浅谈海上分电站和电能传输技术

李涛丁道寒魏盈

摘要：海上风力发电由于风速高，风能资源丰富等特点，已经成为风电投资建设的重要方向。海上风电开发正逐步由近海向远海发展，考虑到送电的经济性和安全性，采用海上升压变电站（换流站）送出将会是未来海上风电开发的必然选择。文章从风电场电气系统中的集电线路布局、海上分电站和输电方式介绍和分析海上风电的主要技术特点,为海上风电项目的建设提供参考。

关键词：海上分电站布置方案高压交流高压直流

1、引言

在传统资源形势日益严峻的情况下，海上巨大的风力资源业已引起广泛关注及应用。风力发电是当今世界发展最快的能源利用形式。而海上风力发电由于风速高，风能资源丰富等特点，已经成为风电投资建设的重要方向。海上风电开发正逐步由近海再向远海发展，考虑到送电的经济性和安全性，采用海上升压变电站（换流站）送出将会是未来海上风电开发的必然选择。

当海上风电场的规模相对较小且风场离海岸距离较近时，风电机组一般采用交流电缆的汇集到陆上变电站升高电压后接入电网，无需设置海上变电站，适用于早期、近海，规模较小的海上风电场；对于大型的远距离海上风电场，为了以提高传输效率，需提高电压等级，通过海上升压变电站（换流站），将风电机组的功率汇集起来升高电压，再经过海缆输送到陆上集控中心。

2、海上分电站

2.1海上分电站平台基础

升压变电站（换流站）结构一般分为基础结构和平台结构，主要电气设备布置在平台结构上，平台结构主要为刚结构，以减轻重量，同时需要考虑防腐要求。

基础结构一般分为重力式（Gravity-base）、单桩式（Monopile）、导管架式（Jacket）、身升式（mobilejack-up），由于直流换流站离岸距离较远，水深较深，主要采用导管架式和自升式结构，其结构比较简单，在深海具有较大优势，交流升压变电站则需根据具体海水深度、平台重量和布置方式决定采用重力式（Gravity-base）、单桩式（Monopile）、导管架式（Jacket）。

2.2海上分电站的选择

海上变（分）电站是否必要，主要取决于风电场的规模、离岸距离、岸上公共连接点的电压等级。最终方案的选择还取决于各项目的具体要求，海上变电站造价成本高昂，尤其是支撑结构和安装费用大大超过电气设备的费用。

通常情况下根据项目规模、特点划分：

1）机组建设规模在100MW以上；2）远离海岸超过15km；

3）接收集电压33～36kV并且连接电网高于36kV的并网情况。

对于风电场规模大约在100MW安装后的典型成本为5-10百万英镑；主要装置是开关设备（35kV）和变压器，也可包含备用电源和其它设备；模块式/箱块方法通常先在岸上装好；近入方式与风机相同，经常也配备直升机平台。

备注：以上情况没有考虑直流变频器分电站

2.3海上交流变电站的一般总体布局

海上升压变电站一般按“无人值班”设计，布置于近海海域，属环境潮湿、重盐雾地区。由于海上升压变电站造价昂贵，平台上电气设备宜布置紧凑合理，选择符合运行要求的产品，尽量减少设备维护工作量。

海上升压变电站通常采用钢结构建筑物，分层布置。底层甲板为电缆层；一层甲板布置主变压器、中高压配电装置、无功补偿装置等；二层甲板布置二次设备室、蓄电池室外等；顶层可设置直升机平台。参考国内外工程，海上升压站功能室一般包括：

主变压器室、110或220kV配电装置室、35kV配电装置室、无功补偿室、站用变压器室、柴油发电机室等一次设备室。

计算机监控室、继电器室、蓄电池室等二次保护设备室。

水泵房、消防室、储油室、休息室、卫生间等辅助设备室。

电缆层、油坑、电缆竖井、走廊、楼梯、逃生通道等辅助设施与通道。

直升机平台

3、海上风电场输电技术

海上风电场接入电网主要有交流输送和直流输送两种基本方式，其中直流输送方式又分为两类：一类是传统的基于晶闸管换流器(PCC)的直流输电技术；另一类是基于电压源变频器(VSC)的轻型直流输电技术。

3.1高压交流（HVAC）输电并网方式

当海上风电场的规模相对较小且风电场离海岸线距离相对较近时，一般采用交流电缆的输电方式接入电网，其主要设备包括：交流高压海底电缆、风电机组侧变压器、升压主变压器、高低压开关设备、动态无功补偿装置等。目前，风电场的场内集电线路一般采用35kV电压等级，机组采用一机一变的方式升压至35kV，多台风电机组组合成一个联合单元后送入升压变电站；根据风电场的规模大小以及离岸距离的远近，升压变电站可建设在陆地或海上。海上升压站通过更高电压等级的交流电力电缆接入岸上电力传输系统。采用交流输电网的特点主要是电力传输系统结构相对简单，技术比较成熟，可靠性较高，成本较低，但长距离交流电缆存在充电电流的问题，使得传输容量与传输距离受到限制。

3.2高压直流（HVDC）输电并网方式

随着海上风电场装机规模不断加大和风电场离岸距离的增加，基于传统交流输电的并网方式受传输容量与传输距离的限制，已无法满足风电场的并网需求，而在此情况下，高压直流输电并网系统在技术上和经济上具备了可行性。虽然直流输电线路两端换流站建造费用较高，但由于输电距离较长，直流电缆成本比交流电缆低，综合考虑所增加的成本并不突出，因此有必要采用直流输电技术连接海上风电场和陆上电网。与交流输电不同，直流输电不存在无功过剩与频率稳定问题，同时还具有潮流控制灵活、能限制故障电流、输电损耗小以及单位长度输电线传输电功率大等优点，因此直流输电方式特别适用于连接大型海上或远距离风电场并网。

目前大部分风力发电都采用交流电网连接方式，但对于海上风场来说，随着风场容量、传输距离的增加，由于交流线路中电容电流的存在，其线路损耗和无功损耗将越来越大，所以对于大容量、长距离海上风场电力传输来说，需要使用高压直流输电来降低损耗。

4、结束语

在传统资源形势日益严峻的情况下，海上巨大的风力资源业已引起广泛关注及应用。海上风电开发正逐步由近海再向远海发展，随着海上风电场装机规模不断加大和风电场离岸距离的增加，对于海上分电站和电能传输的相关技术研究需进一步深入、拓展和实践。

参考文献：

[1]海上风电场升压变电站电气布置研究

[2]浅谈海上风电场电力系统

作业简介：李涛，男，1982年5月，山东省潍坊，大专，工程师

丁道寒，男，1985年10月，河南省商丘，本科，工程师

魏盈，女，1989年5月，山东省济宁，本科，工程师