三山島海上風電多端柔直送出技術(shù)孫文星廣東電網(wǎng)公司2海上風電開發(fā)現(xiàn)狀與前景海上風電柔性直流送出技術(shù)三山島海上風電柔性直流送出技術(shù)工程應(yīng)用海上風電開發(fā)現(xiàn)狀與前景海上風電柔性直流送出技術(shù)三山島海上風電柔性直流送出技術(shù)工程應(yīng)用3中國海上風電資源豐富根據(jù)評估，我國200公里海岸線內(nèi)海上風電資源儲量約2,250GW，與當前中國總裝機容量在數(shù)量級上大體相當省份規(guī)劃年份海上風電新建規(guī)劃量廣東2025年江蘇9.09GW浙江4.55GW海南2025年3GW，計劃投運1.2GW廣西2025年福建預(yù)計5GW4中國海上風電資源豐富u綜合廣東省陽江市、潮州市、汕尾市等地的發(fā)展規(guī)劃，未來廣東全省規(guī)劃海上風電規(guī)模將超過1億千瓦u根據(jù)估算，廣東省海上風能資源可支撐建設(shè)海上風電規(guī)模約2.87億千瓦（287GW）近海淺水場區(qū)：985萬千瓦近海深水區(qū)：5700萬千瓦其中省管海域700萬千瓦（陽江）國管海域5000萬千瓦新摸查（新增）：1560萬千瓦其中淺水區(qū)：680萬千瓦（汕尾、湛江）深水區(qū)：880萬千瓦（陽江、江門均屬省管海域、▲海上風電資源開發(fā)逐漸由淺近海走向深遠海u風電場平均離岸距離由2016年14.2公里逐漸增加到33~43公里45.0040.0035.0030.0025.0020.005.000.00已投運風電場離岸距離歷年投產(chǎn)海上風電平均離岸距離51.海上風電發(fā)電——交流送出海上變電站海上變電站陸上變電站陸上變電站海底電纜海底電纜n劣勢：662.海上風電發(fā)電——直流送出海上換流站陸上換流站陸上換流站陸上電纜陸上電纜直流海底電纜直流海底電纜l輸送距離不受限制、控制更加靈活、可工作在無源逆變狀態(tài)、自身具備STATCOM的作用、易于拓展為多端直流輸電系統(tǒng)。l特別適用于可再生能源并網(wǎng)、城市配電網(wǎng)供電、孤島/鉆井平臺供電、電網(wǎng)互聯(lián)/電力市場交易等場景應(yīng)用7n劣勢：換流器造價較高，體積與重量較大，對海上平臺載荷需求較大782.海上風電發(fā)電——直流輸電發(fā)展趨勢u海上風電主要采用交流送出和柔性直流送出，百萬千瓦交直流等價距離約90km交流送出1GW直流送出2GW直流送出約70km約90km輸電距離交直流送出等價距離示意圖（可能隨設(shè)備價格變化波動）2GW和1GW海風直流送出工程造價對比（國內(nèi)）國內(nèi)外2GW送出工程價格對比青洲五七約￥70億海上站直流海纜約€20億海上站2.海上風電發(fā)電——交、直流傳輸方式對比分析99海上風電開發(fā)現(xiàn)狀與前景海上風電柔性直流送出技術(shù)海上風電柔性直流送出技術(shù)工程應(yīng)用海上風電開發(fā)現(xiàn)狀與前景海上風電柔性直流送出技術(shù)海上風電柔性直流送出技術(shù)工程應(yīng)用現(xiàn)有海上風電送出工程-歐洲直流部分n德國海上風電場直流輸電系統(tǒng)容量6800MW，離岸距離23km~110km不等，海上+陸上輸電距離大于100km德國9條海上風電柔性直流送出工程情況工程名稱換流站容量電壓等級輸電距離換流站重量承包方投入時間BorWin1400MWABB800MWDolWin1800MWABBHelWin1SylWin1864MW916MWABB900MW900MW注：數(shù)據(jù)搜集途徑不同，如有偏頗，僅作參考現(xiàn)有海上風電送出工程-國內(nèi)），我國首個海上風電柔性直流輸電工程-如東示范工程海上風電柔性直流送出工程特點u運行環(huán)境不同海上濕度大、鹽霧重、污穢等級高，對鋼材腐蝕嚴重，惡劣環(huán)境影響換流站設(shè)備耐久性。