海上風電場電力傳輸與海底電纜的選擇

摘要：本文介紹了海上風電場風能的輸送及海底光電復合纜作為電能和信息傳輸?shù)娜诤厦劫|(zhì)在海上風電場的應(yīng)用需求。并根 據(jù)近兩年我國海上試驗風電場和國外風電場對海底光電復合纜的性能要求和應(yīng)用經(jīng)驗，重點闡述了海上風電場電力傳輸模式和海底光電復合纜的設(shè)計選型及結(jié)構(gòu)形 式。

關(guān)鍵詞：海底光電復合纜；海上風電場；設(shè)計選型

前言

風能的開發(fā)、利用主要有兩種形式，分別是陸地風能和海上風能。近年來我國新增風電裝機容量以年均100%的速度在高 速發(fā)展，但風電開發(fā)主要集中在陸地，海上風電資源開發(fā)則剛剛起步。

我國海上有豐富的風能資源和廣闊平坦的區(qū)域，可利用的風能資源超過7.5億千瓦，而且距離電力負荷中心很近，使得近 海風力發(fā)電技術(shù)成為近來研究和應(yīng)用的熱點。海上風力發(fā)電場將成為未來風能應(yīng)用和發(fā)展的重點，海上風力發(fā)電也是近年來國際風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新領(lǐng)域。

由于海底自然環(huán)境惡劣及不可預見性，海上風電用海底電纜是設(shè)計技術(shù)、制造技術(shù)難度較大的電纜品種。海底電纜不僅要求 防水、耐腐蝕、抗機械牽拉及外力碰撞等特殊性能，還要求較高的電氣絕緣性能和很高的安全可靠性，特別是大長度海纜、海底光電復合纜更是對目前電纜行業(yè)的制 造能力和技術(shù)水平提出了極大挑戰(zhàn)。

1、 海底光電復合纜的應(yīng)用概述

海底光電復合纜就是在海底電力電纜中加入具有光通信功能及加強結(jié)構(gòu)的光纖單元，使其具有電力傳輸和光纖信息傳輸?shù)碾p 重功能，完全可以取代同一線路敷設(shè)的海底電纜、海底光纜，節(jié)約了海洋路由資源，降低制造成本費用、海上施工費用、路岸登陸費用，直接降低了項目的綜合造價 和投資，并間接地節(jié)約了海洋調(diào)查的工作量、后期路由維護工作。

海底光電復合纜廣泛應(yīng)用于海上石油和石化項目、大陸與島嶼、島嶼與島嶼之間、穿越江河湖底的電力和信息傳輸。近幾年 蓬勃發(fā)展的海上風力發(fā)電場更是大多采用海底光電復合纜，我國近兩年建設(shè)的近海試驗風電場全部采用海底光電復合纜實現(xiàn)電力傳輸和遠程控制。隨著信息化、自動 化及我國海洋事業(yè)和智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，未來的數(shù)十年內(nèi)，無論是海上風力發(fā)電，還是海上石油平臺等海上作業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用的海底電纜，絕大多數(shù)都將使用海底光電 復合纜。經(jīng)統(tǒng)計，從2007年至今，中天科技海纜公司共收到國內(nèi)外海纜咨詢信息二百多份，涉及海纜數(shù)量2000多公里，其中光電復合纜占82.3%。

據(jù)2009中國國際海上風電和傳輸大會稱，中國沿海-20m水深以內(nèi)風電可開發(fā)量約7.5億kW，為我國陸上風電可 開發(fā)量的3倍，因此,海上風電資源將成為我國開發(fā)清潔能源的一個重要領(lǐng)域。預計到2010 年我國風電總裝機容量有望突破3×107kW。國際風能理事會( GWEC) 確認:“中國已經(jīng)成為全球風電發(fā)展最快的國家。”

2009年9月首次1000兆瓦海上風電特許權(quán)招標的啟動，標志著我國海上風電建設(shè)駛?cè)肟燔嚨?。?jù)預測，2015年 中國海上風電裝機容量將達到500萬千瓦，2020年達到3000萬千瓦，主要集中在江蘇沿海、浙江沿海、山東沿海、福建沿海、廣東沿海等區(qū)域。根據(jù)以往 海上風電的設(shè)計及未來風機單機裝機容量測算，每兆瓦約需0.5km海底電纜。所以在未來10年內(nèi)，我國的近海風電場建設(shè)約需1.5萬公里海底電纜，總價值 約180億元，電壓等級覆蓋35kV-220kV，將為海底電纜生產(chǎn)廠家?guī)砗艽蟮纳虣C并帶動我國海底電纜的快速發(fā)展。

