海上風(fēng)電送出與就地消納技術(shù)差異綜述

葛維春，張?jiān)娿g，崔岱，李欣蔚，劉闖，楚帥

(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司, 沈陽(yáng) 110006； 2.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 吉林 吉林 132012；3. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 沈陽(yáng) 110870)

0 引 言

為實(shí)現(xiàn)“2030碳達(dá)峰”與“2060碳中和”目標(biāo)，建設(shè)以新能源作為主體電源的新型電力系統(tǒng)[1-2]，大力發(fā)展風(fēng)電、太陽(yáng)能等新能源已成為推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略的重要手段[3-4]。我國(guó)海面疆域幅員遼闊，海上風(fēng)能總量豐富，在水深5 m～50 m區(qū)間內(nèi)海上風(fēng)電可開發(fā)容量約5億kW[5]，海上風(fēng)電的開發(fā)具有一定優(yōu)勢(shì)。此外，海上風(fēng)電相較于陸地風(fēng)電具有發(fā)電利用小時(shí)數(shù)高、風(fēng)速更穩(wěn)定、設(shè)備利用率高等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)成為新能源重要發(fā)展方向[6-7]。2021年1月～9月，我國(guó)海上風(fēng)電發(fā)電量達(dá)210.8億kWh，總并網(wǎng)容量約1318.6萬(wàn)kW，新增并網(wǎng)容量約419.88萬(wàn)kW，裝機(jī)規(guī)模躍居全球首位[8]。然而海上風(fēng)電存在建造成本高、施工難度大等問題[9]，同時(shí)風(fēng)電的強(qiáng)隨機(jī)性、間歇性等特性[10]，增加了海上風(fēng)電的并網(wǎng)難度[11]，降低了海上風(fēng)電利用率，制約了海上風(fēng)電的快速發(fā)展。為解決這一問題，可通過將海上風(fēng)電與海水淡化負(fù)荷直接耦合形成新系統(tǒng)，變輸電上岸為輸水上岸，為海上風(fēng)電發(fā)展提供全新思路。

風(fēng)速變化會(huì)影響海上風(fēng)電的出力特性，而風(fēng)電供能的穩(wěn)定性會(huì)影響海水淡化裝置產(chǎn)水能力[12]。目前已經(jīng)有學(xué)者針對(duì)風(fēng)電與海水淡化裝置的耦合方式進(jìn)行了諸多研究。文獻(xiàn)[13]考慮了風(fēng)力渦輪機(jī)的類型與數(shù)量，建立了一種基于風(fēng)-柴油-電池組合供應(yīng)的海水淡化系統(tǒng)的運(yùn)行設(shè)計(jì)模型，降低了系統(tǒng)的規(guī)劃成本；文獻(xiàn)[14]應(yīng)用混合整數(shù)線性規(guī)劃運(yùn)算方法，開發(fā)了基于混合太陽(yáng)能-風(fēng)能供電系統(tǒng)的反滲透海水淡化裝置的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)天氣條件變化實(shí)現(xiàn)反滲透海水淡化廠的最低成本運(yùn)行并為地區(qū)提供淡水；文獻(xiàn)[15]考慮了海水淡化廠運(yùn)行中電池存儲(chǔ)、水存儲(chǔ)以及與智能電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)能量交換間平衡關(guān)系，提出了一種由風(fēng)-光-電池組合供電并與智能電網(wǎng)結(jié)合的海水淡化廠系統(tǒng)運(yùn)行方法，降低了海水淡化廠的總生命周期成本，提高了海水淡化系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；文獻(xiàn)[16]基于單一能源獲取方法，發(fā)電系統(tǒng)以風(fēng)電為主體，潮流能與光伏作為輔助，建立一種發(fā)電、儲(chǔ)能和海水淡化相互耦合的島嶼能源循環(huán)系統(tǒng)，可促進(jìn)海島智能發(fā)展與高效利用。上述文獻(xiàn)著重研究了海水淡化技術(shù)通過與多能源耦合與采用蓄能手段等方式平抑風(fēng)電的波動(dòng)性，通過各能源與儲(chǔ)能裝置間相互協(xié)調(diào)提高海水淡化系統(tǒng)與風(fēng)電的適配性。

