大規模海上風電并網送出策略研究

國家電投集團江蘇海上風力發電有限公司 金必成

海上風電是目前世界風電行業一股新興發展熱潮，在2010年至2020年這十年間，海上風電機的投運安裝呈連續增長趨勢，未來將會有望出現海上風電發展欣欣向榮的局面。我國海上風電正處于高速發展階段，累計裝機容量已位居世界第二。隨著我國能源出現緊缺，發展以新能源為主的電力系統已經成為首要研究方向，海上風電發展前景一片光明。同時，期望我國能提高對大規模海上風電并網輸送技術的重視度，大力發展海上風電并網技術，抓住我國新能源發展歷史機遇。

1 國內外海上風電發展情況

1.1 國外海上風電發展現狀

英國、丹麥、德國是歐洲海上風電市場的主力代表，關系著歐洲海上風電市場整體發展。單單2020年這一年，英國就新添483MW 海上風電裝機容量，占據歐洲整體新增容量的16.6%，但是裝機容量增長幅度有所減緩。英國目前已啟動了4個海上風電項目并逐一開始動工，粗略估計3年內會陸續開始并網。在2020年，德國新增風電機裝機容量為220MW，占據歐洲整體的7.5%，雖然比不上英國海上風電新增占比，但是德國也是海上風電發展中不可缺少的一個國家。丹麥國土由于國土面積較小且面臨海洋，成為歐洲最早開始發展海上風電場的國家，雖然近幾年風電裝機容量增長幅度有所下滑，但是2019年仍占歐洲總體新增的10%，總裝機容量為374MW。目前丹麥政府正在提高對海上風電市場的重視度，預計2027年之前將建成單場裝機容量高達800MW 的超大海上風電場。

1.2 我國海上風電發展情況

海上風電在我國具有良好的發展前景，深受我國政府重視。據調查數據顯示，截止2021年4月份，我國海上風電并網容量已達到10.45GW，領先于鄰近各國。海上風電平均利用小時數為2500小時，比陸地風電高出大約500小時，僅2021年第一季度，海上發電總量就達到了9.94×109kWh。除此之外，我國海上風電裝機總容量超過10GW，預計在今年年底將會超過英國成為世界第一。因此，在滿足我國電力市場需求基礎上，海上風電規模的進一步拓展為我國未來能源結構轉型提供了強有力支持[1]。

1.3 世界海上風電發展趨勢

海上風電已經成為緩解能源消耗關鍵技術。據統計，2016年全球新增海上風電裝機容量2219MW，單是歐洲就在海上風電投資高達182億歐元，新增單機平均額定容量每年增長16%左右，甚至在2020年就已經達到了8.2MW。歐洲已經將研究海上風電機作為推動海上風電市場發展的核心，單機額定容量為8-10MW 的海上風電機正在批量生產，甚至部分企業開始研究容量為15MW 的風電機，海上風電機逐漸朝著大容量的趨勢發展。隨著海上風電技術不斷成熟，越來越多的創新模式走入人們視野，競價上網成為海上風電新模式，最大限度降低了海上風電項目建設成本[2]。

2 我國海上風電基本特征與并網送出面臨挑戰

2.1 我國海上風電基本特征

我國是一個沿海國家，東臨太平洋且具有超長的海岸線，海域面積寬廣，因此海上風能資源豐富，與歐洲風電具有明顯不同。在我國，海上風速平均為6～11m/s，而在歐洲由于緯度高，平均風速在9～12m/s 左右，遠高于我國平均風速。為了彌補風速造成的差異，我國海上風電場需要安裝更高裝機容量，加大了電網平衡難度。另一方面，由于我國海岸線長，不同沿海地區海床差異較大，再加上地質環境影響，我國海上風電建設難度更高。例如，我國較發達的沿海地區海床都屬于沖擊海床，含沙量大，海床承載力較低，而歐洲沿海海床多屬于砂質海床，承載力更強。在建設海上發電場時，風電機組與并網輸電系統在洋流、海風、海浪等沖擊下需承受較大傾覆力，必須將海上發電場固定更深層海床中，大大提高了海上風電場建造難度。電網是否能穩定接入大規模海上風電也是目前我國需要面臨的一個挑戰，部分沿海發達省份本身用電負荷較高，特高壓直流落點多，接入海上風電可能會導致交流故障，造成大規模新能源連鎖脫網，對電網系統產生較大消極影響。

