海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電氣基礎(chǔ)設(shè)施以及運(yùn)輸、安裝和維護(hù)

1、海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電氣基礎(chǔ)設(shè)施以及運(yùn)輸、 安裝和維護(hù) 系統(tǒng)的可靠性及其冗余 部件組裝和海上安裝的成本較高 將電能輸送到陸地的距離較遠(yuǎn) 在大型的海上風(fēng)電場，電氣基礎(chǔ)設(shè)施不僅包括陸上風(fēng)電場所需要的電纜鋪設(shè)和 電網(wǎng)連接，還由于它是一個獨(dú)立和復(fù)雜的系統(tǒng)有一些特殊的技術(shù)要求和特點(diǎn) 10.4.4電氣基礎(chǔ)設(shè)施包括 海上風(fēng)電場內(nèi)部的電氣系統(tǒng) 海上變電站 連接陸地電網(wǎng)的海底電 纜 陸上輸電線路 JDR Cables 目前的海上風(fēng)電場項(xiàng)目內(nèi)部電氣系統(tǒng)一般為一個中壓三 項(xiàng)系統(tǒng)，電壓等級為1035KV。連接電纜為3芯，帶光 纖信號導(dǎo)體，稱為XLPE電纜，排列成一個圖盤形狀。目 前的塑料（非金屬）護(hù)套電纜的成本比一般陸

2、地電纜要 高20%40%鋪設(shè)成本一般要高50%80%36kV海底電 纜的成本（包括鋪設(shè)費(fèi)用)約為120 -460歐元m，高壓 電纜(110150kV)的成本（包括鋪設(shè)費(fèi)用)約為550- 650歐元/m。使用專門的電纜鋪設(shè)船，在海底噴射出Im 深的水溝，將電纜放入、鋪設(shè)。 5 三芯海底電纜 6 海纜施工質(zhì)量管理要點(diǎn) （1）海底電纜應(yīng)按規(guī)定的電纜路由進(jìn)行敷設(shè)。電纜敷設(shè)施工時應(yīng)嚴(yán) 格按照設(shè)計(jì)要求控制敷設(shè)偏差，一般情況偏差小于水深的50%，電 纜轉(zhuǎn)角施工時偏差應(yīng)不得大于該處海水水深。 （2）敷設(shè)余量應(yīng)隨水深、海底坡度等參數(shù)的變化而變化，電纜需沿 海底地形走勢緊貼海床敷設(shè)，不得存在懸空的現(xiàn)象； （3）實(shí)

3、時監(jiān)控海纜敷設(shè)施工中敷設(shè)速度與敷設(shè)張力，保持船舶行進(jìn) 速度與敷設(shè)速度一致，確保海纜受到的敷設(shè)拉力在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)； （4）海纜敷設(shè)時，應(yīng)保持海纜入水角度為3060O，確保海纜內(nèi)部結(jié) 構(gòu)不受損壞； （5）海纜敷設(shè)船應(yīng)配備 GPS系統(tǒng)，實(shí)時記錄海纜 敷設(shè)路徑，為將來對海纜 的檢查、保養(yǎng)、維修提供 便利； （6）海纜接入環(huán)網(wǎng)柜T套 管電纜頭制作時應(yīng)嚴(yán)格按 照T套管廠家工藝標(biāo)準(zhǔn)。 海纜鋪設(shè)船示意圖 7 電纜的鋪設(shè) JDR Cables 電能的傳輸方式大致可以分為 3 種:高壓交流輸電(HVAC)、 高壓直流輸電 (HVDC)和電壓源換流器高壓直流輸電(VSC- HVDC) HVAC 應(yīng)用較早并已積累了

4、 豐富的經(jīng)驗(yàn)， 電纜和電子器件等的成本也相對較低， 在很多小型的近海風(fēng)場 得到廣泛應(yīng)用 離岸較遠(yuǎn)的大型海上風(fēng)場一般采用 HVDC 輸電 HVDC 輸電 不受容性電流的影響， 電壓損耗低， 可調(diào)節(jié)有功和無功功率的輸出， 保持電 網(wǎng)穩(wěn)定，傳輸時不會產(chǎn)生諧振， 且不會在電網(wǎng)中產(chǎn)生短路電流 VSC- HVDC 使用脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生 正弦電壓， 控制靈活， 可任意進(jìn)行 有功和無功控制， 允許雙向能量傳 輸， 故障時解耦， 風(fēng)場不必和電網(wǎng) 保持同步， 并可采用多端并網(wǎng)方式， 在海上風(fēng)場的發(fā)展極具優(yōu)勢隨著 距離的增加， HVDC 輸電的優(yōu)勢越 明顯數(shù)據(jù)表明， 離岸越遠(yuǎn)直流輸 電的優(yōu)越性越顯現(xiàn) 在距離較近的