此外，可通過改進(jìn)風(fēng)能海水淡化系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)，改變其運(yùn)行方式，使其能夠有效跟隨風(fēng)電隨機(jī)波動(dòng)的輸出功率。例如，反滲透海水淡化系統(tǒng)在與風(fēng)電機(jī)組耦合時(shí)可通過控制反滲透處理單元的開關(guān)狀態(tài)與運(yùn)行數(shù)量來(lái)適應(yīng)風(fēng)電不同時(shí)刻的能量變化，維持海水淡化機(jī)組在恒定運(yùn)行參數(shù)下運(yùn)行。目前針對(duì)風(fēng)能海水淡化控制系統(tǒng)[17]、優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行策略[18]等方面已進(jìn)行大量研究；文獻(xiàn)[19]對(duì)比了風(fēng)電供電模式下的分布式供水系統(tǒng)與由模塊化反滲透海水淡化廠和集中式儲(chǔ)水系統(tǒng)組成的集中式供水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)果表明集中式供水系統(tǒng)在滿足全島的用水需求前提下，可有效提升新能源的年滲透率；文獻(xiàn)[20]考慮海水淡化技術(shù)的運(yùn)行特性與運(yùn)行邊界，以最大化消納棄風(fēng)為目標(biāo)，提出了一種以消納棄風(fēng)為目標(biāo)的海水淡化單元集群優(yōu)化調(diào)度策略，降低運(yùn)行成本并提高棄風(fēng)消納；文獻(xiàn)[21]對(duì)風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的小型海水反滲透系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，評(píng)估該系統(tǒng)在土耳其的伊姆羅茲島淡水生產(chǎn)的可行性。此外，海上風(fēng)電與海水淡化技術(shù)可同時(shí)提高沿海地區(qū)的風(fēng)能與海水資源利用率，改善生態(tài)環(huán)境污染現(xiàn)狀，提升沿海地區(qū)及海島的水資源供應(yīng)能力，具備促進(jìn)新能源發(fā)展和淡水資源開發(fā)的雙重意義。

文中通過介紹海上風(fēng)電與海水淡化技術(shù)現(xiàn)狀，挖掘了海上風(fēng)電輸水技術(shù)對(duì)非并網(wǎng)風(fēng)電的消納潛力，從經(jīng)濟(jì)、輸送能力以及作業(yè)難度等方面對(duì)比了海上風(fēng)電輸電與輸水送出方式的差異，考慮到海水淡化技術(shù)的靈活特性，總結(jié)了海上風(fēng)電驅(qū)動(dòng)海水淡化技術(shù)在提升電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)能力、促進(jìn)海上風(fēng)電多元化發(fā)展的優(yōu)勢(shì)。

1 海上風(fēng)電送出與海水淡化就地消納技術(shù)現(xiàn)狀

隨著海上風(fēng)電規(guī)模的不斷發(fā)展，尋求安全可靠經(jīng)濟(jì)的輸電方案是確保海上風(fēng)電高效利用和長(zhǎng)久發(fā)展的關(guān)鍵之一。此外，由于海水淡化技術(shù)可有效適應(yīng)風(fēng)電發(fā)電特性，利用非并網(wǎng)海上風(fēng)電直接進(jìn)行大規(guī)模海水淡化技術(shù)也不斷受到重視，該技術(shù)能夠降低電能外送造成的損耗，促進(jìn)海上風(fēng)電大規(guī)模應(yīng)用，同時(shí)可以緩解沿海地區(qū)淡水資源短缺難題，具有廣闊的發(fā)展前景。

1.1 海上風(fēng)電直接外送

常規(guī)的海上風(fēng)電輸電方式[22-23]主要為高壓交流輸電技術(shù)(High Voltage Alternating Current，HVAC)和高壓直流輸電技術(shù)(High Voltage Direct Current，HVDC)。HVAC可根據(jù)可靠性與經(jīng)濟(jì)性等實(shí)際情況，選取不同變電站主接線形式與不同電壓等級(jí)線路。此外，HVDC拓?fù)淇煞譃閮深?一類是基于電網(wǎng)換相換流器的常規(guī)高壓直流輸電技術(shù)(Line Commutated Converter，LCC);另一類是基于電壓源換流器的柔性直流輸電技術(shù)(Voltage Source Converter，VSC)。

1.1.1 高壓交流輸電

高壓交流輸電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)之一在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，海上風(fēng)電采用高壓交流送出方式的輸送原理如圖1所示。首先，風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能帶動(dòng)風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為交流電能，各風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電能經(jīng)集電系統(tǒng)全部匯集至海上變電站。其次，海上變電站通過主變壓器將機(jī)電系統(tǒng)電壓提升到110 kV或220 kV，減少線路的輸送損耗。最后，海底交流電纜將升壓后的電能輸送至陸地接入點(diǎn)，經(jīng)陸上變電站處理后接入電網(wǎng)。

由于交流電纜存在充電電容，在輸送電能時(shí)會(huì)產(chǎn)生無(wú)功功率，導(dǎo)致集電系統(tǒng)的出口電壓升高，高壓交流輸電需接入無(wú)功補(bǔ)償裝置[24]，通過吸收線路中的無(wú)功功率實(shí)現(xiàn)對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)輸出電能的電壓與功率因數(shù)調(diào)節(jié)作用，保證系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。此外，裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置可在系統(tǒng)故障時(shí)，改善系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

1.1.2 常規(guī)高壓直流輸電

風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出電能與電網(wǎng)負(fù)荷大部分為交流電，在采用直流輸電方式時(shí)需建設(shè)換流站。海上風(fēng)電高壓直流輸電原理如圖2所示。海上換流站可將集電系統(tǒng)匯集的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡偻ㄟ^直流海底電纜將直流電輸送至陸地?fù)Q流站，最后將輸送的直流電轉(zhuǎn)換為符合并網(wǎng)要求的交流電并連接入電網(wǎng)。

