风力发电如何并网清洁能源包括哪一些风力测试仪

　　受西北承平洋季风影响，我外洋海台风灾祸频发。据统计（1949 年以来），我国共有 600 屡次台风登岸，笼盖内地一切省分，均匀每一年约 7 个；广东省、福建省、浙江省是我国台风重灾区。台风等卑劣气候，对海下风电并网送出体系的牢靠性、宁静性组成间接应战，运营保护难度较着加大。

　　思索资本潜力、消纳才能、远洋海疆用地慌张等身分，深近海风电一定是将来海下风电开展的主要标的目的。相干的根底性、前瞻性研讨已连续睁开风力测试仪，但与远洋风电场比拟，送出通道、并网方法面对更加严苛的请求。以柔性直流为代表的深近海大范围海下风电并网送脱手艺在我国尚处于实验树模阶段，契合国情的深近海风电开辟操纵仍有诸多手艺困难有待处理。

　　跟着海下风机电组单机额定容量进步、风电场海疆面积增长，场内聚集间隔加大，为了进步运送容量并低落消耗，66 kV 场内集电体系已开端树模使用，90 kV 及更高电压品级的集电体系也正在手艺研发。跟着更高档级场内聚集电缆的使用，可接纳（舍弃交换海上升压站的）“两站并一站”计划，间接将海下风机电组以 66 kV 或更高电压品级的交换海底电缆接入海上换流平台，然后并网送出。

　　海下风电场接纳交换仍是直流方法并网，经济性是主要考量身分，但也不是独一身分。海下风电范围大、造价高，地点地区情况卑劣、可达性差，运维难度大、周期长，必需高度正视并网送出计划的牢靠性。在计划设想、计划比选、运转保护等各个阶段，采纳须要的手艺步伐来保证卑劣情况前提下大范围并网送出体系的牢靠性，削减因能够毛病招致的潜伏严重丧失。

　　文/张占奎石文辉屈姬贤白宏，中国电力科学研讨院上海交大学电子信息与电气工程学院，中国工程科学

　　2020 年，英国新增海下风电装机容量为 483 MW，占欧洲新增的 16.6%，但增幅降至近 5 年的低点。英国今朝有 4 个海下风电场项目开端海上施工，估计将来 3 年连续并网，新增装机容量超越 3 GW。

　　丹麦是天下上开展海下风电最早的国度，但近几年增速有所下滑。2019 年，丹麦新增海下风电装机容量为 374 MW，占欧洲新增的 10%；2020 年没有新增海下风电，数个大型海下风电场均在建立傍边。估计在 2027 年之前，丹麦将建成单场装机容量达 800 MW 的海下风电场。

　　从天下海下风电建立与计划来看，因为离岸间隔大于 100 km、水深超越 50 m 的深近海域具有更加丰硕的海疆微风能资本，海下风电将来将显现范围化、集群化、深近海化的特性。以德国、英国为代表的欧洲海下风电手艺强国已领先规划深近海风电。比拟陆下风电，海下风电的并网送收工程更加庞大；离岸间隔越远的项目，并网送收工程的本钱越高，且差别的并网送出计划也会影响项目标收益。经济高效地处理大范围海下风电并网送出成绩成为海下风电建立面对的中心应战之一风力测试仪。

　　正在建立中的中国三峡新能源（团体）股分有限公司、中广核风力发电有限公司江苏如东海下风电项目即接纳该种计划。3 个风电场配套新建 3 座 220 kV 海上升压站，3 个风电场的电能聚集于海上换流站后，以 1 回 ±400 kV 直流电缆送往陆上换流站。项目直流海底电缆的输电间隔超越 100 km，建成后将是我国电压品级最高、运送间隔最长的海下风电柔性直流并网送收工程。

　　丹麦投运的海下风电场次要接纳交换并网送出方法，场内集电体系的电压通常是 33 kV，经海上升压站升压至 155 kV 或 220 kV 后，送出至陆上电网。

　　比年来，我国海下风电连结了快速开展势头。按照国度能源局统计数据，停止 2021 年 4 月尾，海下风电并网容量到达 10.42 GW；按照风电行业统计，海下风电年均匀操纵小时数约为 2500 h，比陆下风电超出跨越约 500 h；2021 年 1—4 月，海下风电发电量为 9.94×109kW·h干净能源包罗哪一些。别的，海下风电累计在建装机容量超越 10 GW，估计 2021 年年末海下风电累计装机容量将超越英国，跃居天下第一名。

