海上風電并網(wǎng)接線方式技術分析

周振波

摘 要：在國家十三五規(guī)劃的大力支持下，海上風電將得到快速的發(fā)展，海上風電場離岸距離也將越來越遠，海底電纜的合理選用和可靠接線方式，關系到海上風電場的安全可靠運行，也關系到海底電纜是否能適應海上風電場容量不斷增長的需求，通過可靠性分析和發(fā)電量分析，探索適合海上風電場出線海底電纜接線方式具有重要意義。

關鍵詞：海上風電場；運行方式；電量損失

隨著海上風電場的快速發(fā)展，海上風電場建設海域越來越偏遠，離岸距離從幾公里到幾十公里遠，復雜的海域條件對風電機組和海底電纜的技術要求越來越高，在充分考慮海上風電場的接入大陸電網(wǎng)的安全、可靠、經(jīng)濟方式，同時也考慮在后續(xù)可持續(xù)發(fā)展的條件下，探索適合海上風電安全可靠運行的海底電纜接線方式將非常重要。

1 項目概況

海上風電場裝機容量為12萬千瓦，年上網(wǎng)電量約為2700萬kWh，風電場年等效滿發(fā)小時數(shù)為2300h，離距離大約為20公里。主變型號：SZ11-110000/110，容量為：110MVA。升壓站35kV母線采取單母線分段接線方式，中間設有母聯(lián)開關。35kV分段母線所帶各35kV集電海纜回路功率均衡分布。

2 海底電纜接線方式分析

2.1 單回海底電纜（104MVA）+單臺主變壓器（110MVA）線變組接線方式

2.1.1 運行方式

35kV母線I段母線、II段母線聯(lián)絡運行，#1主變通過110kV海底電纜聯(lián)接外網(wǎng)。

2.1.2 電量損失計算

（1）輸送容量匹配不足導致棄風電量損失。根據(jù)風電機組出力特性曲線可知，風電機組在3m/s以上啟動發(fā)電，在12m/s達到滿發(fā)，切出風速為25m/s。根據(jù)風機出力特性與該區(qū)域風力資源情況得知，風速分布主要集中在4.0m/s～11.0m/s風速段；風機滿發(fā)時，占全年有效發(fā)電時間的10%。風電場全年有10%的有效發(fā)電時間處于滿發(fā)狀態(tài)，大約876小時，110kV海底電纜輸送容量為104MVA，按裝機容量120MW，取功率因數(shù)cosΦ=1進行電量損失估算。則電纜輸送容量與裝機容量匹配不足將導致全年棄風電量損失約1401.6萬kWh。

（2）110kV主設備檢修期間電量損失。根據(jù)《DLT596-2005電力設備預防性試驗規(guī)程》規(guī)定變壓器、GIS開關等電氣主設備檢修周期為1～3年。假設升壓站110kV主設備按每年進行一次預防性試驗、檢修，由于預防性試驗、檢修所需要時間無相關具體規(guī)定，借鑒國內容量10萬千瓦陸上風電場年度預防性試驗及檢修時間大約在5-10天，假設海上風電場110kV主設備預防性試驗、檢修時間按7天來進行電量損失估算。則由于升壓站110kV主設備預防性試驗、檢修期間將導致全年電量損失約529萬kWh。

（3）110kV海底電纜故障時電量損失。單回海纜因故障或檢修退出運行，以海纜檢修時間三個月來計算棄風電量。在海纜維修期間內無法送出電量，海纜故障時間帶有不確定性，假設按月平均發(fā)電量計算，裝機容量120MW，按風電場年等效滿發(fā)小時數(shù)為2300h來估算電量損失。則由于110kV海纜故障或受損修復導致電量損失6900萬kWh。

2.2 兩回不同容量海底電纜（110MVA+20MVA）+兩臺不同容量主變壓器（110MVA+20MVA）

為了滿足海上風電機組12萬kW裝機容量正常輸出，按初步設計設備配置存在輸送容量不足問題，根據(jù)《風力發(fā)電廠設計技術規(guī)范》要求，考慮增加一臺容量為20MVA的主變壓器和一回輸送容量為20MVA的海底電纜。

2.2.1 運行方式

35kVI段母線、II段母線分段運行，#1、#2主變分列運行；#1主變（110MVA）帶35kVI段母線獨立運行，經(jīng)#1海底電纜輸出；#2主變（20MVA）帶35kVII段母線獨立運行，經(jīng)#2海底電纜輸出。在設備正常運行情況下能夠滿足風電機組裝機容量12萬kW滿負荷運行。