圖2 海上風(fēng)電常規(guī)高壓直流輸電結(jié)構(gòu)Fig.2 LCC-HVDC topology of offshore wind power

換流站作為高壓直流輸電的核心部分，在輸電系統(tǒng)中充當(dāng)整流與逆變的作用。一般高壓直流換流站普遍采用無(wú)關(guān)斷能力的晶閘管構(gòu)成的換流器和移相換流技術(shù)。與交流輸電方式相比，常規(guī)高壓直流輸電可以隔離海上風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)交流系統(tǒng)，削弱兩個(gè)交流系統(tǒng)間的影響程度，提高輸電穩(wěn)定性。此外，常規(guī)高壓直流輸電技術(shù)無(wú)需考慮并網(wǎng)同步問題，增加了輸電系統(tǒng)的靈活性與獨(dú)立性。但因換流站運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量諧波，增大了系統(tǒng)的投資成本與占地面積，制約了常規(guī)高壓直流輸電技術(shù)在海上風(fēng)電輸送方面進(jìn)一步發(fā)展。

1.1.3 柔性直流輸電

柔性直流輸電技術(shù)繼承了常規(guī)高壓直流輸電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)常規(guī)高壓直流輸電技術(shù)存在的不足進(jìn)行了改進(jìn)。柔性直流輸電技術(shù)的輸電方式與常規(guī)高壓直流輸電方式相近，具體過程如圖3所示。兩者間主要區(qū)別在于換流站的設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)。

圖3 海上風(fēng)電柔性直流輸電結(jié)構(gòu)Fig.3 VSC-HVDC topology of offshore wind power

柔性直流輸電的換流站主要包含全控型電力電子器件、電壓源換流器、閥電抗器等設(shè)備[25]。換流站一般采用兩電平、三電平及模塊化多電平等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過具備關(guān)斷能力的絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)等電子器件與脈寬調(diào)制控制技術(shù)(Pulse Width Modulation，PWM)可實(shí)現(xiàn)電壓、頻率、有功功率和無(wú)功功率的自動(dòng)調(diào)整[26-28]。此外，采用全控型器件可避免半控型器件存在的換向失敗問題，換流電抗器代替換流變壓器可降低諧波水平，省去對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置與濾波設(shè)備的安裝。該輸電方式在黑啟動(dòng)、故障處理方面也具有一定優(yōu)越性，在海上風(fēng)電輸電方面有一定優(yōu)勢(shì)。

1.2 海上風(fēng)電驅(qū)動(dòng)海水淡化技術(shù)

海上風(fēng)電可通過將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能與電能的方式驅(qū)動(dòng)海水淡化裝置生產(chǎn)淡水。其中，利用風(fēng)電直接轉(zhuǎn)化的機(jī)械能驅(qū)動(dòng)海水淡化裝置雖可避免能量轉(zhuǎn)換損失，但風(fēng)能自身的波動(dòng)性與隨機(jī)性會(huì)影響海水淡化裝置的穩(wěn)定性，技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)階段。與風(fēng)電結(jié)合的各類海水淡化技術(shù)中，反滲透技術(shù)相較于機(jī)械蒸汽壓縮和電滲析等技術(shù)產(chǎn)水能耗更低，更適合與風(fēng)電結(jié)合。目前，風(fēng)電驅(qū)動(dòng)反滲透海水淡化技術(shù)相對(duì)成熟，在多數(shù)國(guó)家已存在工程應(yīng)用。

1.2.1 反滲透海水淡化制水原理

反滲透海水淡化技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的淡化技術(shù)，其過程一般包含取水、預(yù)處理、反滲透以及后處理四個(gè)部分[29]，其基本原理如圖4所示。海水首先通過取水泵進(jìn)入預(yù)處理部分。經(jīng)絮凝，化學(xué)處理和過濾等預(yù)處理操作后，符合進(jìn)水要求的海水通過高壓泵加壓進(jìn)入反滲透模塊進(jìn)行處理，從而獲取淡水和濃鹽水。淡水經(jīng)過后處理加工供給居民生活飲用，濃鹽水經(jīng)由能量回收裝置釋放高壓能量后排送回大海。

圖4 反滲透海水淡化工藝及原理Fig.4 Process and principle of reverse osmosis seawater desalination

反滲透工藝中的核心部分為反滲透模塊。當(dāng)沒有外界因素作用時(shí)，在滲透壓的作用下，淡水中的水分子將透過滲透膜向海水側(cè)移動(dòng)，當(dāng)海水側(cè)液面高度高于淡水側(cè)時(shí)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)海水側(cè)施加大于滲透壓的外力時(shí)，海水中的水分子受壓迫穿過滲透膜流向淡水側(cè)，而鹽分被膜阻擋留在海水側(cè)，該分離獲得淡水的過程就是反滲透。