2 、海底光電復合纜在海上風電場中的設(shè)置

目前，我國海上風電場升高電壓通常采用二級升壓方式（少數(shù)采用三級），即風電機輸出電壓690V經(jīng)箱變升壓至 35kV后，分別通過35kV海底電纜匯流至110kV或220kV升壓站，最終通過110kV或220kV線路接入電網(wǎng)。圖1為近海風力發(fā)電場典型布局 圖。

圖1 近海風力發(fā)電場典型布局圖

一般來說，應(yīng)根據(jù)海上風場容量、接入電網(wǎng)的電壓等級和綜合經(jīng)濟性規(guī)劃海上風電場風能傳輸方式，既可采用二級升壓方式 也可采用三級升壓方式。如果風電場較小（100MW以內(nèi)）且離岸較近（不超過15km），可選用35kV海底光電復合纜直接把電能傳送到岸上升壓站。若海 上風電場容量較大且離陸地較遠，考慮到35kV電纜傳輸容量、電壓降、功率因數(shù)等問題，大多采用設(shè)立海上升壓站的方式，岸上升壓站可根據(jù)實際情況確定是否 設(shè)立。

海底電纜的電壓等級可根據(jù)各國各地區(qū)不同的電網(wǎng)形式進行選擇，如歐洲國家選用20kV或30kV中壓海底電纜匯集風 場電能至岸上或海上升壓站，我國主要采用35kV海底電纜。圖2為三種不同的輸送方式。

表1是我國已運行的幾個試驗風電場（風機）的電能輸送方式：

表1 我國幾個海上風電場的電能輸送方式

3  、海底光電復合纜的設(shè)計選型

由于海底應(yīng)用的特殊環(huán)境，不同電壓等級的海底光電復合纜需具有不同的導電截面、不同的機械強度、防海水滲漏與腐蝕等結(jié)構(gòu)特性，并采用適應(yīng)潮間 帶、潮下帶、深水區(qū)等不同的施工方法，以滿足海上風電產(chǎn)業(yè)的特殊需求。

表2給出了我國最早的四個海上（含潮間帶）風電場選用海底光電復合纜的情況，其結(jié)構(gòu)形式與技術(shù)要求基本相同，其中龍源風力發(fā)電潮間帶試驗風電場 根據(jù)潮間帶施工特點、地形地貌等環(huán)境條件和海纜設(shè)計資料，選擇了細鋼絲鎧裝作為電纜的外鎧保護層。

表2 我國四個海上風電場選用的海底光電復合纜

3.1  海底電纜的截面選擇

在選擇用于風機與風機之間連接或匯流用的海底光電復合纜時，應(yīng)考慮穿管或曝露在陽光下等環(huán)境條件引起電纜負荷損失的影響，以及大長度海底電纜長 距離傳輸時的電壓降對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和無功功率增加對系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響。表3列出了在假定環(huán)境條件下35kV光電復合纜的部分計算參數(shù)，可供風場設(shè)計人員在 選擇海纜時初步參考。因各風場對海纜的結(jié)構(gòu)要求和環(huán)境條件有所不同，確定電纜經(jīng)濟截面前風電場設(shè)計單位可向海纜設(shè)計人員咨詢更具有參考價值的海纜計算參 數(shù)。

表3 35kV海底光電復合纜的部分計算參數(shù)

3.2  海底光電復合纜中光單元作用與結(jié)構(gòu)設(shè)計

海底光電復合纜中光單元的主要作用是作為連接風力發(fā)電機組與主控制室的信息通道。風機的通訊口與中央控制計算機及其它風機通過光纜聯(lián)接。安裝在中央 控制室計算機上的風場管理軟件，在線采集各風機運行參數(shù)，對整個風機群進行遠程監(jiān)控，實施正常操作、調(diào)節(jié)和保護，主要控制單元有正常運行控制、陣風控制、 最佳運行控制、安全保護控制等等，從而完成機組的智能化自動控制、監(jiān)測和遠程通訊等控制功能。