　　假如风电场群离岸间隔较远（大于 100 km），倡议接纳柔性直流并网送出计划。关于总装机容量在 1 GW 阁下的风电场群，思索经济性，能够在多个升压站聚集后接入 1 座大众海上换流站，接纳 1 回高压柔性直流海缆接入陆上主网。

　　对现有海下风电单场并网输电手艺停止综合操纵，构成可用于大范围海下风电集群并网送出的集成计划，次要有场间交换并联集群团体交换送出计划、场间交换并联集群团体柔直送脱手艺计划、多端柔性直流输电手艺计划、混淆直流输电计划。

　　从手艺成熟度、计划经济性、工程适用性等方面停止比对阐发，我国在“十四五”以致更持久间内，将次要接纳高压交换、柔性直流输电手艺来完成海下风电并网送出。

　　2020 年，德国新增海下风电装机容量为 219 MW，占欧洲新增的 7.5%。EnBW Albatros 风电场间隔德国北海海岸 105 km，成为今朝天下离岸间隔最远的海下风电场。

　　海下风电范围化开展对低落海下风电本钱具有主要感化。为完成大容量海下风电的范围化并网送出，应配套建立更高电压品级的电网、展开更大范畴的互联，增强电网构造和强度，支持大范围海下风电的牢靠接入。

　　在海下风电并网送出方面，应赶早对风电场建立、并网停止计划指导，从场址资本分派方面停止泉源把控；同一分配输电通道走廊资本，最大限度低落海下风电开辟对天然情况的影响；优化海下风电并网送出本钱，制止低效和反复投资。

　　高压交换输电体系手艺成熟、经济性好、使用普遍，但高压交换电缆充电无功成绩会限制线路运送的容量和间隔，且需设置无功抵偿装备。通例直流输电体系需求装置滤波安装、无功抵偿装备，增大了海上升压平台的施工量和庞大度，至今并没有海下风电送出的实践使用。柔性直流输电体系接纳全控型器件来制止换相失利成绩，可完成有功和无功功率的解耦掌握，进步毛病穿越才能，今朝德国已有多个实践工程使用案例。除交直流输电方法外，分频 / 低频输电手艺、基于不控整流器件的相干手艺等也是讨论计划。

　　差别国度海下风电所处的开展阶段、电网构造、经济接受才能不尽不异，对输电计划的需求各别：有些项目风电范围小、离岸近，多接纳交换计划；有些项目风电范围大、离岸远，宜接纳柔直计划。我国的海下风电建立，应量体裁衣地选用响应的并网送脱手艺计划干净能源包罗哪一些，确保海下风电宁静牢靠、经济高效地并网运转。

　　现有海下风电项目集合在远洋，麋集接入本地电网，对电网的接入、送出才能带来应战。以江苏省为例，风电项目录要散布在长江以北的内地地域，盐城、南通、连云港 3 市的占比超越全省的 75%；苏北电源集合，苏南负荷集合，接入网架强度、南北过江通道输电才能均间接影响海下风电的并网送出。

　　正在建立中的中国三峡新能源（团体）股分有限公司阳西沙扒海下风电项目即接纳该种计划。项目总装机容量为 1.7 GW，共分五期建立，一期项目（300 MW）已并网发电；二期至五期项目计划装机容量 1.4 GW，建立 2 座海上升压站；风机电组收回的电能经由过程 35 kV 集电海底电缆接入海上升压站，升压至 220 kV 后经由过程 2 回 3×500 mm2海底电缆、3 回 3×1000 mm2海底电缆接入陆上集控中间，再升压到 500 kV 送出。

　　在将来海下风电大范围开辟操纵之前，应精确把握海下风电的资本储量、散布特征，资本评价应先行。我国海岸线长，各地陆地 / 地质情况差别大、开辟前提各别；跟着开辟手艺的快速迭代，需求对现有的资本数据停止更新，肯定最新的手艺经济可开辟量。由远洋走向近海、由浅海走向深海，是海下风电将来开展的一定趋向。需求尽早把握深近海的风能资本储量、散布状况，接纳同一计划的理念来指点海下风电范围化开辟和操纵，从泉源做好各种地区的团体计划、项目规划。