1.2.2 海上風(fēng)電驅(qū)動(dòng)海水淡化系統(tǒng)

為解決風(fēng)能與海水淡化裝置適配性問題，可通過增加儲(chǔ)能裝置或搭配蓄電池等方式[30]為海水淡化系統(tǒng)提供穩(wěn)定電能，降低風(fēng)電的間歇性和波動(dòng)性的影響。此外，可變操作的風(fēng)能海水淡化可根據(jù)獲得的變化風(fēng)電功率，通過控制系統(tǒng)調(diào)整反滲透海水淡化裝置的實(shí)時(shí)功率與運(yùn)行狀態(tài)，利用變速泵的快速調(diào)節(jié)能力與儲(chǔ)水罐的存儲(chǔ)特性[31]，充分發(fā)揮其運(yùn)行靈活性，適應(yīng)風(fēng)電的變化。

海上風(fēng)電輸水輸送原理如圖5所示，風(fēng)力渦輪機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，然后通過發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，經(jīng)電力變換系統(tǒng)與控制系統(tǒng)與海水淡化系統(tǒng)直接耦合進(jìn)行淡水生產(chǎn)，海水淡化裝置根據(jù)風(fēng)電特性調(diào)整淡水產(chǎn)量。當(dāng)風(fēng)電較多時(shí)，增大海水淡化設(shè)備運(yùn)行功率與運(yùn)行機(jī)組數(shù)量，淡水產(chǎn)量增加；當(dāng)風(fēng)電較小時(shí)，降低海水淡化設(shè)備運(yùn)行功率與運(yùn)行機(jī)組數(shù)量，淡水產(chǎn)量減少；當(dāng)無(wú)風(fēng)時(shí)，海水淡化機(jī)組停止運(yùn)行。生產(chǎn)的淡水通過海底管道或輪船運(yùn)輸?shù)确绞捷斔椭陵懙兀瑢?shí)現(xiàn)輸水上岸。

圖5 海上風(fēng)電就地海水淡化輸水結(jié)構(gòu)Fig.5 Desalination water conveyance structure of offshore wind power

2 海上風(fēng)電送出技術(shù)及差異

海上風(fēng)電送出方式的技術(shù)差異如表1所示，主要包含系統(tǒng)送出方式、配置設(shè)備、輸送線路、輸送容量、輸送距離、發(fā)展階段、輸送建設(shè)成本等內(nèi)容。

表1 海上風(fēng)電送出技術(shù)性能指標(biāo)對(duì)比Tab.1 Comparison of performance indices of offshore wind power transmission and water conveyance

(1)送出方式

海上風(fēng)電輸電系統(tǒng)主要包含三種方式：高壓交流輸電、常規(guī)高壓直流輸電和柔性直流輸電。三種輸電方式各自的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)可適應(yīng)海上風(fēng)電在不同海域與容量距離要求下的輸電供應(yīng)作業(yè)，確保了電力資源的長(zhǎng)足供應(yīng)，緩解了城市發(fā)展的電力緊張問題。海上風(fēng)電輸水系統(tǒng)可利用海水淡化技術(shù)，將電能轉(zhuǎn)換為淡水輸送至陸地。海水淡化技術(shù)常劃分為膜法和熱法兩類，其中，低溫多效、多級(jí)閃蒸和反滲透作為主流技術(shù)，已進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。由于熱法多適用于熱源成本低的工作狀態(tài)，而海島通常不具備建設(shè)該類海水淡化裝置的便利條件。反滲透海水淡化裝置僅需電力供應(yīng)、能耗較低、操控簡(jiǎn)單、占用空間小、建設(shè)周期短、適用范圍廣、投資規(guī)模靈活、淡水生產(chǎn)成本和運(yùn)行成本均低于熱法，可有效在海島上應(yīng)用與發(fā)展。

(2)配置設(shè)備

海上交流輸電系統(tǒng)主要包含海上送出變電站、輸送線路與陸上接入變電站三部分，但由于交流電纜充電電流的影響，制約了線路的輸送容量與距離，一般需增設(shè)大量的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。海上直流輸電系統(tǒng)構(gòu)成由海上送出換流站、輸送線路、陸上接入換流站三部分組成。其中，常規(guī)高壓直流輸電系統(tǒng)由于大量無(wú)功消耗在整流器和逆變器上并在電路中產(chǎn)生諧波，因而需要配置許多濾波裝置和無(wú)功補(bǔ)償裝置。柔性直流輸電系統(tǒng)具有有功、無(wú)功、電壓、頻率控制能力，因此需要安裝的輸送設(shè)備少，減少了占地面積需求。海上風(fēng)電輸水系統(tǒng)由功率變換系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、海水淡化系統(tǒng)、輸水管道組成，具有占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊、操控方便、性能穩(wěn)定、耐酸堿腐蝕、出水水質(zhì)滿足用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。

