海上風力發電的輸電技術與海纜敷設

【關鍵詞】海上風力發電；輸電技術；海纜敷設

引言

海上風力發電屬于可再生能源的關鍵部分，其輸電技術以及海纜敷設技術有著重大意義。本文對當下海上風力發電輸電技術的狀況做了綜述，包括高壓交流、電網換相型高壓直流以及柔性直流輸電技術，還分析了它們各自的優勢和局限性，探討了海纜敷設技術的意義、面臨的挑戰以及策略優化。

一、海上風力發電的輸電技術現狀

當下海上風力發電輸電技術主要包含高壓交流、電網換相型高壓直流以及柔性直流輸電這三種類型。其中，高壓交流輸電技術較為成熟，其造價相對較低，然而在傳輸距離以及容量方面存在一定限制；電網換相型高壓直流技術同樣有成熟的特點，且功耗較小，不過容易出現換相失敗的情況[1]。柔性直流輸電有很強的可控性，是遠海輸電的主要方式，我國東海上風電項目就運用了此項技術。

二、海纜敷設技術的重要性與挑戰

海纜敷設技術在海上風電領域占據著關鍵地位，它直接決定了電力能否穩定且可靠地傳輸至陸地。海上風電項目中，升壓站與陸上集控中心是依靠海纜相互連接的，海纜敷設質量的優劣對整個風電系統的運行狀況起著決定性作用。然而，海洋環境極為復雜，這給海纜敷設工作帶來了諸多棘手的挑戰。海域的地質條件呈現出多變的態勢，地形起伏較為明顯，這無疑增加了施工的難度；臺風、巨浪等惡劣海況頻繁出現，對施工進度以及施工安全都產生了影響；海纜敷設需要借助大型船舶、水下機器人等專業設備，這對施工技術有著極高的要求，并且后期維護成本也頗為高昂。

三、海上風力發電的輸電技術

（一）高壓直流輸電技術

1.HVDC技術原理

高壓直流輸電（HighVoltage DirectCurrent Transmission，HVDC）技術借助換流站把海上風電場產生的交流電轉變為直流電來進行傳輸，當到達陸地之后，又會依靠換流站把直流電再次轉換為交流電接入電網。它的關鍵之處在于換流設備：在早期的時候采用的是晶閘管等半控型器件的電網換相換流器，這種換流器需要依靠交流系統來提供換相電壓；而現今的柔性直流輸電（Voltage Source Converter based HighVoltage DirectCurrent，VSCHVDC）采用的是像絕緣柵雙極晶體管這樣的全控型器件，可獨立地控制有功功率和無功功率，達成快速動態調節，沖破了傳統直流輸電的許多限制，大幅度提高了輸電的靈活性與可控性[2]。

2.HVDC在海上風力發電中的應用

在海上風力發電這一領域當中，HVDC技術大多時候會被應用在長距離以及大容量的電力傳輸場景中。如果海上風電場距離陸地比較遠，已經超出了高壓交流輸電的經濟傳輸距離范圍，那么HVDC就會成為首選的方案。此外，HVDC還適合用于多個海上風電場集群的聯網輸電，可實現電力的集中調配以及優化利用。

3.HVDC技術的優勢與局限性

HVDC技術有諸多優勢：直流輸電不存在交流輸電所面臨的感抗和容抗問題，輸電損耗相對較小，特別適宜長距離傳輸；它可達成非同步電網互聯，不會受到兩端交流系統相位以及頻率的限制；柔性直流輸電可迅速對潮流進行控制，提升電網的穩定性。不過，此項技術也存在一定的局限性：一方面，建設成本較高，換流站的設備較為復雜，投資規模較大；另一方面，技術難度較大，對運維人員的專業水平有著較為嚴苛的要求，且在故障發生時，保護和恢復的難度較大，有可能引發系統的連鎖反應[3]。

（二）高壓交流輸電技術

1.HVAC技術原理

高壓交流輸電（HighVoltage Alternating Current Transmission，HVAC）依據交流電的電磁感應原理，先把海上風電場產生的交流電經由升壓變壓器提升電壓，再借助交流海纜進行傳輸，到達陸地后經過降壓變壓器接入電網。在交流輸電進程中，電流與電壓會由于線路的電阻、電感以及電容而產生損耗和相位變化，要依靠安裝無功補償裝置以及合理設計線路參數等辦法來減少電能損耗以及電壓波動，以此保證電能穩定傳輸。

2.HVAC在海上風力發電中的應用

HVAC技術大多時候應用于距離陸地相對較近的海上風電場，一般情況下傳輸距離在50公里以內會更具經濟性。在這樣的場景之中，交流輸電系統的結構比較簡單，并不需要復雜的換流設備，其建設成本相對而言較低。而且HVAC還適合與現有的交流電網直接相連，這利于電力的分散接入以及分配，使得電網改造的難度有所降低。