u施工方法不同海上變電站陸上建造，海上運輸安裝；海上換流站陸上建造、整體安裝、調(diào)試，海上整體運輸安裝。海上風電柔性直流送出工程特點u平臺結(jié)構(gòu)不同海上換流站占地和重量越大，結(jié)構(gòu)造價越高，海上施工、運輸、吊裝越困難海上換流站設(shè)計空間緊湊u運維方式不同海上換流站可達性差，無人值守，救援困難，智能運維需求迫切。u海上換流站可靠性要求高運檢成本高、時間長，對可靠性要求高。海上風電柔性直流送出工程特點u高可靠性、易維護遠離海岸，運維需乘船或直升機，運維困難遇惡劣天氣與海洋環(huán)境，無法及時運維設(shè)備檢修、更換周期很長u體積小、重量輕占地和重量越大，結(jié)構(gòu)造價越高海上施工、運輸不方便，吊裝困難u高防腐蝕能力海上濕度大、鹽霧重、污穢等級高，對鋼材腐蝕嚴重戶外設(shè)備要求滿足C5-M，戶內(nèi)滿足C5-I或C4海上風電柔性直流送出工程特點u高防護等級要求風浪較大，海水可能濺至平臺甲板戶外設(shè)備要求防護等級滿足IP56，戶內(nèi)滿足IP42u抗傾斜、抗震動船舶運輸及吊裝過程中會發(fā)生切斜和震動；運行過程中受風浪、潮流等影響，平臺會發(fā)生震動海上風電柔性直流送出工程特點u冗余設(shè)計輔助設(shè)備不影響主系統(tǒng)送電，小設(shè)備損壞不能導致大的、重要的設(shè)備長時間退出運行在不增加高額投資的情況下，考慮冗余量u滿足環(huán)保、軍事要求避免污染海洋環(huán)境，符合國家海洋部門要求靠近軍事區(qū)域的設(shè)備不能干擾雷達海上風電柔性直流送出關(guān)鍵技術(shù)海上風電匯集與直流傳輸并網(wǎng)方式南澳島風電采用多端柔直送出海上風電匯集與直流傳輸并網(wǎng)方式海上風電柔性直流送出關(guān)鍵技術(shù)n海上換流站面臨環(huán)境惡劣、檢修維護不便、布局緊湊等困難，設(shè)計需結(jié)合重量、體積、環(huán)境等要求開展：換流站電氣主接線、主回路參數(shù)設(shè)計、緊湊化電氣設(shè)備布置方案、高鹽霧特點的換流站99海上風電柔性直流送出關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)有一體化控制保護系統(tǒng)系統(tǒng)控制機箱超高速保護機箱海上風電柔性直流送出關(guān)鍵技術(shù)柔性直流控制保護風電機組控制保護海上風電柔性直流送出關(guān)鍵技術(shù)n海底電纜設(shè)備選型技術(shù)：綜合考慮選擇經(jīng)濟合理的電纜型式海底電纜敷設(shè)、保護及運維技術(shù)：海纜敷設(shè)船、路由器保護、海纜在線監(jiān)測技術(shù)、動態(tài)載流量計海上風電開發(fā)現(xiàn)狀與前景海上風電柔性直流送出技術(shù)海上風電柔性直流送出技術(shù)工程應(yīng)用海上風電開發(fā)現(xiàn)狀與前景海上風電柔性直流送出技術(shù)海上風電柔性直流送出技術(shù)工程應(yīng)用工程概況2022年12月，國家能源局發(fā)文指出：加強海上風電輸電技術(shù)研2023年12月，陽江海上風電柔直送出工程納入《國家電力“十建設(shè)方案依托三山島海上風電項目，建設(shè)多端直流輸電工程，采用±500kV柔性直流技術(shù)方案，規(guī)劃海上送電規(guī)模為3×2000MW，陽東直流匯集站預(yù)留3000MW換流站建設(shè)條件，受端換流站受電規(guī)模按2×3000MW考慮。本期海上送電規(guī)模為2000MW，受端換流站按3000MW考慮。本期新建±500kV/2000MW海上換流站1座、直流海纜2×114.8km、海纜轉(zhuǎn)架空終端站1座、架空線路180km、受端換流站1座。二期、三期，匯集三山島西側(cè)遠端2×200萬千瓦（共計600萬千瓦海風）以及近區(qū)調(diào)節(jié)性電源柔直送出，經(jīng)直流開關(guān)站匯集送入受端換流站。