可行性研究報告[R].重慶：中國新時代國際工程公司，2012.

[5]李程，鐘宇軍，彭明偉，等.浙江舟山群島新區電網規劃思路和發展模式研究[J].浙江電力，2014，33（10）:11-13.

（本文編輯：龔 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

李世強（1983），男，工程師，主要從事海洋輸電設計及相關技術研究工作。