3.HVAC技術的優勢與局限性

HVAC技術有一定優勢：其技術成熟，在設備制造以及運維方面擁有豐富經驗，成本相對處于較低水平；交流系統與現有的電網兼容性良好，接入和管理較為便利。然而，該技術也存在較大局限：隨著傳輸距離不斷增加，交流線路的容性電流會增大，致使電壓升高，對傳輸距離和容量形成限制；在長距離輸電時，無功損耗較大，需要大量無功補償設備，而且交流輸電容易受到電網穩定性的影響，發生故障時有可能引發連鎖反應，對整個系統的正常運行造成影響。

（三）混合輸電系統

1.混合輸電系統概念

混合輸電系統是一種把HVDC與HVAC的優勢融合起來的新型輸電系統，可依據不一樣的輸電需求以及場景，對兩種輸電方式進行靈活配置。這種系統可在同一條輸電走廊里同時運用直流和交流線路，也可在不同的輸電階段分別采用直流和交流技術[4]。

2.混合輸電系統在海上風力發電中的應用

在海上風力發電范疇，混合輸電系統適用于復雜的輸電情形。如果海上風電場規模較大且分布不均衡，部分風電場距離陸地較近、部分距離較遠，那么對于近距離風電場可采用HVAC技術接入，對于遠距離風電場采用HVDC技術，借助混合輸電系統達成電力的統一匯集與輸送。

3.混合輸電系統的優缺點分析

混合輸電系統有諸多優點：它融合了HVDC與HVAC的優勢，可依照實際需求靈活地對輸電方式給予調整，以此優化輸電效率并降低整體損耗；該系統可以適應復雜的電網結構以及輸電環境，提升電力系統的可靠性與穩定性；它還可充分借助現有的交流輸電設施，減少重復建設，降低投資成本。此系統也存在著一些缺點：其系統結構較為復雜，覆蓋了直流和交流兩種輸電技術，這使得設備選型、系統設計以及運行維護的難度有所增加；不同輸電方式的協調控制有著較高要求，需要先進的控制技術和設備，不然容易引發系統運行不穩定的情況；除此之外，故障診斷和處理的難度較大，一旦出現問題，排查和修復所需的時間比較長。

四、海上風力發電的海纜敷設策略

（一）海纜敷設技術概述

1.海纜的類型與結構

海纜依據其功能可以劃分為電力海纜、通信海纜以及復合海纜這幾種類型。電力海纜主要是用來傳輸海上風電的，其結構從內到外依次包含導體、絕緣層、金屬護層以及外被層：導體大多采用銅或者鋁材質，絕緣層使用像交聯聚乙烯等這樣的材料，金屬護層可起到防止機械損傷以及腐蝕的作用，外被層則是為了適應海底復雜的環境。通信海纜是用于數據傳輸的，它以光導纖維作為核心，借助多層防護來保證信號的穩定，復合海纜同時有電力傳輸以及通信功能，可降低敷設成本以及減少施工量，不同類型的海纜由于使用場景以及性能要求存在差異，在結構設計和材料選用方面各有不同的側重點。

2.海纜敷設方法

常見的海纜敷設方式包含埋設法、敷設法以及懸浮法：埋設法借助專用埋設犁把海纜埋入到海底土層當中，這樣可有效地保護海纜，使其免受船舶拋錨、漁業活動等外力的破壞，這種方法適用于淺海以及關鍵航道區域；敷設法是直接將海纜鋪設在海底，該方法施工較為簡單，成本也比較低，不過需要關注海纜的固定與防護情況，大多應用于深海或者偏遠區域；懸浮法可讓海纜懸浮在一定深度的海水中，適用于跨越復雜地形或者避免海底障礙物的場景，然而對海纜的力學性能以及施工精度要求非常高，目前在實際中的應用相對較少。

（二）海纜敷設過程中的關鍵問題

1.海底地形與地質條件的影響

海底地形以及地質條件對于海纜敷設所產生的影響重大。就地形這一方面而言，海溝、暗礁以及陡坡等這類復雜的地貌狀況會使得海纜敷設的難度有所增加，造成海纜出現懸空、受力不均勻，甚至還會出現斷裂的現象[5]。在海底峽谷的區域中，海纜需要精確地下放，同時還要做好固定工作，以此來避免因為水流沖擊而產生的移位。地質條件同樣是非常關鍵的，如果海底是堅硬的巖石層，埋設施工將會面臨險阻，需要運用特殊的設備來進行破巖；而淤泥質的海底則容易致使海纜下沉，影響到穩定性，還可能會引發海纜周圍土體的蠕動，對其安全構成威脅。因此，在施工之前要開展詳細的地質勘探工作。

2.海纜敷設過程中的環境影響

海纜敷設還會給海洋環境帶來多方面的影響：在施工期間，埋設犁作業以及船舶航行所產生的噪聲，會對海洋生物的聲吶定位系統造成干擾，影響到鯨類、海豚等海洋哺乳動物的覓食、繁殖以及遷徙行為；海纜敷設過程中產生的懸浮泥沙會致使海水透明度降低，光照減少，影響浮游生物的光合作用，對海洋生態鏈造成破壞；施工設備的油污泄漏以及廢棄物排放，同樣會造成海洋污染，對海洋生物的生存環境產生危害。因此，需要采取環保措施來降低這些負面影響。