　　德国重视对海下风电停止集合开辟，对并网送收工程停止同一计划，以此充实操纵通道资本，自 2012 年起在北海投运了 9 项高压直流并网工程。2019 年，容量为 900 MW 的 BorWin3 海上高压换流平台投入运转，风电场收回的电力升压至 155 kV 后，经交换电缆接入直流换流站，变更为 ±320 kV 的直流，后经长度为 130 km 的海底海缆、长度为30 km 的陆上电缆送至陆上电网（见图 4）。

　　跟着海下风电的开展和直流手艺的前进，多端柔性直流输电、混淆直流输电计划得到愈来愈多的存眷 [20~24]。混淆多端直流输电手艺使用仍旧面对应战，如快速直流毛病肃清与规复、多端混淆直流掌握庇护战略设想与优化等。

　　在运送功率相称、牢靠性相称的可比前提下，直流输电的换流站投资高于交换输电的变电站投资，而直流输电线路投资低于交换输电线路投资；跟着输电间隔的增长，交 / 直流输电存在等价间隔（见图 5）。普通而言，当输电间隔大于等价间隔时，接纳直流输电较为经济；反之，接纳交换输电较为经济。差别容量、差别电压品级输电体系，交 / 直流输电的等价间隔不尽不异，凡是以为约在 50~75 km 范畴。跟着电力电子手艺开展、换流安装价钱降落，交 / 直流输电的等价间隔还会进一步收缩。

　　英国已投运的海下风电场次要接纳交换并网方法。如 Hornsea One 海下风电场，因离岸较远、输电消耗大干净能源包罗哪一些，终极接纳 3 座海上升压站 +1 座海上无功抵偿站的计划；无功抵偿站建在离岸约 60 km 处，是天下首个海上无功抵偿站；海下风电场收回的电能经场内聚集后，接入 3 个海上升压站的高压侧，升压后经 3 回交换海缆送出（见图 3）。

　　海下风电是天下风电开展的主要标的目的。从 2010 年到 2020 年，环球海下风电年均增加速率近 30%。到 2020 年年末，环球已投运的海下风电累计装机容量到达 35.2 GW，此中 2020 年新增装机容量为 6.07 GW，持续连结高增加态势。按照国际可再生能源机构（IRENA）猜测，将来海下风电无望连结高速开展态势，2050 年天下海下风电装机容量可达 1000 GW。

　　我国海下风电颠末比年来的快速建立，装机容量已位居天下前线；受补助退出政策的影响而呈现的海下风电抢装潮，倒霉于海下风电的安康可连续开展。倡议展开海下风电集合送出形式研讨，探究鞭策吉瓦级树模项目建立，同一项目资本、电网计划，构成集合连片远间隔送出的新态势。倡议放慢海下风电并网及各环节尺度、标准研制，鞭策国度级海下风电检测认证基地建立；加壮大功率海下风机电组、枢纽部件、根底支持构造等枢纽配备的检测和认证，提拔装备牢靠性和海下风电操纵率，保证海下风电高质量开展。

　　关于总装机容量在 1 GW 阁下的风电场群，如离岸间隔较近，倡议接纳高压交换并网送出计划。思索到 35 kV 场内电缆的送电间隔、220 kV 海底电缆的送电容量（截面为 1600 mm2，审定载流量为 1320 A，容量约为 500 MW），倡议将单个风电场容量掌握在 300~400 MW；每一个风电场设置 1 座海上升压站，接纳多回 220 kV 海底电缆送入电网。鉴于 500 kV 海底电缆的运送容量可达吉瓦级（截面为 1800 mm2，审定载流量为 1411 A，容量约 1.2 GW），在 500 kV 海底电缆手艺成熟后，也可思索接纳单回 500 kV 海底电缆送入电网；同时存眷线路无功抵偿调和振成绩。