2.2 我國海上風電并網送出面臨挑戰

我國海上風能資源主要集中在海岸線經濟發達地區。海上交通、捕魚行業、海洋環境、海防科技等等都是海上風電場主要輸電對象，龐大的用電體系導致海上風電建設及其并網送出資源愈加緊張，所以必須接入網架保持電力運輸，接入網架強度、運輸能力都是需要考慮的重點。目前，我國海上風電技術還處于探索階段，并網方式與并網送出技術都尚未成熟，深遠海大規模海上風電建設還處于實驗當中，難關重重。另一方面，我國還經常深受臺風問題困擾，據不完全統計，自新中國成立以來，共有600多次臺風登陸我國沿海地區，嚴重影響我國海上風電并網送出系統的安全性，增大了運用維護難度[3]。

3 我國海上風電并網送出策略

3.1 整體策略

3.1.1 集中調配電網資源

從海上風電并網送出角度來看，應提早對風電場建設進行規劃指導，從風電場場址資源分配出發，對源頭進行把控。集中對輸電通道資源進行調配，盡可能降低海上風電建設對海洋環境產生的消極影響，積極完善海上風電并網技術，降低并網送出成本，提高并網送出效率[4]。

3.1.2 加強電網網架聯系

海上風電場規模與風電建設成本息息相關。為了發展大規模、大容量海上風電建設，在并網送出時應配備更高壓等級的接入電網，使風電并網系統與電網聯系更加緊密，增強電網整體結構與強度，提高電網接入可靠性，為大規模海上風電并網送出奠定基礎。

3.1.3 采取多種并網方案

各個國家海上風電建設發展階段、技術水平、電網結構、經濟發展都有所差別，所以輸電方案也各不相同。部分風電建設規模小，離陸地較近的海上風電場，多采用高壓交流電。而一些風電建設規模大，離陸地較遠的大部分采用柔性直流電。在我國海上風電建設也應該選擇合適的并網技術方案，確保海上風電電力輸送穩定性。

3.2 大規模海上風電集群送出策略

3.2.1 高壓交流方案

若是總裝機容量在1GW 左右的風電場群，應多采用高壓交流并網送出方式。考慮到35kV 場內電纜的送電距離、220kV 海底電纜送電容量，將單個風電場容量控制在300-400MW 左右是最佳方案，每個風電場都需設立一座海上升壓站，采用多回220kV 海底電纜送入電網。若是500kV 海底電纜技術成熟之后，也可將550kV 單回海底電纜送入電網。最后，還需提高對線路無功補償和協振問題的關注度。

3.2.2 柔性直流方案

若是距離陸地較遠的海上風電發電場，優先考慮柔性直流并網送出方式。在總裝機容量1GW 左右的發電場群，保障經濟性前提下，可以在多個升壓站匯集后接入1座公共海上換流站，通過1回高壓柔性直流電纜連接陸地電力系統主網。隨著海上風電規模建設越大，風電裝機容量也逐漸加大。為了提高并網輸送容量并降低輸送過程中的損耗，已經開始對66kV 場內集電系統進行試驗，并著手研究90kV 或者更高等級的場內電纜，為我國海上風電場規模進一步擴展奠定基礎。