光纖單元的另外一個重要作用是可以根據(jù)光纖的應(yīng)力應(yīng)變特性，采用光纖應(yīng)變測量分析儀（如圖3），測量海底電纜在敷設(shè)和運行過程中光纖的應(yīng)力應(yīng)變 情況，對海纜的性能和狀態(tài)做到有效控制，為海底電纜的制造、施工和維護提供準確的數(shù)據(jù)，對海底電纜的生產(chǎn)與使用進行有效的監(jiān)護。

圖3 光纖應(yīng)力應(yīng)變測量分析儀及其測試曲線圖

不同的敷設(shè)運行環(huán)境條件，對于光單元的要求也不完全一樣，對于水深較深，海底地形變化較大，海纜在敷設(shè)、運行和維修 時可能存在較大的機械力，這時就需要光單元具有較強的抵抗外力作用的能力。在這樣的情況下，就要選擇帶有增強元件的增強型光單元。

不同的風機控制內(nèi)容不盡相同，所需光纖數(shù)量也會有所不同。隨著新式風機控制單元的增多，中心計算機控制功能的不斷提 高，所需的光纖數(shù)量也會有所變化，而且考慮到備用通信通道，光纖芯數(shù)有12、18、24、36、48芯不等，常用的為24～48芯。光單元個數(shù)可選擇 1～3個，如果光纖數(shù)量不超過48芯，以1個光單元為宜。圖4所示的光單元結(jié)構(gòu)形式已得到廣泛應(yīng)用。

3.3  海底光電復合纜主要結(jié)構(gòu)形式

圖5為國內(nèi)最常用的海底光電復合纜典型結(jié)構(gòu)示意圖，包含部件單元見結(jié)構(gòu)描述。其中金屬防水屏蔽層作為動力線芯的金屬 屏蔽和縱向防水層，設(shè)計壽命30年，可適用于200米以內(nèi)水深。有時需要設(shè)計金屬塑料復合帶和聚乙烯護套作為縱向防水層，用于潮間帶和沿海潮濕低洼地帶。 有時需要設(shè)計雙鋼絲鎧裝海底光電復合纜，用于海床穩(wěn)定度差、水下礁石多以及漂浮式風機系統(tǒng)中。根據(jù)使用要求，部分海底電纜還可以加入屏蔽結(jié)構(gòu)的控制電纜， 控制電纜的電壓等級為1kV及以下。

4  、結(jié)束語

海上風電的建設(shè)在我國沿海地區(qū)有著非常好的發(fā)展前景，尤其是近海及潮間帶風電，為我國尋找新能源開辟了一條新的道 路。海底光電復合纜在海上風電場的應(yīng)用在我國還剛剛起步，海底光電復合纜的設(shè)計和制造歷史較短，對海纜的結(jié)構(gòu)形式、材料選擇和應(yīng)用方面的研究還不充分。對 于海底光電復合纜產(chǎn)業(yè)發(fā)展，需要同時具備海底電纜和海底光纜的裝備基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)，復合要求極其高。通過我國已有海上風電工程應(yīng)用實踐，需要不斷總結(jié)海纜 在設(shè)計、施工、維護和運行方面的經(jīng)驗，根據(jù)海纜的運行環(huán)境條件和對海纜電氣、機械性能方面不同要求，合理選擇海纜類型、規(guī)格，在保證安全的前提下，力爭做 到經(jīng)濟、合理，降低風電場投資成本，使海底光電復合纜在智能電網(wǎng)建設(shè)中發(fā)揮更重要作用，推動我國的新能源戰(zhàn)略和低碳經(jīng)濟社會的不斷進步。

參考文獻：

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作者簡介：

張建民（1974－），男，河南鄭州人，高級工程師。從事多年電力電纜和海底光電纜的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用研究。e- mail：zhangjm@chinaztt.com。

謝書鴻 (1970－)，男，四川廣安人，高級工程師。從事多年電力架空輸電線和電力特種光纜電纜的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用研究。e-mail：xiesh@chinaztt.com。