5、 海岸， 交流輸電的總成本高于直流 輸電， 但是當(dāng)海岸距陸地超過 90 km 時， 直流輸電的優(yōu)勢可得到充分 體現(xiàn) 7/4/2021 海上變電站 在距離較遠(yuǎn)、功率較高的情況下，電能必須以高壓傳送到陸地上，如超過IOOMW且 離岸超過15km這種情況下建立海上變電站通常是必要的，在變電站內(nèi)，風(fēng)力發(fā) 電機(jī)的輸出電纜被連接到一個中心點(diǎn)上，電力以高壓來傳輸。 海上平臺上的主要電氣設(shè)備: 主變及冷卻系統(tǒng); 高壓氣體絕緣開關(guān)； 中壓開關(guān)； 無功補(bǔ)償; 輔助變壓器及中性點(diǎn)接地設(shè)備; SCADA； 柴油機(jī)組及低壓供電系統(tǒng)等。 10 海上變電站的設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則 一般裝2臺主變并以隔火墻隔離; 主變?nèi)萘啃韪鶕?jù)風(fēng)場容

6、量優(yōu)化; 開關(guān)設(shè)備所在區(qū)域通風(fēng)良好; 隔層空間設(shè)計(jì)充分考慮海底電纜安裝的需要。 緊急備用電源完全獨(dú)立，在事故情況下可接近，可控制， 可靠; 柴油機(jī)或加熱器遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域，適當(dāng)隔離; 緊急備用電源不受水災(zāi)，火災(zāi)或主系統(tǒng)事故的影響，維持 其完整性; 持續(xù)電源及電池系統(tǒng)應(yīng)該與緊急備用電源隔離，不受影響。 11 海上升壓站立面圖 新聞鏈接中國首座海上變電站 2015年9月26日11點(diǎn)58分，隨著3500T浮吊船“宇航3000號”主鉤順利松鉤， 中國首座海上變電站中廣核如東150兆瓦海上風(fēng)電項(xiàng)目110千伏海上升壓 站吊裝完成。中廣核風(fēng)電人填補(bǔ)了華夏浩瀚大洋之上無高壓變電站的空白。 中廣核如東150兆瓦海上

7、風(fēng)電項(xiàng)目110千伏海上升壓站平臺總重約1280噸，采 用整體式布置，包括上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)。下部結(jié)構(gòu)采用單樁型式。上部結(jié) 構(gòu)包括過渡段和上部 組塊，布置了電氣 、消防、暖通和給 排水設(shè)備。單樁基 礎(chǔ)和上部組塊過渡 段分別于6月和9月 完成施工。后續(xù)， 中廣核將在確保安 全和質(zhì)量的前提下 推進(jìn)海上風(fēng)電項(xiàng)目 建設(shè)，實(shí)現(xiàn)年內(nèi)中 國首個真正意義上 的海上風(fēng)電項(xiàng)目并 網(wǎng)發(fā)電。 13 與陸地電網(wǎng)連接 輸電并網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu) 海上風(fēng)電場規(guī)模不斷擴(kuò)大且逐漸遠(yuǎn)離陸地， 使輸電并網(wǎng)面臨巨大挑戰(zhàn) 海上風(fēng)場的離岸集 電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及電能傳輸方式都是目前研究的重要課題 海上風(fēng)場的集電系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī) 和變電站 2 部分 風(fēng)機(jī)一般分為

8、多組， 每組采用星型或串型方式連接， 如圖 3 所 示 串型連接方式中每個風(fēng)機(jī)都有獨(dú)立的變 壓器， 多臺風(fēng)機(jī)連接型成串型或叉型支路連至變電 站 星型連接的風(fēng)機(jī)先與臨近的裝有變壓器的集電 平臺相連， 再集中連接至變電站 星型連接的風(fēng)機(jī) 不需要安裝單獨(dú)的升壓變壓器， 成本低， 但穩(wěn)定性 差， 且要建多重集電平臺， 施工不便， 目前海上風(fēng) 機(jī)只采用串型連接 考慮到海底電纜鋪設(shè)和風(fēng)機(jī) 連接， 原則上將變電站的位置定于海上風(fēng)場的幾何 中心， 但建設(shè)陸上變電站更容易， 成本更低， 目前 海上和陸上變電站平臺都有使用 風(fēng)場密集區(qū)并網(wǎng) 還應(yīng)考慮風(fēng)場間的連接 風(fēng)場間主要有徑向網(wǎng)絡(luò)和 離岸型網(wǎng)絡(luò) 2 種形式 徑向