　　综上，国表里已投运的海下风电场并网工程都是接纳高压交换、柔性直流手艺计划。久远来看，多种输电手艺、多种并网构造共存是将来海下风电并网体系开展的主导趋向。

　　海下风机电组单机额定容量逐渐进步，曾经进入 15 MW 时期。自 2014 年以来，欧洲新增装机的单机均匀额定容量每一年增加 16%，2020 年到达 8.2 MW。单机额定容量为 8~10 MW 的海下风机电组已具有批产才能，部门厂家推出了单机额定容量约 15 MW 的风机电组计划。

　　在我国，已投运的海下风电场均接纳交换聚集、交换送出的并网方法，送出电压品级以 110 kV 和 220 kV 为主。如鲁能团体有限公司江苏东台海下风电场，场区中间离岸间隔约为 36 km，装机容量为 200 MW，以 1 回 220 kV 交换海缆送出。多个处于计划建立中的海下风电场，拟接纳柔性直流送脱手艺计划。

　　我国海下风电正在进入快速开展阶段，2020 年新增装机容量超越 3 GW（占天下新增装机容量的 50%），海下风电累计装机容量位列天下第二（见图 1、图 2）。跟着碳达峰、碳中和目的的提出，我国新能源开展面对主要的汗青性机缘，构建以新能源为主体的新型电力体系成为火急请求，海下风电及其并网送出开展远景可期。分离比年来海下风电高速开展态势，针对新型电力体系开展亟需，本文展开我国大范围海下风电并网送出战略研讨。梳理国表里海下风电开展态势，总结海下风电并网送脱手艺与使用停顿，分离国情特性讨论我国海下风电并网送出战略，以期为行业计划、手艺开展、财产协作供给根底参考风力测试仪。

　　根据“使用一批、研讨一批、储蓄一批”的手艺开展纪律，超前策划并前瞻规划，安身海下风电、直流手艺的开展前进，展开多端柔性直流、混淆直流等新型海下风电并网送脱手艺计划的设想、实验、树模使用；主动展开海下风电直流电网、海下风电综合能源岛相干的前沿手艺探究与理论。

　　综合思索手艺经济和牢靠性，倡议我国海下风电场单场送出采纳以下计划：①风电场装机容量在 200 MW 之内、离岸间隔小于 50 km 时，接纳高压交换输电方法；②风电场装机容量为 400~600 MW，处于深近海地区，倡议接纳基于电压源变更器的高压直流输电方法；③风电场装机容量为 200~400 MW，倡议按照离岸间隔停止手艺经济比照阐发，再挑选合用的并网送出方法。

　　跟着柔性直流输电手艺在海下风电送收工程中的不竭使用，操纵海上直流送出体系构建高压直流电网成为可行的手艺路子；作为含有“网孔”的直流输电体系，海上直流电网冗余度大、牢靠性高，能够完成海下风电基地的大范围接入并较着减小功率颠簸对电网的影响。海下风电综合能源岛的观点也是极具潜力的手艺标的目的，将海下风电与储能设备、制氢体系或其他电气转换手艺停止有机整合，依托输电、输氢、电氢混淆传输等方法完成海下风电的电力外送与综合操纵。

　　大范围海下风电接入我国东南内地负荷中间电网，加上电网特高压直漂泊点多、散布式光伏大批接入，电网宁静不变成绩相对凸起。比方，江苏省、广东省、山东省、浙江省的最高用电负荷均超越 9000万kW，落地华东地域的特高压直流线 条，核机电组也有较多散布并基荷运转。多种新能源、核电、外来电力均不到场电网调峰，对换峰资本形成挤兑，交换毛病形成大范围新能源连锁脱网、多回直流同时闭锁的风险也在加大，都对海下风电消纳带来应战。

　　我国位处西北承平洋，海岸线长、海疆面积广，海下风能资本储蓄丰硕。我国海下风电具有差别于欧洲市场的特性。

　　研讨较多的手艺计划有高压交换输电（HVAC）体系、基于晶闸管相控变更器的高压直流输电（LCC-HVDC）体系、基于电压源变更器的高压直流输电（VSC-HVDC）体系、分频输电（FFTS）体系等。LCC-HVDC 体系又称通例直流输电体系， VSC-HVDC 体系又称柔性直流输电体系。

