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柔性直流送出技术能够有效隔离陆上交流电网与海上风电场、并网电压稳定、调控灵活[19],是远海风电可靠并网的首选技术方案,也是目前唯一具有工程实践经验的大规模远海风电并网方案。
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目前国内已投产的海上风电柔直送出工程为江苏省南通市如东县海上风电柔性直流输电示范工程[11],该示范工程建设了1座海上换流站和1座陆上换流站,并通过99 km海底电缆及9 km陆上电缆相连。该柔直示范工程采用对称单极接线方式,电压等级为±400 kV、输送容量为1.1 GW。拟定的送出方案如图5所示。
图 5 江苏如东海上风电柔性直流送出拓扑结构图
Figure 5. Topology diagram of offshore wind power flexible DC delivery system in Rudong, Jiangsu Province
H6、H8和H10风电场群位于如东县黄沙洋海域,其中H6、H10的装机容量均为400 MW,H8的装机容量将达到300 MW。风电机组通过35 kV集电系统与220 kV海上升压站相接,然后共同接入海上换流站。风电场输出的电力依次通过海上升压站、海上换流站、直流电缆、陆上换流站,并入500 kV陆上交流电网。
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德国北海海域的海上风电场集群较为集中[20],如BorWin、DolWin、SylWin等。DolWin1是世界上第一个电压等级达到320 kV的海风柔直输电工程项目;DolWin5是世界上第一个无需海上升压站的海风柔直送出工程;DolWin2是已投运海风柔直送出工程中输送功率最大的工程。
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1)换流阀
目前,换流阀广泛采用模块化多电平拓扑(Modular Multilevel Converter,MMC)换流器,直流侧发生短路故障后将保护晶闸管触发导通,大部分故障电流流过晶闸管,从而保护二极管不受损害。目前,国外公司西门子、GE(Alstom)、ABB能够生产换流阀,国内的生产公司主要有许继电气、南瑞继保、中国西电等。
2)功率器件
焊接式IGBT功率器件曾在中国大部分柔直工程中广泛使用,而后其封装形式逐渐向压接式过渡,以适应直流电压、输送功率的提高。
目前,ABB研制出了双模绝缘栅晶体管(Bi-mode Insulated Gate Transistor,BIGT),其性能较IGBT有一定提高,不但能够作为MMC子模块功率器件,还可以用于高压直流断路器,且目前已应用于多个柔直输电工程。可以预期,BIGT将在灵活交流输电、柔性直流输电等领域中得到更为广泛的应用。
3)海上换流站联接变压器
海上联接变压器适合采用三相一体式、三相三铁芯柱,可采用三绕组接线,也可采用双绕组接线。同时应采用两台变压器并联,互为热备用,即“1+1”热备用。
国内海上升压站出口电压等级一般为220 kV,国外则一般为155 kV,该电压等级对联接变压器的接线形式有一定限制,网侧应采用Y绕组接线,阀侧则采用Δ绕组接线。国外海风柔直工程单台联接变压器的额定容量一般为输电系统70%额定视在功率,以保证变压器的连续过载运行能力,从而保证1台联接变故障时剩余1台的继续运行。
4)耗能装置
直流耗能装置能够抑制过高的直流侧电压,并利用耗能电阻将直流系统两端的不平衡功率吸收。目前,直流耗能装置有3种基本技术路线。
集中式耗能装置的功率器件/模块和耗能电阻均集中布置,其研制技术难点为串联功率开关器件 的均压问题,目前针对该问题只有ABB公司具有较为系统的解决方案;分散式耗能装置(也称模块化耗能装置)的功率器件/模块和耗能电阻均分散布置于各个子模块,通过动态调节耗能电阻投入数量平滑吸收不平衡功率,但电阻需要采用水冷散热,增大了装置的整体体积;混合式耗能装置的功率器件/模块分散布置于子模块,而耗能电阻集中布置,该耗能装置电压及电流变化率可控性较高,但耗能支路功率仍会有所波动。
5)高压直流断路器
高压直流断路器可分为机械式、全固态式与混合式3种类型。其中,混合式直流断路器是高压直流断路器的主要研究方向,因其兼具机械式断路器和全固态式断路器的优点,具有通态损耗低、分段时间短的优势。目前,高压直流断路器已应用于陆上柔直示范工程,并有望在海上风电柔直并网系统中推广应用。
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1)柔直相关设备国产化替代
柔性直流输电的技术门槛非常高,国外仅有ABB、西门子、阿尔斯通3家公司具备该技术的工程建设能力。柔性直流工程的核心设备为IGBT换流阀、直流断路器,成本及技术要求较高;换流阀成套设备集成已经实现了国产化,但核心元器件仍以进口为主;联接变压器、电抗器、启动电阻已具备全国产化条件;直流耗能装置部分核心元件仍需进口,可考虑与进口设备混合使用以降低成本;控制保护系统中交流控制保护装置已完全实现国产化,直流控制保护装置现阶段仍采用国外的芯片,国产芯片仍在研发中,不久即可实现国产化。
综合考虑相关国产替代设备生产成熟并进行规模化应用后,预计中长期柔直技术成本将有较大幅度降低。
2)紧凑型模块化海上换流站设计
ABB公司在DolWin5工程中推出了紧凑型模块化海上换流站,无需海上升压站,与风电机组交流66 kV电缆直接相连。该换流站比DolWin2项目换流站的重量降低了超过50%,面积也由8 000 m2减小到了2 400 m2。
柔性直流紧凑化、模块化设计经验主要集中在轻型化换流阀设计、紧凑化阀组结构设计、紧凑化控制保护系统设计、主回路及拓扑结构优化设计方面,能够提升相关设备集成化程度,缩小海上平台尺寸及重量,降低海上风电送出环节的成本。
3)海上全直流风电场
为提高传输效率,海上风电场可采用串联升压拓扑构建全直流海上风电场,如图6所示。该方案结构简单,无需海上换流站,但处于最高位的发电单元的对地电压较高,因此绝缘设计难度较大。
图 6 串联升压拓扑构建全直流海上风电场示意图
Figure 6. Schematic diagram of construction of a full DC offshore wind farm with series boost topology
目前,直流风场的组网方式、控保环节、高压大功率DC/DC变流器等关键设备的技术尚处于研究阶段,国内外还没有建成海上全直流风电场。
4)海上柔直输电环节降本曲线预测
根据目前所开展海上风电柔直送出项目情况,以江苏如东海上风电柔直示范项目(约99 km直流海缆+9 km路缆)为例,该项目担负3个总装机容量为1.1 GW的风电场的电力送出,送出项目动态总投资约47亿元,约合0.43万元/kW。其中海上换流站总体造价约18亿元(约合0.164万元/kW),占总体投资比例约40%;陆上换流站总体造价约12亿元(约合0.11万元/kW),占总体投资比例约27%;直流海缆总体造价和敷设合计约15亿元(±400 kV 108 km-约0.14万/km),占总体投资比例约33%。