(3)輸送線路

海上風(fēng)電輸電線路可采用架空線路、海底電纜線路等形式。架空線路可在海上進(jìn)行輸電，成本低、建設(shè)時(shí)間短、不受輸送容量和輸電距離的制約。此外由于架空線路直接處在空氣中，故障隱患直觀可見容易發(fā)現(xiàn)，然而隨輸送距離增加，架空線路在深海中的桿塔建造費(fèi)用升高，施工難度增大，目前多用于潮間帶近海風(fēng)電及深海風(fēng)電近岸側(cè)電能送出。海底電纜常采用交聯(lián)聚乙烯材質(zhì)，電氣性能好、機(jī)械強(qiáng)度高、技術(shù)成熟、普及度高，同時(shí)在海底可提高抗干擾能力，安全穩(wěn)定，還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸電并能傳輸大功率電能。但海底電纜的施工難度與海底地形密切相關(guān)，由于淺水區(qū)高水位維持時(shí)間短，水位常無(wú)法達(dá)到鋪設(shè)船吃水深度要求，導(dǎo)致海纜鋪設(shè)困難。架空線路與海底電纜差異對(duì)比如表2所示。

表2 架空線路與海底電纜差異對(duì)比Tab.2 Comparison of differences between overhead lines and submarine cables

海上風(fēng)電輸水可采用船運(yùn)淡水與鋪設(shè)海底輸水管道等方式。船運(yùn)淡水可避免海底鋪設(shè)難題，船只購(gòu)進(jìn)等固定成本通常不受距離影響，但在輸水過程中容易導(dǎo)致水質(zhì)變差，淡水輸送成本較高，可高達(dá)10 元/m3，且隨輸送距離的增加，一噸水運(yùn)輸成本可高達(dá)數(shù)百元，因此船運(yùn)淡水常應(yīng)用于應(yīng)急供水。海底管道運(yùn)輸?shù)妮斔土看螅斔亢愣ǎ瑩碛休^低的后期維護(hù)成本，可省去水運(yùn)的中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，但前期管道建設(shè)成本高，鋪設(shè)難度大，而長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看，海底管道是最快捷、最安全和可靠的海上淡水運(yùn)輸方式，兩種方式差異對(duì)比如表3所示。

表3 船運(yùn)淡水與海底管道差異對(duì)比Tab.3 Comparison of differences between shipping fresh water and submarine pipeline

(4)輸送容量

海上風(fēng)電輸電系統(tǒng)中，交流海底電纜與直流海底電纜的輸送容量因結(jié)構(gòu)不同有所差異。在導(dǎo)體截面相同的情況下，直流海底電纜輸送容量相對(duì)更大，單根直流海底電纜輸送能力可達(dá)到單根交流海底電纜的1.5倍以上，即兩極的直流海底電纜系統(tǒng)輸送功率高于三相的交流海底電纜系統(tǒng)。此外，交流輸電方式也受到電纜電容的限制，一般輸送容量在0～800 MW范圍內(nèi)；在直流海底電纜中，柔性直流輸電受換流站技術(shù)限制，輸送容量較小，一般適用于350 MW～1 000 MW中大型風(fēng)電場(chǎng)，常規(guī)高壓直流輸電系統(tǒng)理論上不受輸送容量與輸送距離限制，適用超過1 200 MW的特大型風(fēng)電場(chǎng)[32]。

海上風(fēng)電輸水系統(tǒng)的輸送容量與海底管道的管材、管徑與設(shè)計(jì)容量有關(guān)。在能滿足設(shè)計(jì)和安裝要求的前提下，同時(shí)也要注意管材的經(jīng)濟(jì)性。在我國(guó)海底管道鋪設(shè)工程中，無(wú)縫鋼管常應(yīng)用在小口徑管道，電阻焊直縫鋼管常用作中口徑管，直縫焊接鋼管常為大口徑管。根據(jù)我國(guó)海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)海島地區(qū)海水淡化規(guī)模將超過50萬(wàn)噸/日，以我國(guó)舟山大陸引水工程鋪設(shè)海底管道為例，該海底管道管徑為1 m，設(shè)計(jì)引水流量為1 m3/s，通過設(shè)計(jì)在各海島的海水淡化廠總共鋪設(shè)5條管道，則輸水容量可達(dá)43.2萬(wàn)噸/日，可為海島地區(qū)提供充足淡水。

(5)輸送距離

交流電纜輸送距離受充電功率的制約，適用于近海輸電，在大容量長(zhǎng)距離輸電時(shí)存在三方面問題。首先，在傳輸同等有功功率時(shí)，功率損耗增長(zhǎng)率相較于直流輸電更高；其次，電纜電容效應(yīng)導(dǎo)致無(wú)功損耗增加并難以補(bǔ)償，升高了電網(wǎng)電壓，降低了電纜的有效負(fù)荷能力；最后，交流電纜在發(fā)生場(chǎng)網(wǎng)間故障時(shí)，會(huì)對(duì)海陸系統(tǒng)造成相互影響，降低供電安全穩(wěn)定性[33]。因此，交流電纜輸送距離一般在離岸距離100 km內(nèi)。直流輸電電纜由于電壓波動(dòng)很小，一般沒有電容電流，可應(yīng)用于長(zhǎng)距離輸送。