9、網(wǎng)絡(luò)中每個風(fēng)場直接與 陸上的主電網(wǎng)相連;離岸型網(wǎng)絡(luò)是臨近的風(fēng)場先相互 連接形成網(wǎng)絡(luò)， 再通過主線與陸上主電網(wǎng)連接 研 究表明， 離岸型的連接方式更經(jīng)濟(jì)、 更穩(wěn)定， 是未來發(fā)展的趨勢。 14 電壓等級的選擇 對于風(fēng)機(jī)之間的互聯(lián)電網(wǎng), 2540kV (33 kV in UK) 是主流， 取決于配套的變壓器，開關(guān)設(shè)備的性能與造價； 對于外送電纜, 130150kV (132kV in UK) 被廣泛選擇，既有 成本因素，也有技術(shù)因素，比如風(fēng)場規(guī)模，XLPE海底電纜 技術(shù)現(xiàn)狀，海上變電站設(shè)計(jì)容量以及離岸距離等。 海上安裝和運(yùn)輸對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)輸和組裝提出了特殊的要求，所 產(chǎn)生的問題和需要的成本與陸地風(fēng)

10、力發(fā)電機(jī)組的截然不同。海上風(fēng)電 工程建設(shè)要求“無大風(fēng)、無海浪、無淋雨”的條件，而我國東南沿海 受海洋性氣候和大陸性氣候交替影響，頻繁遭遇臺風(fēng)、暴雨、潮汐、 巨浪等極端天氣，一年的有效施工天數(shù)約為150天，致使海上風(fēng)電場 的施工工期延長，運(yùn)行維護(hù)難度加大。 10.4.5海上風(fēng)力機(jī)的運(yùn)輸、安裝和維護(hù) 16 海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)輸 對于安裝海上風(fēng)力機(jī)首先就是大宗部件的運(yùn)輸。如4MW、 5MW的風(fēng)力機(jī)，塔筒和葉片的長度都超過了50m，在陸地 長途運(yùn)輸時，困難可想而知。此外還有基礎(chǔ)問題，如果采 用多樁式基礎(chǔ)，問題尤其突出。出于經(jīng)濟(jì)原因的考慮，部 件的預(yù)制和組裝都在陸地進(jìn)行，這就省卻了在海上組裝的 成本和不

11、可測因素，如因?yàn)樘鞖庠驘o法及時裝配，將產(chǎn) 生大部件儲存的問題。 17 海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安裝 離岸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安裝相對于岸上安裝難度更高，可通過千斤頂駁船或浮吊 船完成。它們之中的選擇取決于水的深度，以及起吊機(jī)的能力和駁船的載重 量。起吊機(jī)應(yīng)具備提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要部件（如塔架、機(jī)艙、葉輪等）的能 力，其吊鉤提升高度應(yīng)大于機(jī)艙的尺寸，確保塔架和風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝配的安裝。 現(xiàn)有的浮吊船大多不是特意為海上風(fēng)力發(fā)電場的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝而設(shè)計(jì)制 造的。對于大型海上風(fēng)力發(fā)電場，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組超過50臺時，可以通過使 用安裝駁船來控制建設(shè)周期（即控制成本），以確保完成建設(shè)任務(wù)。 目前，安裝過程一般分成兩個部分。

12、首先基礎(chǔ)的安裝，然后是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 在基礎(chǔ)上的安裝。通常風(fēng)力發(fā)電機(jī)組先在陸上裝配完整，如先安裝好塔架、 機(jī)艙和槳葉各部分，再將其運(yùn)輸?shù)胶Ｉ习惭b在支撐基礎(chǔ)上。另外一種是把塔 架先安裝在基礎(chǔ)上，然后運(yùn)輸機(jī)艙、風(fēng)輪到現(xiàn)場進(jìn)行安裝；如在丹麥 Middelgrunden海上風(fēng)力發(fā)電場的建設(shè)過程中,首先是塔架部分的預(yù)安裝并運(yùn)送 至革礎(chǔ)所在處，控制面板、配電盤和變壓器在運(yùn)輸和升降過程中被置于塔架 的底部。 所有的安裝工作受限于天氣條件，不可避免地會遇到天氣不理想或不能開工 時段。將風(fēng)力機(jī)運(yùn)輸?shù)斤L(fēng)大浪急的海面，即使在浪高略超過Im時，停泊維修 船都十分困難，其結(jié)果是為了很小的故障而不得不等待很長的時間（這些故

