國內(nèi)海上風(fēng)電未來發(fā)展特點(diǎn)

● 規(guī)模大、深遠(yuǎn)海區(qū)域占比高

三山島海上風(fēng)電柔直工程技術(shù)探索

● 不僅海上采用柔性直流技術(shù)，風(fēng)電登陸后，將繼續(xù)走直流架空線至負(fù)荷中心

● 首次提出無直流斷路器、無集中耗能裝置技術(shù)方案

● 利用風(fēng)機(jī)全功率變流器自帶的耗能裝置實(shí)現(xiàn)盈余功率分散式就地耗散

近日，陽江三山島海上風(fēng)電柔直輸電工程(以下簡稱“三山島海上風(fēng)電柔直工程”)獲得核準(zhǔn)批復(fù)。

該項(xiàng)目由廣東電網(wǎng)公司統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設(shè)。工程包括海陸兩部分，將在海上建設(shè)一座±500千伏海上換流站，通過500千伏直流海底電纜及直流架空線方式把陽江三山島海上風(fēng)電一至四項(xiàng)目(總規(guī)劃裝機(jī)容量為2000兆瓦)的風(fēng)能輸送至粵港澳大灣區(qū)。

該項(xiàng)目打破常規(guī)，采用超大規(guī)模海上風(fēng)電海陸一體直流輸電技術(shù)方案，將從源頭破解大規(guī)模、深遠(yuǎn)海區(qū)域風(fēng)電送出難題。

統(tǒng)一規(guī)劃，讓海陸更協(xié)同

規(guī)模大、深遠(yuǎn)海區(qū)域占比高正成為國內(nèi)海上風(fēng)電發(fā)展的特點(diǎn)。

今年以來，浙江、廣東、海南等地亦出臺相應(yīng)政策及資金支持，加快推進(jìn)深遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)。與之前主要是近海小規(guī)模海上風(fēng)電相比，深遠(yuǎn)海區(qū)域風(fēng)電送出，統(tǒng)一規(guī)劃勢在必行。

當(dāng)下海上風(fēng)電送出工程中，各投資主體各自開展前期工作，容量相似、布局接近的海上風(fēng)電廠項(xiàng)目采用多種輸電方式、多電壓等級送出。在近海小規(guī)模海上風(fēng)電時(shí)期，這樣的模式并沒有問題。隨著海上風(fēng)電的高速發(fā)展，海上風(fēng)電送出通道、登陸點(diǎn)日漸捉襟見肘，海陸不協(xié)調(diào)問題將制約海上風(fēng)電長遠(yuǎn)發(fā)展。

廣東電網(wǎng)公司規(guī)劃研究中心技術(shù)專家彭穗認(rèn)為，首先是海上路徑資源未得到充分利用，怎么更節(jié)約用海需要統(tǒng)籌考慮。其次是海陸兩側(cè)銜接問題。相關(guān)媒體報(bào)道，廣東陽江沙扒、青洲海上風(fēng)電規(guī)劃裝機(jī)約700萬千瓦，多家風(fēng)電業(yè)主各自獨(dú)立建設(shè)陸上匯集站，導(dǎo)致登陸點(diǎn)附近密集分布多個(gè)匯集站，重復(fù)建設(shè)現(xiàn)象明顯。

最后還有更大范圍的海陸統(tǒng)籌問題。“以往海上風(fēng)電場規(guī)模比較小，或交流架空線在本地電網(wǎng)消納，或優(yōu)化原有送出廊道送至負(fù)荷中心。但是廣東省海上風(fēng)電的規(guī)劃容量超過7000萬千瓦，如果按既有的思路，需要30回交流架空線路送至粵港澳大灣區(qū)等負(fù)荷中心。然而從陽江、汕頭往珠三角走，根本找不出這樣的輸電走廊。”彭穗認(rèn)為，海陸的統(tǒng)籌，已不僅僅是海上風(fēng)電場址與登陸點(diǎn)的統(tǒng)籌規(guī)劃，必須把更大范圍的輸電廊道納入進(jìn)去考慮。

三山島海上風(fēng)電柔直工程在前期規(guī)劃中恰恰做到了此點(diǎn)，其采用的超大規(guī)模海上風(fēng)電海陸一體直流輸電技術(shù)方案試圖從源頭解決大規(guī)模、遠(yuǎn)海風(fēng)電送出的難題。

柔性直流輸電技術(shù)再次成為關(guān)鍵

2021年年底，中國科學(xué)院院士陳十一曾總結(jié)道：“大型風(fēng)電機(jī)組、規(guī)模化開發(fā)、漂浮式基礎(chǔ)、海上智慧運(yùn)維，以及深遠(yuǎn)海柔直輸電技術(shù)，是海上風(fēng)電發(fā)展方向。”