海上風(fēng)電生產(chǎn)淡水可通過水泵機(jī)組進(jìn)行加壓，將淡水通過海底管道送到陸地。在鋪設(shè)海底輸水管道時(shí)受海底地貌環(huán)境與海底深度影響較大。國(guó)內(nèi)的海底輸水管道工程開始較晚，海底輸水管道的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)仍處在發(fā)展過程中，海底輸水工程目前主要集中在近海地區(qū)。我國(guó)建設(shè)的舟山大陸引水工程全長(zhǎng)76公里，輸水管道全長(zhǎng)67公里，其中跨海輸水管道長(zhǎng)36公里，是迄今我國(guó)最長(zhǎng)、最大的跨海輸水工程。隨著海底輸水技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，海底管道將實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)海遠(yuǎn)距離輸送。

(6)輸送建設(shè)成本

由于直流海底電纜耐壓強(qiáng)度高于交流海纜耐壓強(qiáng)度，故直流海底電纜絕緣厚度相對(duì)較小，本體成本低于交流海底電纜。在相同輸送功率下，直流海底電纜系統(tǒng)造價(jià)不高于交流海底電纜系統(tǒng)的2/3。在施工費(fèi)用方面，由于交流輸電線路為三根海底電纜，而直流輸電線路僅為兩根海底電纜，故交流海底電纜施工費(fèi)用約為直流海底電纜的1.5倍。綜上分析，交流海底電纜線路工程總體造價(jià)約為直流海底電纜的1.5倍～2倍，經(jīng)濟(jì)性較低。根據(jù)目前市場(chǎng)造價(jià)，交流海底電纜造價(jià)約為887萬(wàn)元/km；直流海底電纜造價(jià)約為550萬(wàn)元/km[34]。

此外，由于交流輸電技術(shù)的變電站造價(jià)成本明顯低于直流輸電技術(shù)的換流站建設(shè)成本[35]，海上交流輸電與直流輸電存在投資費(fèi)用相同的等價(jià)距離，如圖6所示。當(dāng)輸送距離小于等價(jià)距離時(shí)，交流輸電建設(shè)費(fèi)用較低；反之，采用直流輸電更具備經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，等價(jià)距離會(huì)因輸電系統(tǒng)的容量與電壓等級(jí)的不同而有所改變，通常認(rèn)為在100 km范圍之內(nèi)。隨著電力電子技術(shù)發(fā)展、換流裝置的成本正不斷下降，海上風(fēng)電輸電的等價(jià)距離還會(huì)進(jìn)一步減小。

圖6 海上風(fēng)電交直流輸電投資成本比較Fig.6 Investment cost comparison of HVAC and HVDC transmission

海上風(fēng)電輸水技術(shù)可采用塔式結(jié)構(gòu)，在風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)部安裝海水淡化設(shè)備，形成一體化成套裝置，省略了繁雜的輸變電系統(tǒng)。在輸送方面，由于海底鋪設(shè)環(huán)境惡劣，海底管道的安全度相比陸地管道鋪設(shè)要求高，管道鋪設(shè)費(fèi)用常高達(dá)350萬(wàn)元/km[36]，其中，材料費(fèi)用占整個(gè)管道工程造價(jià)的25%～35%左右，施工費(fèi)用約占35%～45%，具體成本分布比例如圖7所示。海上風(fēng)電輸水技術(shù)管道鋪設(shè)成本雖高于陸地成本，相較于輸電技術(shù)仍有一定經(jīng)濟(jì)性。

圖7 海底輸水管道工程成本組成Fig.7 Cost composition of submarine water conveyance project

(7)應(yīng)用情況

海上風(fēng)電輸電中，高壓交流輸電結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)低，技術(shù)成熟，在中國(guó)近海風(fēng)電工程中已有較多應(yīng)用[37]。常規(guī)高壓直流輸電因換流站技術(shù)復(fù)雜、成本較高，目前還未有實(shí)際的并網(wǎng)工程。柔性直流輸電技術(shù)在繼承高壓直流輸電優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，改善了換相失敗的問題，有成為遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電主流并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，工程主要集中在歐洲[38-39]，目前國(guó)內(nèi)也正積極建設(shè)柔性直流輸電工程，如江蘇如東海上風(fēng)電柔性直流輸電示范項(xiàng)目[40]。近年來(lái)具有代表性的海上風(fēng)電及送出項(xiàng)目的相關(guān)信息，如表4所示。

表4 國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電示范項(xiàng)目Tab.4 Domestic and foreign offshore wind power demonstration projects