13、 障在陸地上只需幾小時就可解決）。在天氣相對平靜的夏季，風(fēng)速和海浪高 度基本處于安全限內(nèi)，選擇此時安排風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝工作可以縮短工程周期。 18 海上風(fēng)機(jī)安裝 19 海上風(fēng)機(jī)安裝船介紹 起重船 起重船通常具備自航能力，船上配備起重機(jī)，可以運(yùn)輸 和安裝風(fēng)車和基礎(chǔ)。 自升式起重平臺 自升式平臺配備了起重吊機(jī)和48個樁腿， 在到達(dá)現(xiàn)場之后樁腿插入海底支撐并固定駁船，通過液壓升降裝置可 以調(diào)整駁船完全或部分露出水面，形成不受波浪影響的穩(wěn)定平臺。 自航自升式風(fēng)機(jī)安裝船 兼具自升式平臺和浮式船舶的 優(yōu)點(diǎn)，專門為風(fēng)機(jī)安裝而設(shè)計(jì)與建造的自航自升式安裝船。 樁腿固定型風(fēng)車安裝船 樁腿固定型風(fēng)車安裝船是自航 自升

14、式風(fēng)車安裝船與起重船之間的一種折中方案。其通常由常規(guī)船舶 改建而成，尺度小于專門建造的安裝船，樁腿為改建中安裝。在作業(yè) 工程中船體依然依靠自身浮力漂浮在水中，樁腿只起到穩(wěn)定船體的作 用。 離岸動力定位及半潛式安裝船 目前主要用于海上 石油開發(fā)。動力定位安裝船可以在除淺水區(qū)域外的任何水深條件下作 業(yè)，安裝效率高，但易受天氣因素制約。 20 海上風(fēng)機(jī)安裝船 21 海上風(fēng)電場維護(hù)的困難 風(fēng)電場海域有其特殊性，通達(dá)困難，作業(yè)時間短 運(yùn)維作業(yè)受潮汐影響明顯，既有臺風(fēng)等惡劣工況，還存在 較多的大風(fēng)，團(tuán)霧、雷雨天氣，又有大幅淺灘，潮間帶各 潮汐影響明顯，通達(dá)困難，交通設(shè)備選擇困難，海上維護(hù) 作業(yè)有效時間短，

15、安全風(fēng)險(xiǎn)大。 22 海上風(fēng)電場維護(hù) 現(xiàn)有的海上風(fēng)力機(jī)組運(yùn)行與維護(hù) （O&M ） 主要包括定期維護(hù) （檢察、 清潔等 ） 、 停機(jī)維護(hù) （某種程度的故障檢修， 如手動重啟或更換主要部件） 和狀態(tài)監(jiān)測3種維護(hù) 方案 。 定期維護(hù)需對機(jī)組及其零部件進(jìn)行周期性的檢查， 比如風(fēng)機(jī)聯(lián)接件之間的螺栓 力矩檢查 （包括電氣連接 ） ， 各傳動部件之間的潤滑和各項(xiàng)功能測試等。其優(yōu)點(diǎn)為： 停機(jī)幾率較小， 維護(hù)可有計(jì)劃地執(zhí)行， 且配件的補(bǔ)給比較方便。采用定期維護(hù)方案， 若設(shè)備已處于疲勞和磨損狀態(tài)， 但需到周期時才能進(jìn)行更換。也存在使用壽命還未用 盡，或經(jīng)過維修后還可繼續(xù)使用的設(shè)備， 卻被更換的現(xiàn)象， 造成不必要的浪