該方式不能滿足《工業(yè)與民用配電設計手冊》變壓器并列運行條件的要求，#1主變與#2主變不能并列運行，只能分列運行。

2.2.2 電量損失計算

（1）110kV主設備檢修期間電量損失

a.#1主變檢修。#1主變檢修檢修時，假設#1主變及相應的GIS開關預防性試驗、檢修時間為7天，裝機容量120MW，海上風電場年等效滿發(fā)小時數(shù)為2300h，按#2主變額定容量（20MVA）輸出估算電量損失，則由于#1主變檢修導致全年電量損失約454萬kWh。

b.#2主變檢修。#2主變（20MVA）檢修時，假設#2主變及附屬設備預防性試驗、檢修時間為7天，假設按#1海底電纜額定輸出容量（104MVA）計算，風電場全年有10%的有效發(fā)電時間處于滿發(fā)狀態(tài)，大約876小時，則由于#2主變檢修導致全年電量損失約26.88萬kWh。

（2）110kV海底電纜故障時電量損失

a.#1海底電纜（104MVA）故障時電量損失。假設#1海底電纜故障修復需要3個月，海上風電場年等效滿發(fā)小時數(shù)為2300h，按#2主變額定容量（20MVA）輸出估算電量損失，則由于#1海底電纜故障或受損修復導致電量損失約5750萬kWh。

b.#2海底電纜故障時電量損失。假設#2海底電纜修復時間需要3個月，風電場全年有10%的有效發(fā)電時間處于滿發(fā)狀態(tài)，大約876小時。按#1海底電纜額定輸出容量（104MVA）估算電量損失，則由于#2海底電纜故障導致電量損失約350.4萬kWh。

2.3 兩回相同容量海底電纜（104MVA）+兩臺相同容量主變壓器（110MVA）

為了設備穩(wěn)定運行要求和后續(xù)海上風電場增容需要，采用原兩回相同容量海底電纜（104MVA）+兩臺相同容量主變壓器（110MVA）接線方式。

2.3.1 運行方式

（1）#1主變、#2主變分列運行。35kVI段母線、II段母線分段運行，#1主變、#2主變分列運行，#1主變帶35kVI段母線獨立運行，經(jīng)#1海底電纜輸出，#2主變帶35kVII段母線獨立運行，經(jīng)#2海底電纜輸出，在設備正常運行情況下，能夠滿足風電機組裝機容量12萬kW滿負荷運行。

（2）#1主變、#2主變并列運行。根據(jù)《工業(yè)與民用配電設計手冊》變電所變壓器并列運行條件要求，#1、#2主變具備并列運行條件。

2.3.2 電量損失計算

（1）主變檢修電量損失。由于兩臺主變和兩回海底電纜技術參數(shù)一樣，單臺主變的容量為110MVA，單回海底電纜輸出容量為104MVA，假設單臺主變及相應的GIS開關等設備預防性試驗、檢修時間為7天，風電場全年有10%的有效發(fā)電時間處于滿發(fā)狀態(tài)，大約876小時。則由于兩臺主變檢修導致全年電量損失約53.76萬kWh。

（2）海底電纜故障時電量損失。單回海底電纜輸出容量104MVA，其中一回海底電纜故障，另一回海底電纜正常運行，假設故障海底電纜修復時間需要3個月，風電場全年有10%的有效發(fā)電時間處于滿發(fā)狀態(tài)，大約876小時。則由于海底電纜故障或受損修復導致電量損失約350.4萬kWh。

3 結束語

綜上計算分析，選用兩回海底電纜作為出線，雖然在前期建設可能經(jīng)濟投入會比較多，但考慮設備的安全穩(wěn)定性，海上風電場運行環(huán)境的惡劣情況下，海底電纜發(fā)生故障時維護維修時間及電量損失，選用雙回路海底電纜送出接入大電網(wǎng)是最安全可靠的。

參考文獻

[1]杜伯學，馬宗樂，等.電力電纜技術的發(fā)展與研究動向[J].高壓電器，2010.

[2]陳凌云，朱熙樵，李泰軍.海南聯(lián)網(wǎng)工程海底電纜的選擇[J].高電壓技術，2006.