高压大容量紧凑化海上风电送出新技术与挑战-南方电网_42页_13mb

报告摘要

高压大容量紧凑化海上风电送出新技术与挑战总结

核心内容

1. 海上风电发展现状

全球能源转型背景：清洁低碳是全球能源转型发展的必然趋势，中国在“双碳”目标及新型电力系统建设背景下，新能源迎来爆发式增长。
中国海上风电资源：中国海上风电储量丰富，广泛分布于沿海地区，距离用电负荷近，便于消纳。
- 200公里海岸线内海上风电资源储量约2,250GW，与当前中国总装机容量在数量级上相当。
- 当前开发规模不足2%，但未来规划规模巨大，如广东规划海上风电超过1亿千瓦，可支撑约287GW。
发展速度：2021年新增装机16.9GW（超全球80%），2022年新增装机超5GW（约占全球50%）。
发展趋势：海上风电资源开发逐渐由浅近海走向深远海，平均离岸距离从2016年的14.2公里逐渐增加至33~43公里，首个远海直流送出工程于2021年建成投产，采用±400kV/1100MW柔性直流输电技术，输电距离达108公里。
成本下降：2021年，全国海上风电造价降至14000元/kW以下，度电成本降至0.34元/kWh左右，初步具备平价上网条件。
装备创新：中国海上风电装备自主创新能力不断增强，已投产全球首台16MW海上风电机组，正在研制18MW海上风电机组；漂浮式风机示范项目陆续投运。

2. 高压大容量海上风电柔性直流送出技术

系统方案：
- 可采用双极或对称单极接线方案，双极系统尺寸和造价高，但故障功率损失小；对称单极系统可靠性高，便于维护。
- 推出66kV汇集方案，取消海上升压站，降低投资成本和工程难度。
过电压与绝缘配合：
- 通过避雷器限制过电压，优化绝缘配合方案，降低设备绝缘水平要求约20%。
控制技术：
- 针对远海风电对控保系统可靠性、远程运维及信息通信要求，提出适用于大容量海上风电直接接入柔直的控保方案。
- 采用柔性直流有源阻尼+无源阻尼协同的谐振抑制措施，消除谐振风险。
- 实现海上风场AVC系统与柔直主机协同控制，提升系统惯量支撑与一次调频能力。
故障特性与保护配合：
- 针对海上全电力电子系统故障特性，提出柔直控制正负序限幅与网侧中性点电阻配合短路电流限制方案。
核心装备：
- 换流阀：采用MMC拓扑，模块数量多，电容大，目前如东工程采用2562个子模块，重量>2万吨。未来需减少模块数量，增大额定电流，实现换流阀紧凑化，提升经济性。
- 直流GIS：是未来海上风电平台建设与陆上换流站改造的重要电气设备。国外已具备±550kV直流GIS研发与工程应用技术，国内尚无，需突破核心技术。
- 高压直流海缆：交联聚乙烯绝缘直流电缆应用广泛，但国内尚无更高电压等级、更大输送容量的海缆产品，需突破绝缘材料、屏蔽材料国产化及工厂接头、电缆终端等关键技术。
海上平台设计：
- 需要多维度优化，形成2000MW大容量海上平台典型设计方案，提升工程经济性，降低实施难度。
- 电气布置设计需考虑阀厅、桥抗室、变压器室等空间需求，推荐阀厅下层布置，未来可采用上层或分层布置。
- 推荐采用压缩空气泡沫喷淋系统（CAFS）作为消防系统，采用三循环冷却方式（纯水-淡水-海水）降低设备温度。
- 电气二次设计需优化屏柜布置方式，减少屏柜数量，提升空间利用率。

3. 海上输电新技术与展望

柔直一体化变压器：国内外正在研究集成桥臂电抗器的一体化柔直变压器，以支撑低成本、紧凑化海上平台。日本东芝已研制出275kV/130kV, 316MVA一体化柔直变压器，国内研究尚处于理论阶段。
浮式动态缆：漂浮式风电是开发深远海风电的必然趋势，动态缆技术正在发展，面临布局复杂、海底地形复杂、施工困难等挑战，需突破构型设计、制造、老化测试、快速连接等关键技术。
新型直流送出方案：
- 纯二极管整流送出方案：如新疆达坂城±10kV/12MW不控整流风电送出示范工程。
- 低谐波二极管整流送出方案：通过风机构网实现24脉动，降低滤波容量需求。
- 混合直流送出方案：二极管+VSC混合换流器送出，通过辅助设备建立海上交流电压，实现风机黑启动与自同步，无需改造风机。
- 低频输电方案：国内正在探索20Hz低频输电技术，无需建设海上换流站，降低工程建设与运维成本。已开展台州35kV、杭州220kV、珠海10kV等示范工程。
海上互联电网：欧洲正在探索海上互联电网方案，如丹麦能源岛（5GW~12GW）和德国“欧洲海上风电母线”，实现区域能源互济与电力分配灵活。
海上风电制氢：海上风电制氢是未来绿氢规模化供应途径之一，可提高风能利用率，解决大规模并网与深远海送出成本高的问题。
- 欧洲已制定百万千瓦级海上风电制氢规划，电解水制氢项目储备总规模达3200万千瓦。
- 中国尚处于探索阶段，广东、福建、山东等地已布局海上风电制氢创新与示范项目。