海上風(fēng)電場(chǎng)集電線路方案的選擇

1、海上風(fēng)電場(chǎng)集電線路方案的選擇摘要：隨著海上風(fēng)電機(jī)組容量和風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的不斷增大，對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)投資建 設(shè)成本的優(yōu)化需求越來越多，而場(chǎng)內(nèi)中壓海纜的投資是總投資成本的重要組成部 分。風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)海纜集電線路的連接形式是場(chǎng)內(nèi)中壓海纜成本高低的決定性因素。 本文將采用某地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)據(jù)和風(fēng)機(jī)布置對(duì)海纜集電線路進(jìn)行分析，通過分 析比較兩個(gè)不同回路數(shù)的集電線路方案，最后通過對(duì)海纜工程建設(shè)費(fèi)用、損耗折 現(xiàn)、征海費(fèi)用等投資項(xiàng)目的計(jì)算比較，得出較優(yōu)的集電線路方案。一、序言海上風(fēng)能資源豐富且開發(fā)潛力巨大，海上風(fēng)電開發(fā)對(duì)于應(yīng)對(duì)全球氣候變化問 題具有重大意義1。海上風(fēng)電因其風(fēng)資源穩(wěn)定、風(fēng)速高、發(fā)電量大、不占用土地 資源等優(yōu)

2、勢(shì)備受關(guān)注與青睞，在世界各地掀起一輪投資熱潮2。目前我國海上風(fēng) 能資源豐富，具備大規(guī)模發(fā)展海上風(fēng)電的資源條件3。至2020年底，我國海上 風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到500萬千瓦，開工規(guī)模達(dá)1000萬千瓦。按照建設(shè)進(jìn)度， 預(yù)計(jì)到十三五末并網(wǎng)裝機(jī)容量將達(dá)到800萬千瓦2。隨著海上風(fēng)電機(jī)組容量和 風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的不斷增大，對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)投資建設(shè)成本的優(yōu)化需求越來越多，而場(chǎng) 內(nèi)中壓海纜的投資是總投資成本的重要組成部分。風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)海纜集電線路的連接 形式是場(chǎng)內(nèi)中壓海纜成本高低的決定性因素。本文將采用某地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)據(jù)和風(fēng)機(jī)布置對(duì)海纜集電線路進(jìn)行分析，首 先介紹了海上風(fēng)電場(chǎng)中壓海底電纜的三種集電線路型式，通過分析比較

3、選用普通 環(huán)進(jìn)環(huán)出連接方式給出兩個(gè)不同回路數(shù)的集電線路方案，最后通過對(duì)海纜工程建 設(shè)費(fèi)用、損耗折現(xiàn)、征海費(fèi)用等投資項(xiàng)目的計(jì)算比較，得出較優(yōu)的集電線路方案。二、海纜集電線路連接型式選擇根據(jù)國內(nèi)外海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)分析，海上風(fēng)電場(chǎng)投資建設(shè)成本組成中除風(fēng) 機(jī)、基礎(chǔ)及電氣設(shè)備外，由中壓海底電纜構(gòu)成的場(chǎng)內(nèi)集電線路項(xiàng)目也是投資成本 的重要組成部分，因此，有必要對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部集電線路型式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。海上風(fēng)電場(chǎng)中壓海底電纜的集電線路型式主要可分為三種型式，普通環(huán)形連 接、相鄰回路風(fēng)機(jī)末端聯(lián)絡(luò)環(huán)形連接及普通環(huán)進(jìn)環(huán)出方式（鏈?zhǔn)交蜴準(zhǔn)椒派涫浇M 合）連接等型式。（1）普通環(huán)形連接型式普通環(huán)形連接型式為在集電線路回