根据广东某海上风电柔直送出研究,按现有造价水平,单个2000 MW±500 kV级柔直海上风电送出项目(约95 km直流海缆)初步估算单位造价约0.375万元/kW。其中海上换流站单位造价约合0.123万元/kW,较如东项目下降约25%;陆上换流站单位造价约合850元/kW,较如东项目下降约23%;海缆方面,由于广东项目首次应用造价成本较高的±500 kV 2500 mm2大截面海缆,初步估计单位造价将达到0.21亿元/km。从柔直各环节来看,随关键设备国产化替代占比提高,换流站预计可以实现继续降本;随电压等级升高,直流海缆单公里造价将有所提高。
结合近年已投产陆上柔直工程造价情况,如表1所示,在电压逐步增高的基础上,陆上柔直换流站单位造价水平仍呈下降趋势。根据其下降趋势及速度,结合国网经济技术研究院副院长马为民在2020中国新能源高峰论坛海上风电分论坛上对江苏如东海上风电项目评审及其他工程经验,初步估计至“十四五”末期,按直流海缆约100 km的海上风电项目,国内海上柔直输电工程整体造价能够下降15%~20%,从目前0.4万元/kW~0.43万元/kW下降至约0.35万元/kW。海上风电柔直送出工程单位成本下降趋势预测如图7所示。
表 1 我国部分已投产陆上柔性直流输电工程造价情况
Table 1. Costs of some onshore flexible DC transmission projects that have been put into operation in China
工程名称 投运年份/
a总容量/
MW电压等级/
kV线路长度/
km总投资/
亿元单位投资/
(元·kW−1)舟山多端
柔直2014 1 000 ±200 140 42.1 4 210 厦门柔直 2015 1 000 ±320 10 28.0 2 800 鲁西背靠
背联网2016 1 000 ±350 0 15.0 1 500 渝鄂直流
背靠背2019 5 000 ±420 0 65.0 1 300 张北柔
直电网2020 9 500 ±500 648 126.4 1 330
Analysis of Current Situation and Future Development of Offshore Wind Power Industry
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摘要:
目的 在加快推动沿海能源清洁化转型、调整产业结构趋势下,海上风电由于其风资源丰富、利用小时数高、消纳便利等优点,将成为沿海省份电力能源安全、清洁、高效转型的重要支撑。 方法 文章对海上风电产业现状与未来发展前景进行全面分析,预测了未来近海浅水区和深远海海风产业综合降本的趋势。 结果 结果表明,广东海域“十四五”期间能否实现平价上网与年均综合降本速度相关;广东部分风资源条件较好的深远海项目至“十四五”末期能够实现平价上网,同时在规模效应下仍有进一步降本空间。 结论 我国海上风电产业链逐步完善,但仍有许多关键部件、核心技术依赖进口,需要不断开展国产化研究,实现产业成本的有效降低。 Abstract:Introduction Under the trend of accelerating the clean transformation of coastal energy and adjusting the industrial structure, offshore wind power will become an important support for the safe, clean and efficient transformation of power energy in coastal provinces due to its rich wind resources, high number of utilization hours and convenient consumption. Method In this paper, the current situation and future development prospect of offshore wind power industry were analyzed, and the comprehensive cost reduction trend of shallow-water and far-reaching deep-sea offshore wind industry was predicted. Result The results show that whether the Guangdong sea area can realize connection to grid at a fair price during the 14th Five-Year Plan period is dependent on the average annual comprehensive cost reduction rate; Some far-reaching deep-sea projects in Guangdong can achieve connection to grid at a fair price by the end of the 14th Five Year Plan period, and there is still room for cost reduction under the scale effect. Conclusion Offshore wind power industry chain of our country has been improved gradually, but there are still many key components and core technologies relying on imports, so it is necessary to carry out continuous localization research to effectively reduce the industrial costs. -
表 1 我国部分已投产陆上柔性直流输电工程造价情况
Tab. 1. Costs of some onshore flexible DC transmission projects that have been put into operation in China
工程名称 投运年份/
a总容量/
MW电压等级/
kV线路长度/
km总投资/
亿元单位投资/
(元·kW−1)舟山多端
柔直2014 1 000 ±200 140 42.1 4 210 厦门柔直 2015 1 000 ±320 10 28.0 2 800 鲁西背靠
背联网2016 1 000 ±350 0 15.0 1 500 渝鄂直流
背靠背2019 5 000 ±420 0 65.0 1 300 张北柔
直电网2020 9 500 ±500 648 126.4 1 330 -
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