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摘 要：该文从海上风场的电网、海底电缆的情况、远程监控和定期检修以及电所主接线几个方面大致探讨了海上风力发电机组的电力传输发展趋势。
关键词：海上风力发电 电力传输 趋势
中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）05（a）-0092-01
1 海上风力发电场
根据多年的观测结果及国外运行经验，海上风力发电场相比陆上风力发电场具有的优势为：对环境（诸如占地面积、风扇及机组的噪音排放等）的影响小；风速相对较高；设备可采用海上运输，因此可以设计与安装更大型机组，从而增加单位面积的装机容量。一般情况下海上风力发电场发出的电压等级在30～36 kV，因此对于距离海岸远的大型风电场，根据电能传输理论，必须提高线路的输送电压，以提高电能的传输效率。当海上风力发电场的规模相对较小且距离海岸较近时，交流输变电机组并网方式一般采用加静止同步无功补偿器（STATCOM）的交流高压聚合物电缆接入到陆地电网，其主要构成部分分为：发电机组侧升压变压器、海底交流高压聚合物电缆、高压聚合物电缆两端的晶闸管控制电抗器补偿单元、陆地电网变压器。上述这几个主要部分构成了海上风电机组的功率汇合点：风力发电机，风场变电站，再通过海底电缆接入陆地电力的电能传输系统。海上风力发电场所采用交流输电并入陆地电网的主要优点是：电能传输系统结构简单，成本较低。缺点主要是：由于交流高压聚合物电缆本身的充电电流影响，不可能实现大功率的传输容量和较远的传输距离。另外，随着风电场建设规模的增大和离岸距离的增长，尤其是当设计装机容量为500 MW以上的风力发电系统时，采用高压直流输电技术连接风电场和陆地电网成了国内外高校和电网企业的研究热点。像变压器、电抗器及电缆的接头等电器设备很容易受到包括制造问题、离岸的气候条件、空气中盐分的侵蚀等的危害。因此，在风力发电机组的设计中应当充分考虑到气候条件对电气设备的损害，以及定期的检测电气设备的可靠性，以保证其安全运行。由于海上风力发电机组远离陆地，海底电缆又埋于地下，对电气设备的检测存在一定困难。
2 海底电缆的敷设
20世纪90年代以前海底电缆多采用油浸纸绝缘电缆。近年来交联聚乙烯绝缘电力电缆（XLPE）以其诸多的优异性能现已成为应用最广泛的交流海底电缆。但一般单根的海底电缆长度并不能达到整条输电线路长度的要求，所以为增加电缆长度只能采用海底电缆的中间接头。中间接头的种类分为两种，一种是在电缆出厂以后，在敷设过程中现场安装的“固定接头”；另一种则是在电缆的生产过程中进行电缆接续， 俗称“软接头”。以现阶段的敷设经验来看，由于海上电缆敷设船的条件限制， 在无法提供单根大长度电缆的时候，“软接头”技术比“固定接头”技术应用更广范。海上风电场通过高压海底电缆与陆地电网并联，在运行过程中为了降低由于渔民的捕鱼等所使用的设备对海底电缆造成破坏的风险，很有必要将海底电缆埋起来。在海底环境比较平坦的情况下，可以采用高压喷头冲洗海床，然后将高压电缆敷设于海床内。相对于将电缆掘进或投入海床，这样是更加经济和合理的方法。
3 检修情况和远程监控
海上恶劣的天气使相关设备有可能得不到检修人员正常的检修和维护，容易造成故障隐患。所以，定期检修和远程时时监控对于海上设备尤其是风机高可靠性显得非常重要。对于一些离陆地较远的风电场，应根据当时的气象条件制订合理的风机的检修程序并开发相关的检修用设备。同时，由于海上空气的腐蚀性比较强，在运行过程中对海上风场的远程时时监控要比陆地风场更为重要一些，从目前欧洲已建成的海上风力发电场来看，其采用远程监控技术已有数年的运行经验，监测情况良好。工程师预测海上风电场采用1.5 MW的大机组，在风机上安装一些新开发的传感器，利用这些传感器来对风电场的重要设备诸如风机进行时时的在线检测。同样地，为了确保相关设备得到适当的检修，工业中一些产业也需要对这项技术非常了解。
4 电气主接线的设计