海上風(fēng)電輸水技術(shù)目前還處于研究階段，不過關(guān)于風(fēng)電結(jié)合反滲透海水淡化技術(shù)已有較多研究，在中國(guó)、德國(guó)、希臘、西班牙、挪威等地均已有投入運(yùn)行的風(fēng)能海水淡化示范工程[41]。中國(guó)的海底輸水技術(shù)也在進(jìn)一步加強(qiáng)，目前已有較多跨海輸水工程[42]，如表5所示，輸水管道技術(shù)方面已有較豐富的經(jīng)驗(yàn)。此外，江蘇省大豐港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)已建成1萬(wàn)噸非并網(wǎng)風(fēng)電淡化海水項(xiàng)目，設(shè)計(jì)方案是將風(fēng)電直接輸送給反滲透海水淡化裝置，利用微電網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了非并網(wǎng)風(fēng)電與海水淡化相結(jié)合，在世界范圍內(nèi)屬于技術(shù)首創(chuàng)，為進(jìn)一步研究與建設(shè)海上風(fēng)電輸水工程提供了較高的參考價(jià)值。

表5 國(guó)內(nèi)海底管道輸水示范項(xiàng)目Tab.5 Submarine water conveyance demonstration project in China

通過對(duì)比以上7項(xiàng)指標(biāo)可知，海上風(fēng)電驅(qū)動(dòng)海水淡化系統(tǒng)具有良好的發(fā)展前景。海上風(fēng)電輸水技術(shù)的不足之處在于技術(shù)成熟度較低、目前輸送距離較近。但其較低的輸送建設(shè)成本與大規(guī)模的輸水容量，可降低海上風(fēng)電工程的投資成本，并緩解沿海地區(qū)的缺水問題，同時(shí)海水淡化系統(tǒng)的靈活運(yùn)行特性可提高海上風(fēng)電的利用率。

3 海上風(fēng)電驅(qū)動(dòng)海水淡化技術(shù)的應(yīng)用前景

海水淡化產(chǎn)業(yè)與海上風(fēng)電直接耦合可突破海上風(fēng)電并網(wǎng)的單一應(yīng)用模式，為海上風(fēng)電大規(guī)模的應(yīng)用與發(fā)展提供全新思路，海上風(fēng)電輸水技術(shù)在以下3個(gè)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)：(1)利用海水淡化系統(tǒng)的靈活運(yùn)行能力，可實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電的就地消納，提高電網(wǎng)新能源消納能力；(2)通過將風(fēng)電作為主要電源，可降低海水淡化機(jī)組對(duì)火電的依賴度，從而減少碳排放，實(shí)現(xiàn)高耗能產(chǎn)業(yè)的清潔化發(fā)展；(3)通過輸送淡水產(chǎn)品代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電能輸送，可降低復(fù)雜輸電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度并減少投資成本，同時(shí)緩解沿海地區(qū)水資源需求，推進(jìn)海上風(fēng)電的多元化發(fā)展。

3.1 就地消納風(fēng)電，提高電網(wǎng)新能源消納能力

海上風(fēng)電受海風(fēng)風(fēng)速的不確定性影響，風(fēng)電出力可在0～100%的范圍內(nèi)變化，機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的不穩(wěn)定性也會(huì)導(dǎo)致海上風(fēng)電的發(fā)電功率和發(fā)電量不穩(wěn)定，輸出功率為不恒定值，在接入電網(wǎng)后會(huì)造成電網(wǎng)潮流的變化過大，造成電壓和頻率不穩(wěn)定的現(xiàn)象發(fā)生[43]，對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、供電可靠性和電能質(zhì)量[44]產(chǎn)生一定沖擊，增加了電網(wǎng)運(yùn)行控制難度，制約了海上風(fēng)電輸電進(jìn)一步發(fā)展。同時(shí)，海上風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)將增大電網(wǎng)的調(diào)峰壓力，占用大量調(diào)峰資源與調(diào)峰容量。

海上風(fēng)電輸水技術(shù)中，海水淡化廠可通過改變自身運(yùn)行方式適應(yīng)風(fēng)電的波動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電的就地消納，提高風(fēng)電的利用率，可使風(fēng)電利用效率提高8%～12%[45]。目前我國(guó)風(fēng)能海水淡化技術(shù)的應(yīng)用研究已有大量成果，在江蘇大豐已存在工程應(yīng)用。且我國(guó)江蘇、福建、廣東等地區(qū)已擁有眾多海上風(fēng)電項(xiàng)目，隨著技術(shù)發(fā)展和政策支持，海上風(fēng)電驅(qū)動(dòng)海水淡化技術(shù)的研究與應(yīng)用將不斷受到重視，并將成為未來(lái)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)重要發(fā)展方向之一。此外，將輸電上岸轉(zhuǎn)變?yōu)檩斔习兜姆绞揭部杀苊夂Ｉ巷L(fēng)電并網(wǎng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的沖擊，減少電網(wǎng)對(duì)調(diào)峰資源的需求量，降低火電機(jī)組調(diào)峰壓力。同時(shí)，避免海上風(fēng)電運(yùn)行波動(dòng)性導(dǎo)致部分地區(qū)或地域的供電分配不均衡現(xiàn)象，減少因網(wǎng)架約束導(dǎo)致的棄風(fēng)。