　　我国海岸线长，内地地域的海床构造差别较着，因陆地 / 地质情况欠安而招致海下风电开辟难度较高。比方，黄河、长江出口为冲积海床，含泥量高、承载力较低，而欧洲海下风电地点海疆根本以砂质海床为主，承载力高。风机电组和并网输电体系的根底构造在风、海浪、洋流等多种荷载感化下会接受宏大的程度力和颠覆力，必需伸入到更深层的海床中才气抵御这些感化力；卑劣且多样化的地质前提加大了手艺难度和工程造价，对并网体系经济性有着较着影响。

　　我国海下风电颠末多年的开展，曾经从潮间带、远洋逐渐转向深近海，需求在深近海风电手艺范畴提早策划、早作储蓄。经济高效地处理大范围海下风电并网成绩是中心应战之一，需求增强自立立异风力测试仪，在交 / 直流并网手艺经济阐发、并网枢纽手艺研发、运转掌握优化、新型手艺使用等方面展开深化且体系的研讨。构建海下风电并网手艺研发系统，构成兼具引领性和立异性的综合使用树模平台，打破部门枢纽手艺配备“洽商”成绩风力测试仪。

　　我国海下风能的均匀风速为 6.5~11 m/s，欧洲北海海下风能的均匀风速为 9~12 m/s。在均匀风速团体较着偏低的状况下风力测试仪，为到达附近的海下风电发电量占比，我国需求更高的装机容量，从而带来更大的电网均衡难度。

　　今朝，国表里集合送出的风电场群容量凡是为 1 GW 级别。从手艺经济性角度看，远洋风电利用交换输电手艺具有较着劣势；跟着深近海风电开辟范围的扩展化，一些工程开端接纳直流送出计划。比方，德国 SylWin1 工程聚集了 3 座容量均为 288 MW 的海下风电场，直流电压品级为±320 kV，送出线 km 长度的海底电缆、 45 km 长度的陆上电缆。

　　欧洲海下风电起步早，以电价政策为中间的全方位、系统化、持久性搀扶政策阐扬了枢纽感化；竞价上彀曾经成为海下风电开展的新形式，放慢海下风电手艺提拔、本钱低落成为社会共鸣。面临我国海下风电补助政策行将退出的实践情况，倡议增强对外的行业性交换，讨论并鉴戒欧洲海下风电项目标合作性配购置法，明了我国中持久的合作性开展思绪、手艺开展道路干净能源包罗哪一些。英国、德国、丹麦等欧洲国度在海下风电开辟并网方面具有丰硕且有效果的经历，如高效的前期事情、办理机构“一站式”效劳、新手艺研发与使用撑持等，也是值得我国行业开展参考的主要内容。鉴戒成熟市场开展经历，探究财产高质量、可连续开展门路，增进海下风电财产平妥当康开展。

　　单个海下风电场容量愈来愈高，已投运最大容量超越 1 GW，范围化开辟趋向凸显。欧洲海下风电场的均匀容量范围从 2010 年的 313 MW 进步到 2020 年的 788 MW，2019 年并网的英国 Hornsea One 海下风电场装机容量到达 1.218 GW。

　　详细到代表性项目层面，2021 年 6 月，我国装机范围最大的中国华能团体有限公司江苏如东海下风电项目建成投运，是今朝海内范围最大、国产化水平最高的海下风电场，总装机容量为700 MW。作为海内第一个批量化、范围化使用 5 MW 级国产机组的海下风电场，装置机组完成了一级部件100% 国产、一切元器件级零件国产化率超越 95%。项目施行投运关于助力碳达峰、碳中和目的完成，追逐国际高端配备手艺前沿，完成海下风电全财产链国产化、海下风电平价化具有主动意义干净能源包罗哪一些。

　　我国海下风能资本次要散布在东南内地经济兴旺地域。陆地举动频仍，用海需求多样，海下风电的用海需求与交通、海事、渔业、国防、情况庇护等互相交错，可用于海下风电开辟及并网送出的通道资本趋于慌张。

　　竞价上彀成为海下风电开展新形式干净能源包罗哪一些，海下风电本钱稳步降落。比年来，欧洲国度普遍利用招标形式开辟海下风电项目，相干补助程度大幅降落。比拟 2012 年，当前的海下风电本钱降落了约 25%，估计到 2025 年将进一步低落 8%~10%。