3.3 海上風電場單場并網送出情景

針對技術熟練性、方案實用性、工程有效性方面進行對比，我國在“十四五”乃至更長時間內都會采用高壓交流、柔性直流輸電技術來對海上風電并網進行送出。在輸送功率相同、可靠性類似的比較基礎上，采用直流輸電換流站成本要高于交流輸電變電站投資成本，而直流輸電線路投資低于交流輸電線路投資；隨著輸電距離不斷增加，交流或者直流輸電存在等價距離。通常情況下，只有輸電距離大于等價距離之時，采用直流輸電會顯得比較經濟；反之，采用交流輸電較為經濟，應根據海上風電實際輸電距離選擇合適的輸電方式。容量等級不同、電壓等級不同的輸電系統，交流或者直流等價距離也各不相同，普遍在50-70km 范圍內。隨著電力電子技術逐漸邁入人們視野，換流裝置價格也在日漸降低，交流或者直流輸電等價距離還會進一步縮短。以技術可靠性和經濟性為主要思考方向，在我國海上風電場單場送出可以采用以下幾種對策：第一，風電場裝機容量在200MW 以內，離岸邊距離小于50km 時，采用高壓交流輸電方式；第二，風電場裝機容量為400-600MW 時，這個時候風電場會位于深遠海區域，可以適當采用基于電壓源變換器的高壓直流輸電方式；第三，風電場裝機容量為200-400MW 時，可以結合離岸距離進行技術經濟對比分析，在根據分析結果選擇恰到好處的海上風電并網送出方式，確保送出方式所產生的成本控制在最小范圍之內[5]。

4 我國海上風電并網送出對策建議

4.1 明確資源儲量，確定統一規劃理念

將來，在我國準備建設海上風電場前，應先調查分析海上風電資源儲備量、資源分布特點，對海上風電資源進行評估。由于我國海岸線長且海床結構差異較大，大幅提高了海上風電建設難度，在風電建設技術逐漸完善的情況下，應對現存資源數據及時更新，統籌規劃可開發量。就目前風電發展形式來看，向遠海與深海發展是海上風電發展必經之路。需盡早掌握深海風能資源布局，正確引導海上風電建設開發與利用，推動海上風電市場良性發展[6]。

4.2 加強自主創新，突破并網關鍵技術

目前，我國海上風電建設經過多方面探索，已經逐步走向深海，對風電并網送出技術要求將會更為嚴格。如何有效解決大規模海上風電并網送出問題是我國目前將面臨的重要挑戰。因此，需提高研究人員自主創新能力，深入研究并網技術并創建海上風電并網技術研究體系，搭建技術交流平臺，為突破并網核心問題做準備。

4.3 完善運行機制，支持高質量發展

我國海上風電建設經過多年探索與發展，裝機容量已遠超其他各國。由于補貼退出政策影響，出現了海上風電裝搶熱潮，對海上風電市場可持續發展造成消極影響。在多方考慮下，應開展海上風電集中送出模式分析探究，統一建設資源，形成電網規范化，并積極推廣吉瓦級示范項目建設。同時，加強海上風電機組、各類零部件、基礎結構的檢測與維修保養，提升風電并網輸送效率，保障風電市場健康綠色發展[7]。

4.4 注重對外交流，促進產業國際合作

歐洲海上風電技術發展起步遠早于我國，具有豐富的技術經驗。目前競價上網等新模式的出現大幅降低了海上風電建設成本，提高了并網送出效率。因此，我國應加強與歐洲方面的技術交流，深入探討歐洲風電方面優質配置方法，建立高效嚴格的管理機構，為海上風電可持續發展奠定基礎，推動海上風電產業平穩發展[8]。

目前，我國海上風電建設還處于發展初期，不論是風電建設本身還是并網送出技術都仍存在不足之處。我國應提高對海上風電并網送出技術的重視程度，加大對其研究力度，超前謀劃并前瞻布局，開展多端柔性直流、混合直流等新型海上風電并網送出技術方案的設計、試驗、示范應用，積極開展海上風電直流電網、海上風電綜合能源島相關的前沿技術探索與實踐。同時多與歐洲加強交流，以保障我國海上風電并網輸送效率，更好的支撐我國能源轉型發展。