4、路最末端的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)通過一根聯(lián)絡(luò)海纜連 接。35kV海纜截面選擇應(yīng)滿足任何一根海纜故障，所有風(fēng)機(jī)所發(fā)電能均可通過故 障海纜兩側(cè)未故障海纜送至升壓站，單根海纜故障不會(huì)影響風(fēng)機(jī)出力。由于任何 一處電纜故障，電流流向不是恒定的，因此回路內(nèi)所有電纜均需考慮可能流過的 最大電流值，采用相對(duì)截面較大電纜。若采取本連接型式的集電線路，將造成全 場(chǎng)集電線路回路數(shù)過多，每個(gè)集電線路回路所連接的風(fēng)機(jī)數(shù)量較少。此連接型式可靠冗余度高，但投資成本大，經(jīng)濟(jì)性差，國內(nèi)已建或在建的海 上風(fēng)電場(chǎng)均不考慮該類型集電線路方案。（2）相鄰回路風(fēng)機(jī)末端聯(lián)絡(luò)環(huán)形型式相鄰回路風(fēng)機(jī)末端聯(lián)絡(luò)環(huán)形型式在兩個(gè)相鄰集電線路回路最末端的風(fēng)機(jī)通過 一根

5、海纜連接，兩個(gè)相鄰回路的集電線路海纜截面選擇不考慮另一回風(fēng)機(jī)組送出， 末端聯(lián)絡(luò)電纜按最小截面海纜選擇。當(dāng)某一段海纜出現(xiàn)故障時(shí)，相鄰回路通過聯(lián) 絡(luò)海纜給故障海纜后面連接的機(jī)組提供電源，滿足風(fēng)機(jī)加熱除濕裝置、控制系統(tǒng)、 偏航系統(tǒng)等持續(xù)運(yùn)行的要求，保證機(jī)組的安全。但機(jī)組出力在大風(fēng)情況下會(huì)有所限制，運(yùn)行管理復(fù)雜。目前，風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)已采取了相應(yīng)安全措施，當(dāng)海纜故障時(shí)，在常規(guī)修復(fù)時(shí)間 范圍內(nèi)停電時(shí)可保證風(fēng)機(jī)安全。國內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)海纜均盡量敷設(shè)在禁航區(qū)，只有漁船 可能通過海纜敷設(shè)區(qū)域，但可以通過加強(qiáng)海纜保護(hù)，增加海纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或與海事 系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的措施，來降低錨害幾率。而且海纜本身故障率相對(duì)較低，故僅僅為了 提高風(fēng)機(jī)備

6、用電源供電可靠性而采用相鄰回路風(fēng)機(jī)末端聯(lián)絡(luò)環(huán)形方案，經(jīng)濟(jì)性不 高，且必要性不足。（3）普通環(huán)進(jìn)環(huán)出方式（鏈?zhǔn)交蜴準(zhǔn)椒派涫浇M合）連接型式普通環(huán)進(jìn)環(huán)出連接型式在每個(gè)集電線路由首端到末端各臺(tái)風(fēng)機(jī)依次鏈?zhǔn)綘钸B 接或鏈?zhǔn)椒派涫浇M合連接，每臺(tái)風(fēng)機(jī)配套升壓變高壓側(cè)設(shè)一組環(huán)網(wǎng)充氣柜，一般 為23個(gè)，即風(fēng)機(jī)變壓器充氣斷路器柜，以及至上下一臺(tái)風(fēng)機(jī)的環(huán)出負(fù)荷開關(guān)柜。若集電線路采用此連接型式，當(dāng)回路中某段海纜發(fā)生故障，可通過SCADA系 統(tǒng)斷開遠(yuǎn)端的故障海纜，該段海纜所連接風(fēng)機(jī)全部停運(yùn)。普通環(huán)進(jìn)環(huán)出方式（鏈 式或放射式）連接型式其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資成本較低。綜上所述，普通環(huán)進(jìn)環(huán)出方式（鏈?zhǔn)交蚍派涫剑┻B接型式的集電線