預(yù)計新增海纜超過2×100公里（規(guī)劃送端新增2回直流、每回輸送200萬千瓦海風）。二期工程預(yù)計2028年投運。基本拓撲選擇l設(shè)備數(shù)量少l換流站、直流海纜永久性故障損失全部功率l換流單元、海纜故障損失50%功率l設(shè)備數(shù)量多，海上平臺體積、重量大l直流中性海纜價格高對稱單極系統(tǒng)接線示意圖雙極系統(tǒng)接線示意圖剩余最大可傳輸功率/剩余功率對稱單極雙極海上換流站永久故障或直流海纜永久故障6000MW（損失海風2000MW）6000MW（損失海風2000MW）一回直流架空線永久故障（架空線按3000A選擇截面）6000MW（不損失功率）陸上送端做受端，陽江電網(wǎng)功率波動3GW6000MW（不損失功率）陸上送端做受端，陽江電網(wǎng)功率波動1.5GW一個受端換流單元永久故障6000MW（不損失功率）陸上送端做受端，陽江電網(wǎng)功率波動3GW6000MW（不損失功率）陸上送端做受端，陽江電網(wǎng)功率波動1.5GW陸上送端換流單元永久故障6000MW（不損失功率）陸上電源通過交流通道送出6000MW（不損失功率）陸上電源通過交流通道送出基本拓撲選擇 紋佶亙遒0錚唯錚唯紅萬亙遒%捫)△褐遒紅懷WT捫)△錚唯錚唯紅萬亙遒%褐遒紅懷捫)△WT紅萬亙遒%紋佶亙遒0褐遒紅懷捫)△ 捫)△WT錚唯 紋佶亙遒0錚唯錚唯紅萬亙遒%捫)△褐遒紅懷WT捫)△錚唯錚唯紅萬亙遒%褐遒紅懷捫)△WT紅萬亙遒%紋佶亙遒0褐遒紅懷捫)△ 捫)△WT錚唯建遒捫)△+萬掊佶亙遒%SHSSI—. 錚唯 錚唯 HSSl—. +萬掊佶亙遒%3000MW弄移蟆:;<盛變;<勵基本拓撲選擇嗚盛變蘼嗚勵弄移蟆辣蘼夯倍挽互低錚唯講橡低愈萬互遒低3×2000MW樞萬紋倍互遒低2×3000MWHSS HSS HSS HSS--a HSSHSS HSS--….HSSHSSHSS-nHSSHSS愈萬互遒低WT捫佃△褐遒愈懷紋倍互遒紗捫佃△愈萬互遒低HSS褐遒愈懷捫佃△WTHSS捫佃△愈萬互遒低HSSWT褐遒愈懷捫佃△HSS嗚盛變蘼嗚勵弄移蟆辣蘼夯倍挽互低錚唯講橡低愈萬互遒低3×2000MW樞萬紋倍互遒低2×3000MWHSS HSS HSS HSS--a HSSHSS HSS--….HSSHSSHSS-nHSSHSS愈萬互遒低WT捫佃△褐遒愈懷紋倍互遒紗捫佃△愈萬互遒低HSS褐遒愈懷捫佃△WTHSS捫佃△愈萬互遒低HSSWT褐遒愈懷捫佃△HSSHSSHSSHSSHSSHSS HSSHSSHSSHSSHSSHSSHSS HSSHSSHSSHSS紋倍互遒紗HSS建遒捫佃△樞萬掊倍互遒低HSS建遒捫佃△樞萬掊倍互遒低樞萬掊倍互遒低3000MW盈余功率平衡方法發(fā)生交流系統(tǒng)故障時，風電功率無法瞬時降低，通常在受端配置直流耗全直流電纜輸出全直流電纜輸出，無直流故障穿越需求，配置集中的直流耗能裝置實現(xiàn)交流故障穿越直流耗能裝置盈余功率平衡方法直流故障穿越需600~700ms，考慮兩次重啟動，風機耗能最大需吸收“額定功率*2.5s”盈余功率通過光纖通訊或電氣量變化將直流故障信號快速傳遞給風機變流器，避免柔性直流模塊過壓；直流故障發(fā)生到風機耗能投入的時間段內(nèi)，盈余功率由柔性直流吸收直流耗能裝置直流耗能裝置全直流電纜輸出，無直流故障穿越需求，配置集中的直流耗能裝置實現(xiàn)交流故障穿越分布配置的耗能裝置取消分布配置的耗能裝置取消集中配置的直流耗能裝置新方案：取消集中直流耗能裝置，利用風機變流器自帶耗能裝置實現(xiàn)功率平衡盈余功率平衡方法HBSMSM1SM1SM1IGBT1子開關(guān)泄能+EVD1SM1SM1SM1IGBT1子開關(guān)泄能+EVD1SMnSMn SMnSMnSMn SMnIGBT2L_______FBSMSM1SM1▲SM1SM1SM1▲SM1+ESMnSMn▲SMnSMnSMn▲SMn盈余功率平衡方法能量自平衡支路僅短時工作，電流峰值是選擇開關(guān)器件的決定性因素。