16、費(fèi)。此外， 載重機(jī)和維修人員費(fèi)用占的比例較大。路程較遠(yuǎn)， 配件、 部件及工作人員的輸送費(fèi)用 也非常高， 頻繁地往返風(fēng)電場需要巨額資金。此外， 受天氣影響較大， 定期維護(hù)不適 用于海上風(fēng)電。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生重大故障導(dǎo)致停機(jī)或一些小型的機(jī)械或電氣元件有故 障 （比如電流短路或者開關(guān)跳閘等） 導(dǎo)致風(fēng)電場停機(jī)時， 需要配備專門船只、船員和 技術(shù)人員赴現(xiàn)場進(jìn)行停機(jī)檢修。如果是齒輪箱等大部件發(fā)生故障， 還需要動用大型浮 吊進(jìn)行更換， 單次吊裝費(fèi)用高達(dá)200多萬元， 且造成長時間停機(jī)， 發(fā)電量損失很大。 停機(jī)檢修缺點(diǎn)為： 發(fā)生大故障的風(fēng)險(xiǎn)較大， 停機(jī)檢修所需時間長； 不能按計(jì)劃進(jìn)行維 修； 配件供給比較復(fù)雜，

17、 需要很長的供應(yīng)時間。此外， 受天氣影響， 運(yùn)行人員對風(fēng)電 機(jī)組及時維修的可能性較低， 停機(jī)加長， 發(fā)電損失巨大。因而， 對于近海風(fēng)電場而言， 停機(jī)維修方案是不可行的。狀態(tài)監(jiān)測是對風(fēng)電機(jī)組主要設(shè)備進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測， 對各種設(shè) 備反饋的信號進(jìn)行實(shí)時分析， 若發(fā)現(xiàn)故障信號， 則及時處理。因此， 保障設(shè)備在限定 的疲勞和磨損范圍內(nèi)工作，一旦達(dá)到極限就會被更換。狀態(tài)檢測的優(yōu)點(diǎn)為：部件能最 大限度的被利用， 停機(jī)概率較低， 檢修方案可計(jì)劃執(zhí)行， 部件供給比較方便。此外， 狀態(tài)監(jiān)測可發(fā)現(xiàn)極端外部條件下， 如因結(jié)冰或者海浪導(dǎo)致的風(fēng)機(jī)塔筒振動等， 從而可 觸發(fā)風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生控制保護(hù)， 避免產(chǎn)生重大損壞。缺點(diǎn)為對部件

18、的剩余使用壽命要有 可靠的信息； 對狀態(tài)檢修的軟硬件要求較高。目前的狀態(tài)監(jiān)測已經(jīng)從過去的糾錯性維 護(hù)向預(yù)測性維護(hù)方向發(fā)展。 23 系統(tǒng)監(jiān)測 受天氣和海洋環(huán)境的影響， 海上風(fēng)場的維護(hù)與陸地相比難度更大 為合理有 效維護(hù)風(fēng)場設(shè)備， 減少停機(jī)時間， 降低維護(hù)成本， 采用合理方案對風(fēng)力機(jī)組 進(jìn)行監(jiān)測十分必要監(jiān)測系統(tǒng)包括狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷 2 部分， 通過對設(shè)備 運(yùn)行過程中所表現(xiàn)出的各種外部征兆及信息， 提取反映狀態(tài)的正確信息并進(jìn) 行分析和識別其內(nèi)部故障 由于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作過程復(fù)雜， 對其進(jìn) 行深入分析和深層故障診斷， 不僅要依靠一定的理論和方法， 而且更重要的 是必須了解、熟悉具體設(shè)備的結(jié)構(gòu)與

19、運(yùn)行機(jī)理， 并融入維護(hù)人員的經(jīng)驗(yàn)和技 巧 此外狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具有完善的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)， 能夠界定正常工作狀態(tài)和警 戒范圍， 這些標(biāo)準(zhǔn)需要根據(jù)大量的故障數(shù)據(jù)制定 風(fēng)力發(fā)電在線監(jiān)測系統(tǒng)的 主要任務(wù)是信號拾取、 信號處理和診斷決策 信號拾取主要由主軸傳感器、 齒輪箱傳感器和定子傳感器等來采集振動、溫度、 電流、 電壓 等各種設(shè)備的 基本運(yùn)行狀況，此外利用輸出能量和轉(zhuǎn)速作為狀態(tài)監(jiān)測信號， 可減少成本， 使用范圍更廣泛 信號處理是將各傳感器所采集到的信號經(jīng)過信號處理轉(zhuǎn)換 成數(shù)字信號，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控室 由于海上風(fēng)電場的通訊設(shè)施一般相對 較差， 因此網(wǎng)絡(luò)傳輸可以使用 CDMA，GSM 等無線傳輸方式， 從而省去了鋪 設(shè)光纜等工程和設(shè)備 診斷決策就是計(jì)算機(jī)將傳送的信