7、路結(jié)構(gòu)型 式簡(jiǎn)單，投資成本較低。由于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)海纜保護(hù)較好，故障率低，國內(nèi)已建或在 建的海上風(fēng)電場(chǎng)集電線路主要采用該種連接型式。三、集電線路方案的選擇某地區(qū)某海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目工程規(guī)劃安裝94臺(tái)6.45MW風(fēng)機(jī)，規(guī)劃裝機(jī)總?cè)萘?為606.3MW，風(fēng)電場(chǎng)中心點(diǎn)距登陸點(diǎn)距離約26km。該海上風(fēng)電場(chǎng)工程設(shè)置一座 220kV海上升壓變電站和一座220kV陸上集控中心，海上升壓站規(guī)模按600MW 進(jìn)行設(shè)計(jì)，場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)所發(fā)電能以多回35kV海纜匯集到升壓變電站，升壓后通過 220kV海底電纜登陸接入陸上集控中心，最后接入系統(tǒng)。場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)布置詳見圖4：風(fēng)機(jī)分組通常分為區(qū)域塊狀分組和射線狀分組兩種類型。區(qū)域性塊狀分組的

8、方案可減少 海纜長度，但會(huì)造成大截面和小截面海纜長度的增加，而中間截面的海纜大幅度減小。若采 用射線狀分組，施工階段海纜敷設(shè)較為簡(jiǎn)單，可按照風(fēng)機(jī)的臺(tái)數(shù)遞增海纜的截面，但海纜截 面規(guī)格較多。海上風(fēng)機(jī)集電線路分組應(yīng)考慮后期運(yùn)行維護(hù)的便利性，方便運(yùn)行管理人員在運(yùn)行維護(hù)時(shí) 容易識(shí)別風(fēng)機(jī)之間的連接?？筛鶕?jù)不同的升壓站位置，選擇合理的風(fēng)機(jī)分組方案，靈活使用 區(qū)域塊狀分組和射線狀分組。本文根據(jù)場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)間連接方式的不同，采用普通鏈?zhǔn)竭B接型式，選定以下兩個(gè)方案進(jìn)行 比較。方案一：集電線路采用普通鏈?zhǔn)竭B接型式，風(fēng)電場(chǎng)集電線路分為20回。35kV海底光電 復(fù)合纜規(guī)格及長度如下：HYJQF41-F-26/35-3x7

9、0+OFC22.06kmHYJQF41-F-26/35-3x95+OFC25.32kmHYJQF41-F-26/35-3x150+OFC33.1kmHYJQF41-F-26/35-3x300+OFC46.99kmHYJQF41-F-26/35-3x400+OFC54.02km方案二：集電線路采用普通鏈?zhǔn)竭B接型式，風(fēng)電場(chǎng)集電線路分為24回。35kV海底光電 復(fù)合纜規(guī)格及長度如下：HYJQF41-F-26/35-3x70+OFC26.49km30.18km42.78km101.58kmHYJQF41-F-26/35-3x95+OFCHYJQF41-F-26/35-3x150+OFCHYJQF41-

10、F-26/35-3x300+OFC四、集電線路方案的比較本風(fēng)場(chǎng)年利用小時(shí)數(shù)按2607h計(jì)算，功率因數(shù)按1考慮，則損耗小時(shí)數(shù)取1040，考慮鎧 裝層渦流損耗及介質(zhì)損耗，則最終電量損失按1.3倍計(jì)算。電費(fèi)取0.85元/kWh，每年的收益 率為8%，則25年運(yùn)行期的折現(xiàn)系數(shù)為10.67478。征海費(fèi)用取467元/頃，35kV海纜敷設(shè)費(fèi) 用取32萬元/km。通過對(duì)海纜工程建設(shè)費(fèi)用、損耗折現(xiàn)、征海費(fèi)用的計(jì)算比較，可以得出以下結(jié)論：通過表1可以看出，雖然方案二未用到3x400截面的35kV海纜，海纜造價(jià)略低于方案 一，但由于方案二有24回集電線路，海纜總長度比方案一長，敷設(shè)費(fèi)用、征海費(fèi)用高于方 案一，因此方案二的35kV海纜總投資價(jià)格高方案一。因此方案一的35kV海纜集電線路方案 優(yōu)于方案二。通過此算例可以發(fā)現(xiàn)，在一定條件范圍內(nèi)，回路數(shù)的多少會(huì)對(duì)35kV海纜總長度有影響， 從而影響海纜敷設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行期海纜路由征海費(fèi)用，最終影響35kV海纜總投資。五、小結(jié)本文采用某地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)據(jù)和風(fēng)機(jī)布置進(jìn)