其中，以柔性直流、中頻技術(shù)、低頻技術(shù)為主開展的遠(yuǎn)距離電力輸配電技術(shù)，能夠適應(yīng)距離海岸百公里級的大規(guī)模深遠(yuǎn)海項(xiàng)目開發(fā)。2021年年底，亞洲首個(gè)400千伏海上風(fēng)電柔性直流輸電工程如東海上柔直工程實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場全容量并網(wǎng)。三山島海上風(fēng)電柔直工程則更進(jìn)一步，不僅海上采用柔性直流技術(shù)，風(fēng)電登陸后，將繼續(xù)走直流架空線至負(fù)荷中心。

南網(wǎng)科研院直流輸電與電力電子技術(shù)研究所一級項(xiàng)目經(jīng)理鄒常躍介紹，常規(guī)海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流送出方案中，風(fēng)電登陸后依賴“登陸點(diǎn)換流站+交流架空線”實(shí)現(xiàn)陸上電能傳輸。在歐洲，海上風(fēng)電登陸后主要通過直流陸纜將電能輸送至負(fù)荷中心。

“這兩種方案對我們來說都不是優(yōu)選。陸纜成本是架空線5倍，在海上風(fēng)電要平價(jià)上網(wǎng)的目標(biāo)下，這種方案很難接受。陸上交流送出架空線也將很難適應(yīng)未來的廣東。”鄒常躍解釋，廣東沿海城市海岸線土地資源、沿海到珠三角輸電通道的緊張，導(dǎo)致廣東很難在登陸點(diǎn)建設(shè)大量換流站、在輸電通道上新建大量交流架空線將海上風(fēng)電輸送至負(fù)荷中心。而且在登陸點(diǎn)建設(shè)的柔性直流換流站，難以發(fā)揮對負(fù)荷中心電網(wǎng)的穩(wěn)定支撐作用。

在此情況下，采用海陸一體協(xié)同直流輸電技術(shù)成為最優(yōu)選擇。具體來講，每2000兆瓦容量對應(yīng)建設(shè)一個(gè)柔性直流換流站，風(fēng)電場產(chǎn)生的電能先過海上換流站，再分別經(jīng)一回直流海纜接入到登陸點(diǎn)的終端轉(zhuǎn)換站，后走直流架空線，各回直流架空線再統(tǒng)一接入附近陸上開關(guān)匯集站，匯集6000兆瓦到10000兆瓦，最后直流架空線直送負(fù)荷中心。根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行需要，在受端負(fù)荷中心可建設(shè)大容量的柔性直流換流站。

這里面涉及直流架空線故障穿越的難題。三山島海上風(fēng)電柔直工程首次提出無直流斷路器、無集中耗能裝置技術(shù)方案。

不依賴直流斷路器實(shí)現(xiàn)直流故障穿越，南方電網(wǎng)公司有一定的經(jīng)驗(yàn)。在昆柳龍直流工程中已經(jīng)驗(yàn)證了柔性直流架空線路故障自清除功能的可靠性。但是這次和昆柳龍直流工程又有不同，因?yàn)檫€需要和風(fēng)機(jī)協(xié)同，解決盈余功率等問題。

鄒常躍解釋，“像昆柳龍直流工程，主要是網(wǎng)對網(wǎng)，送端有個(gè)電網(wǎng)扛著盈余功率，工程只需要考慮清除故障。但是海上風(fēng)機(jī)一個(gè)個(gè)是獨(dú)立的，一旦陸上電網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障，海上風(fēng)機(jī)功率調(diào)節(jié)速度過慢，就可能導(dǎo)致直流海纜能量堆積、電壓升高、造成設(shè)備損壞和系統(tǒng)停運(yùn)。”這次工程，他們選擇通過控制保護(hù)策略實(shí)現(xiàn)和風(fēng)機(jī)的協(xié)同。

三山島海上風(fēng)電柔直工程將利用風(fēng)機(jī)全功率變流器自帶的耗能裝置實(shí)現(xiàn)盈余功率分散式就地耗散。“耗能這個(gè)能力每個(gè)風(fēng)機(jī)本身都具備，它會配合電網(wǎng)做協(xié)調(diào)，但是比較慢。以前，告訴它一次得500毫秒到1秒鐘，電網(wǎng)的柔直閥只能硬抗10毫秒左右，再算上故障檢測等時(shí)間，留給協(xié)調(diào)的時(shí)間最多1毫秒。”根據(jù)南網(wǎng)科研院團(tuán)隊(duì)和設(shè)備廠家最近在廣東臨海風(fēng)電試驗(yàn)基地做的快速調(diào)用風(fēng)機(jī)耗能裝置模擬試驗(yàn)，“確定大概600微秒就可以完成協(xié)調(diào)。試驗(yàn)有效驗(yàn)證了海風(fēng)柔直輸電工程無直流斷路器、無集中耗能裝置的技術(shù)方案可行性。”鄒常躍說。

陽江三山島海上風(fēng)電柔直輸電工程帶來的新挑戰(zhàn)還有很多。彭穗認(rèn)為：“海上風(fēng)電發(fā)展到最后，制約我們發(fā)展的可能不是我們最開始設(shè)想的困難。但是通過這樣一個(gè)工程，我們用創(chuàng)新突破難關(guān)，從源頭上解決大規(guī)模、遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電送出難題，非常有價(jià)值。