3.2 降低火電依賴度，實(shí)現(xiàn)工業(yè)清潔化發(fā)展

近幾年，我國(guó)海水淡化裝機(jī)容量與建設(shè)規(guī)模增長(zhǎng)迅速，由于海水淡化產(chǎn)業(yè)的高耗能特性，導(dǎo)致電能的消耗量極大，連網(wǎng)運(yùn)行時(shí)會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)較大負(fù)荷，影響電網(wǎng)穩(wěn)定性。此外，海水淡化能耗成本約占產(chǎn)水成本的50%以上，導(dǎo)致海水淡化廠的制水成本偏高，目前海水淡化廠噸水成本約為4元/噸～8元/噸[46]，影響海水淡化廠的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，可能造成海水淡化廠減產(chǎn)或虧本運(yùn)行。

利用大量?jī)r(jià)格低廉的海上風(fēng)電為海水淡化廠提供電能，可大幅度降低海水淡化廠生產(chǎn)成本，提高設(shè)備的利用率與海水淡化負(fù)荷的產(chǎn)能水平，提升海水淡化產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)性，有益于海水淡化產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)久發(fā)展。此外，海上風(fēng)電輸水方式可降低對(duì)化石能源的供電需求，改變海水淡化負(fù)荷依賴火電供電的生產(chǎn)方式和用電習(xí)慣。同時(shí)可大幅度減少煤使用量并降低碳排放量，具有顯著的環(huán)境效果，符合節(jié)能減排的要求，助力“雙控”目標(biāo)，促進(jìn)高耗能企業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型，推進(jìn)海上風(fēng)電高耗能產(chǎn)業(yè)清潔化發(fā)展。

3.3 減少輸電難度，推進(jìn)海上風(fēng)電多元化發(fā)展

海上風(fēng)電經(jīng)濟(jì)高效建設(shè)是目前風(fēng)電發(fā)展的核心挑戰(zhàn)之一，在海上風(fēng)電輸電技術(shù)中，電纜制造而所需的資金成本大、技術(shù)要求高，投資風(fēng)險(xiǎn)大，在鋪設(shè)時(shí)需考慮各種因素。此外，由于海底電纜長(zhǎng)期受海水腐蝕與洋流沖擊，一旦海底電纜的絕緣結(jié)構(gòu)被破壞，會(huì)產(chǎn)生漏電流，導(dǎo)致過熱現(xiàn)象，同時(shí)船舶作業(yè)等人為活動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致海纜扭曲斷裂，影響海底輸電正常運(yùn)行，增加海上風(fēng)電施工難度與維護(hù)成本。

采用海上風(fēng)電輸水技術(shù)可降低海上風(fēng)電輸電技術(shù)的輸送建設(shè)成本，減少輸配電環(huán)節(jié)，節(jié)約大量輸電所需的電氣設(shè)備，如海上變電站、陸上變電站等投資和建設(shè)，減少海域用電面積，可節(jié)省海上風(fēng)電場(chǎng)投資成本的25%～35%[47]。同時(shí)，海上風(fēng)電輸水技術(shù)可利用現(xiàn)有的海底輸水管道進(jìn)行輸水，避免輸送電纜復(fù)雜設(shè)計(jì)難題，降低海上輸電過程存在的電能損耗，實(shí)現(xiàn)能源高效利用[48]。此外，采用輸水上岸也可解決近岸地區(qū)缺水問題，形成海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，為海上風(fēng)電送出方式提供新思路，促進(jìn)海上風(fēng)電多元化發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

海上風(fēng)電送出作業(yè)困難、設(shè)備經(jīng)費(fèi)高昂等瓶頸問題限制了海上風(fēng)電向深遠(yuǎn)海化方向發(fā)展速度，提出一種海水淡化就地消納海上風(fēng)電的方法，可用于拓展海上風(fēng)電送出途徑。海上風(fēng)電轉(zhuǎn)化為淡水送出方式在輸送建設(shè)成本等方面具有較高優(yōu)勢(shì)，減少了輸配電環(huán)節(jié)，降低海上風(fēng)電送出過程中的電能損耗，節(jié)省了海上風(fēng)電并網(wǎng)設(shè)備投資成本，避免了海上風(fēng)電輸電線路建設(shè)和維護(hù)的作業(yè)難度。海上風(fēng)電就地進(jìn)行海水淡化可降低對(duì)化石燃料的需求量，大幅度減少高載能負(fù)荷的溫室氣體排放量。此外，生產(chǎn)的淡水可應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)、民用等各個(gè)領(lǐng)域，緩解沿海地區(qū)水資源短缺問題，推進(jìn)海上風(fēng)電多元化發(fā)展。隨著海上風(fēng)電直接驅(qū)動(dòng)海水淡化技術(shù)的進(jìn)一步深入研究，對(duì)我國(guó)能源低碳轉(zhuǎn)型與綠色發(fā)展具有積極的促進(jìn)作用。