換流閥采用4.5k時，自平衡支路運行電流峰值約1.35kA（動作電壓2700V能量自平衡換流閥的泄能開關(guān)可選直流架空線路過電壓保護分析-防雷保護三山島工程直流架空線路徑所經(jīng)地區(qū)大部分均為強雷區(qū)和超強雷區(qū)（地閃密度D1、D2、E級頻繁雷擊線路閃絡(luò)故障對直流系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行影響較大，采取措施降低直流架空線雷閃概率和次數(shù)。?D1級：7.98次/（km2·a）<Ng≤11.0次/（km2·a）?D2級：11.0次/（km2·a）<Ng≤15.5次/（km2·a）?E級：Ng＞15.5次/（km2·a）直流架空線路過電壓保護分析-防雷保護統(tǒng)計了近5年±500kV和±800kV南網(wǎng)直流架空線雷擊閃絡(luò)數(shù)據(jù)l繞擊占絕大多數(shù)94%±800kV雷擊閃絡(luò)率遠低于±500kVl±800kV線路平均繞擊閃絡(luò)率0.06次/100km年；廣東地區(qū)最高，0.08次/100km年l±500kV線路平均繞擊閃絡(luò)率0.23次/100km年；廣東地區(qū)最高，0.48次/100km年，牛從每回0.37次/100km年l±800kV線路反擊閃絡(luò)率極低，廣東地區(qū)未發(fā)生過反擊l±500kV線路平均反擊閃絡(luò)率0.02次/100km年，廣東地區(qū)未發(fā)生過反擊，牛從直流未發(fā)生過反擊和同塔雙閃(近5年平均)次/100km年(近5年平均)次/100km年(近5年平均)次/100km年直流架空線路過電壓保護分析-防雷保護l措施1：結(jié)合南網(wǎng)直流線路雷擊歷史數(shù)據(jù)（超過90%為繞擊），主要考慮加強繞擊雷防護，如減小保護角、降低桿塔高度（特別在山區(qū)下坡側(cè)，如有可能）。l措施2：通過提高直流架空線路塔頭空氣間隙，提高線路整體絕緣和耐雷水平，減少雷擊閃絡(luò)次數(shù)。并在架空線和直流電纜接頭處設(shè)置電抗器和避雷器，降低侵入至直流電纜的過電壓。l措施3：進一步，也可在直流線路全線/雷擊閃絡(luò)率高桿塔裝設(shè)線路避雷器，降低雷擊線路過電壓，避免線路閃絡(luò)。措施1：減小保護角措施2：提高空氣間隙措施3：裝設(shè)線路避雷器直流架空線路過電壓保護分析-絕緣配合21高壓直流電纜絕緣材料是關(guān)鍵），21高壓直流電纜絕緣材料是關(guān)鍵），反極性雷電技術(shù)參數(shù)高于青州五、七工程額定電壓1425kV反極性雷電700kV反極性操作1175kV114.23km海上部分長度114.8km海纜線路全長2500mm2導體截面630kV反極性操作0.570.57km陸上部分長度20余億元海纜投資交聯(lián)聚乙烯20余億元海纜投資交聯(lián)聚乙烯世界最長、世界最長、造價高、易損壞、難維護直流架空線路過電壓保護分析-絕緣配合為限制雷電沖擊過電壓，通過在終端站配置阻塞電抗器、優(yōu)化配置能量吸收避雷器限制雷電沖擊過電壓，將海纜雷電沖擊絕緣耐受水平由1425kV降至1175kV，符合國標要求。 ?架空線路和海纜模型：頻率分布模型。精確雷電計算方法及設(shè)備模型22抗器，形成對雷電侵入波的強反射面，降低雷電?避雷器：在轉(zhuǎn)換站戶外直流套管的架空線側(cè)配置4有效降低雷電沖擊過電壓水平過電壓滿足現(xiàn)有海纜耐受水平過電壓滿足現(xiàn)有海纜耐受水平直流架空線路過電壓保護分析-絕緣配合為限制反極性操作過電壓，通過提高反向電壓輸出能力和全橋閉鎖邏輯優(yōu)化的方式限制反極性過電壓，將海纜反極性操作過電壓絕緣耐受水平設(shè)計值由700kV優(yōu)化至630kV。 故障前線路自身儲能+換流器注入能量 l精確雷電計算方法及設(shè)備模型22?效果：反極性電壓從510kV下降至445kV。線路饋入能量下降了1.12MJ，對應(yīng)反極性電壓峰