3.海纜敷設過程中的技術挑戰

海纜敷設遭遇不少技術挑戰：海洋環境復雜且變化多端，強風、巨浪以及海流等惡劣狀況會對施工安全和精度產生嚴重影響；施工船舶需要擁有良好的抗風浪能力以及定位技術；海纜連接技術要求相當高，要保證連接處的電氣性能和機械強度，避免出現漏電、斷裂等問題；在深海區域，因為水壓較大，對海纜耐壓性能以及施工設備的密封性要求很嚴格，而且深海作業可視性不佳，需要依靠水下機器人等設備來進行操作，這增加了施工難度與不確定性。

（三）海纜敷設策略優化

1.敷設路徑規劃

合理的海纜敷設路徑規劃乃是其安全穩定運行的根基所在。在開展規劃工作之前，需要將海底的地形地貌、地質勘探所獲取的數據以及海洋水文條件等各類信息加以綜合考量，借助地理信息系統來展開模擬分析，以此避開復雜地形、航道以及漁業作業區等區域。還要對未來海上風電項目的擴建需求進行充分考慮，預留出足夠充裕的發展空間。路徑規劃的時候還得兼顧與其他海底設施（通信光纜、油氣管道等）之間的安全距離，防止出現相互干擾的情況。依靠對多個方案進行比較選擇，全面評估施工難度、成本以及運行維護便利性等諸多因素，最終確定出最為優化的敷設路徑。

2.敷設設備與技術選擇

根據不同海纜類型以及敷設環境來挑選適配的設備與技術，這對保證工程質量而言十分關鍵。在淺海近岸區域，一般優先選用大型自航式海纜敷設船并搭配埋設犁，這類船舶配備了高精度定位系統以及自動化張力控制系統，可精準控制海纜敷設的深度與速度。在深海環境中，需要使用有動力定位能力的半潛式敷設船，并且借助水下機器人（Remotely Operated Vehicle，ROV）來進行輔助作業。ROV可攜帶高清攝像頭、機械臂等設備，完成海纜鋪設、連接、檢測等精細操作，它的作業深度可達到6 000米以上。對于海纜連接技術方面，電力海纜依據電壓等級以及絕緣材料特性，選擇冷縮式、預制式或者澆注式接頭；通信海纜則采用熔接技術，配合光時域反射儀實時監測熔接質量。

3.敷設過程中的風險評估與管理

構建完備的風險評估跟管理體系，對海纜敷設工程的順利推進有著關鍵的保障作用，這個體系需要貫穿整個項目的流程。在施工準備的階段，可以運用故障樹分析以及事件樹分析等方式，系統地識別像是海洋環境、設備故障以及施工工藝等潛在的風險源；對于臺風風險，可借助歷史氣象數據統計來分析其發生的概率和影響的范圍；針對設備故障風險，要建立關鍵設備像埋設犁、ROV的失效模式數據庫。利用風險矩陣對風險開展量化評估，依據發生概率和后果嚴重性去劃分風險等級，制定分級管控的措施。在施工的過程中，依靠實時監測系統構建風險預警平臺，整合氣象預報、船舶定位以及海纜狀態等多源的數據，當監測到風速超過施工閾值或者海纜張力異常等狀況的時候，系統會自動觸發分級預警，提示采取調整船舶錨泊位置或者暫停作業等措施。要加強對施工人員的培訓，定期開展臺風應急演練以及海纜搶修模擬訓練，以此提升團隊的應急處置能力。此外，和海洋氣象部門、海事救援機構建立信息共享以及聯動的機制，獲取精準的氣象預警和快速救援支持，最大程度降低風險損失。

結語

海上風力發電的輸電技術以及海纜敷設技術乃是保障其高效穩定運行的關鍵所在。高壓直流輸電技術、高壓交流輸電技術以及混合輸電系統都各有自身特點，需要依據實際需求以及場景來靈活加以選擇。在海纜敷設這個方面，合理的路徑規劃、適配的設備與技術選擇以及完善的風險評估和管理體系對保障海纜安全穩定運行有著意義。隨著技術持續取得進步與創新，海上風力發電的輸電技術和海纜敷設技術將會變得更加高效可靠。

參考文獻：

[1] 王斯璐.海上風力發電—柔直輸電系統運行穩定性分析[D].大慶：東北石油大學，2024.

[2] 李建波.海上風力發電大功率高增益直流變流器研究[D].曲阜：曲阜師范大學，2024.

[3] 周敏，陳志偉，蔡璐璇，等.海上風電柔性直流輸電技術研究[J].上海電氣技術，2023，16（04）：2123.

[4] 石明，童帆，魏務卿，等.海上風力發電交直流輸電技術發展趨勢探討[J].電力勘測設計，2023（10）：8388.

[5] 陳志遠.海上風電場柔性直流輸電技術研究[D].曲阜：曲阜師范大學，2018.