根据目前国际上通用规划的120～150 MW的大型风电场可能以33 kV的电压等级的电网进行相联。风电场中，会设计有30～110 kV电压等级的变电站平台和许多检修设备。与陆地的联结较多的采用110 kV电压等级。目前为止，风力发电较为发达的地区是欧洲沿海国家和美国，印度和日本根据自身的地理位置特点也在大力发展海上风电，我国在21世纪初也越来越重视海上风电的发展，其中较大的风力发电场为上海市的东海大桥风电场。其装机容量达到了100 MW，由50台2 MW风力发电机组构成，距离海岸线最近约为6 km，最远约为13 km。每台风机配备一台0.69/35 kV升压变压器，最终所有风机的电能母线，再经海底电缆以交流/直流的形式传输到陆地电网。在风电场的设计阶段，电气主接线方式应视其具体的位置、风力大小和分布情况而定。从目前世界上已运行的陆上和海上风电场的设计经验来看，电气主接线基本上有三种形式：链形、星形、环形。（1）有功损耗：交流高压电缆将风电场的电能由35千伏电缆输出，通过80 Mvar的SVC后，传输到陆上变电站主变压器的35 kV侧，海底交流电缆在登陆点换为陆上交流电缆。根据文献中的仿真结果（只对a，b，c，d四种类型进行仿真）发现单边环形损耗最低，其次是复合环形，链形结构的有功损耗最高。（2）稳定性：电压稳定性，根据规定，35 kV及以上供电电压的正负偏差值不超过额定电压的10%。根据仿真结果发现，几种接线方式都符合规定。由于海上输电电缆一旦出现故障，维修需要花费的时间比较长，因此具有冗余的环形结构更具优势。（3）经济性：根据工程造价分析可知海上风电场的建设成本是同规模的陆上风电场的2倍，风机安装、海底电缆敷设、连接设备是导致两者投资成本差额的主要原因。在海上风电场的总成本中，电气接线系统占约19%。由接线结构可知单边环形成本最高，其次是复合环形，然后是双边环形，链形结构的成本最低。
单边环形结构的建设成本最高，但其有功损耗、电压偏差最小。链形结构的基础建设成本最低，但其有功损耗、电压偏差最大。双边环形、复合环形结构在以上所讨论的几种因素中处于中间，综合特性能最好。其中，复合环形结构的建设成本比双边环形结构低，同时其有功损耗、电压偏差也均低于双边环形结构。需要专门提出的一点是：在使用复合环形结构的条件下，任一主电缆故障会造成所有回路均有故障电流，所以故障判断和继电保护也更加复杂。
参考文献
[1] 郭雁珩，易跃春.海上风力发电[J].农电管理，2004（7）：40-42.
[2] 吕广强.风力发电的并网接入及传输方式[J].江苏电机工程，2006，7（4）：55-57.
关键词：海上风力发电 电力传输 趋势
中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）05（a）-0092-01
1 海上风力发电场
根据多年的观测结果及国外运行经验，海上风力发电场相比陆上风力发电场具有的优势为：对环境（诸如占地面积、风扇及机组的噪音排放等）的影响小；风速相对较高；设备可采用海上运输，因此可以设计与安装更大型机组，从而增加单位面积的装机容量。一般情况下海上风力发电场发出的电压等级在30～36 kV，因此对于距离海岸远的大型风电场，根据电能传输理论，必须提高线路的输送电压，以提高电能的传输效率。当海上风力发电场的规模相对较小且距离海岸较近时，交流输变电机组并网方式一般采用加静止同步无功补偿器（STATCOM）的交流高压聚合物电缆接入到陆地电网，其主要构成部分分为：发电机组侧升压变压器、海底交流高压聚合物电缆、高压聚合物电缆两端的晶闸管控制电抗器补偿单元、陆地电网变压器。上述这几个主要部分构成了海上风电机组的功率汇合点：风力发电机，风场变电站，再通过海底电缆接入陆地电力的电能传输系统。海上风力发电场所采用交流输电并入陆地电网的主要优点是：电能传输系统结构简单，成本较低。缺点主要是：由于交流高压聚合物电缆本身的充电电流影响，不可能实现大功率的传输容量和较远的传输距离。另外，随着风电场建设规模的增大和离岸距离的增长，尤其是当设计装机容量为500 MW以上的风力发电系统时，采用高压直流输电技术连接风电场和陆地电网成了国内外高校和电网企业的研究热点。像变压器、电抗器及电缆的接头等电器设备很容易受到包括制造问题、离岸的气候条件、空气中盐分的侵蚀等的危害。因此，在风力发电机组的设计中应当充分考虑到气候条件对电气设备的损害，以及定期的检测电气设备的可靠性，以保证其安全运行。由于海上风力发电机组远离陆地，海底电缆又埋于地下，对电气设备的检测存在一定困难。
2 海底电缆的敷设
20世纪90年代以前海底电缆多采用油浸纸绝缘电缆。近年来交联聚乙烯绝缘电力电缆（XLPE）以其诸多的优异性能现已成为应用最广泛的交流海底电缆。但一般单根的海底电缆长度并不能达到整条输电线路长度的要求，所以为增加电缆长度只能采用海底电缆的中间接头。中间接头的种类分为两种，一种是在电缆出厂以后，在敷设过程中现场安装的“固定接头”；另一种则是在电缆的生产过程中进行电缆接续， 俗称“软接头”。以现阶段的敷设经验来看，由于海上电缆敷设船的条件限制， 在无法提供单根大长度电缆的时候，“软接头”技术比“固定接头”技术应用更广范。海上风电场通过高压海底电缆与陆地电网并联，在运行过程中为了降低由于渔民的捕鱼等所使用的设备对海底电缆造成破坏的风险，很有必要将海底电缆埋起来。在海底环境比较平坦的情况下，可以采用高压喷头冲洗海床，然后将高压电缆敷设于海床内。相对于将电缆掘进或投入海床，这样是更加经济和合理的方法。
3 检修情况和远程监控
海上恶劣的天气使相关设备有可能得不到检修人员正常的检修和维护，容易造成故障隐患。所以，定期检修和远程时时监控对于海上设备尤其是风机高可靠性显得非常重要。对于一些离陆地较远的风电场，应根据当时的气象条件制订合理的风机的检修程序并开发相关的检修用设备。同时，由于海上空气的腐蚀性比较强，在运行过程中对海上风场的远程时时监控要比陆地风场更为重要一些，从目前欧洲已建成的海上风力发电场来看，其采用远程监控技术已有数年的运行经验，监测情况良好。工程师预测海上风电场采用1.5 MW的大机组，在风机上安装一些新开发的传感器，利用这些传感器来对风电场的重要设备诸如风机进行时时的在线检测。同样地，为了确保相关设备得到适当的检修，工业中一些产业也需要对这项技术非常了解。
4 电气主接线的设计
根据目前国际上通用规划的120～150 MW的大型风电场可能以33 kV的电压等级的电网进行相联。风电场中，会设计有30～110 kV电压等级的变电站平台和许多检修设备。与陆地的联结较多的采用110 kV电压等级。目前为止，风力发电较为发达的地区是欧洲沿海国家和美国，印度和日本根据自身的地理位置特点也在大力发展海上风电，我国在21世纪初也越来越重视海上风电的发展，其中较大的风力发电场为上海市的东海大桥风电场。其装机容量达到了100 MW，由50台2 MW风力发电机组构成，距离海岸线最近约为6 km，最远约为13 km。每台风机配备一台0.69/35 kV升压变压器，最终所有风机的电能母线，再经海底电缆以交流/直流的形式传输到陆地电网。在风电场的设计阶段，电气主接线方式应视其具体的位置、风力大小和分布情况而定。从目前世界上已运行的陆上和海上风电场的设计经验来看，电气主接线基本上有三种形式：链形、星形、环形。（1）有功损耗：交流高压电缆将风电场的电能由35千伏电缆输出，通过80 Mvar的SVC后，传输到陆上变电站主变压器的35 kV侧，海底交流电缆在登陆点换为陆上交流电缆。根据文献中的仿真结果（只对a，b，c，d四种类型进行仿真）发现单边环形损耗最低，其次是复合环形，链形结构的有功损耗最高。（2）稳定性：电压稳定性，根据规定，35 kV及以上供电电压的正负偏差值不超过额定电压的10%。根据仿真结果发现，几种接线方式都符合规定。由于海上输电电缆一旦出现故障，维修需要花费的时间比较长，因此具有冗余的环形结构更具优势。（3）经济性：根据工程造价分析可知海上风电场的建设成本是同规模的陆上风电场的2倍，风机安装、海底电缆敷设、连接设备是导致两者投资成本差额的主要原因。在海上风电场的总成本中，电气接线系统占约19%。由接线结构可知单边环形成本最高，其次是复合环形，然后是双边环形，链形结构的成本最低。
单边环形结构的建设成本最高，但其有功损耗、电压偏差最小。链形结构的基础建设成本最低，但其有功损耗、电压偏差最大。双边环形、复合环形结构在以上所讨论的几种因素中处于中间，综合特性能最好。其中，复合环形结构的建设成本比双边环形结构低，同时其有功损耗、电压偏差也均低于双边环形结构。需要专门提出的一点是：在使用复合环形结构的条件下，任一主电缆故障会造成所有回路均有故障电流，所以故障判断和继电保护也更加复杂。
参考文献
[1] 郭雁珩，易跃春.海上风力发电[J].农电管理，2004（7）：40-42.
[2] 吕广强.风力发电的并网接入及传输方式[J].江苏电机工程，2006，7（4）：55-57.