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海上风电场电力传输与海底电缆的选择 |
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作者：中天科技海缆有限公司 张建民 谢书鸿 |
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摘要：本文介绍了海上风电场风能的输送及海底光电复合缆作为电能和信息传输的融合媒质在海上风电场的应用需求。并根据近两年我国海上试验风电场和国外风电场对海底光电复合缆的性能要求和应用经验，重点阐述了海上风电场电力传输模式和海底光电复合缆的设计选型及结构形式。
关键词：海底光电复合缆；海上风电场；设计选型
前言
风能的开发、利用主要有两种形式，分别是陆地风能和海上风能。近年来我国新增风电装机容量以年均100%的速度在高速发展，但风电开发主要集中在陆地，海上风电资源开发则刚刚起步。
我国海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域，可利用的风能资源超过7.5亿千瓦，而且距离电力负荷中心很近，使得近海风力发电技术成为近来研究和应用的热点。海上风力发电场将成为未来风能应用和发展的重点，海上风力发电也是近年来国际风力发电产业发展的新领域。
由于海底自然环境恶劣及不可预见性，海上风电用海底电缆是设计技术、制造技术难度较大的电缆品种。海底电缆不仅要求防水、耐腐蚀、抗机械牵拉及外力碰撞等特殊性能，还要求较高的电气绝缘性能和很高的安全可靠性，特别是大长度海缆、海底光电复合缆更是对目前电缆行业的制造能力和技术水平提出了极大挑战。
1 海底光电复合缆的应用概述
海底光电复合缆就是在海底电力电缆中加入具有光通信功能及加强结构的光纤单元，使其具有电力传输和光纤信息传输的双重功能，完全可以取代同一线路敷设的海底电缆、海底光缆，节约了海洋路由资源，降低制造成本费用、海上施工费用、路岸登陆费用，直接降低了项目的综合造价和投资，并间接地节约了海洋调查的工作量、后期路由维护工作。
海底光电复合缆广泛应用于海上石油和石化项目、大陆与岛屿、岛屿与岛屿之间、穿越江河湖底的电力和信息传输。近几年蓬勃发展的海上风力发电场更是大多采用海底光电复合缆，我国近两年建设的近海试验风电场全部采用海底光电复合缆实现电力传输和远程控制。随着信息化、自动化及我国海洋事业和智能电网的快速发展，未来的数十年内，无论是海上风力发电，还是海上石油平台等海上作业系统应用的海底电缆，绝大多数都将使用海底光电复合缆。经统计，从2007年至今，中天科技海缆公司共收到国内外海缆咨询信息二百多份，涉及海缆数量2000多公里，其中光电复合缆占82.3%。
据2009中国国际海上风电和传输大会称，中国沿海-20m水深以内风电可开发量约7.5亿kW，为我国陆上风电可开发量的3倍，因此,海上风电资源将成为我国开发清洁能源的一个重要领域。预计到2010 年我国风电总装机容量有望突破3×107kW。国际风能理事会( GWEC) 确认:“中国已经成为全球风电发展最快的国家。”
2009年9月首次1000兆瓦海上风电特许权招标的启动，标志着我国海上风电建设驶入快车道。据预测，2015年中国海上风电装机容量将达到500万千瓦，2020年达到3000万千瓦，主要集中在江苏沿海、浙江沿海、山东沿海、福建沿海、广东沿海等区域。根据以往海上风电的设计及未来风机单机装机容量测算，每兆瓦约需0.5km海底电缆。所以在未来10年内，我国的近海风电场建设约需1.5万公里海底电缆，总价值约180亿元，电压等级覆盖35kV-220kV，将为海底电缆生产厂家带来很大的商机并带动我国海底电缆的快速发展。
2 海底光电复合缆在海上风电场中的设置
目前，我国海上风电场升高电压通常采用二级升压方式（少数采用三级），即风电机输出电压690V经箱变升压至35kV后，分别通过35kV海底电缆汇流至110kV或220kV升压站，最终通过110kV或220kV线路接入电网。图1为近海风力发电场典型布局图。
图1 近海风力发电场典型布局图
一般来说，应根据海上风场容量、接入电网的电压等级和综合经济性规划海上风电场风能传输方式，既可采用二级升压方式也可采用三级升压方式。如果风电场较小（100MW以内）且离岸较近（不超过15km），可选用35kV海底光电复合缆直接把电能传送到岸上升压站。若海上风电场容量较大且离陆地较远，考虑到35kV电缆传输容量、电压降、功率因数等问题，大多采用设立海上升压站的方式，岸上升压站可根据实际情况确定是否设立。
海底电缆的电压等级可根据各国各地区不同的电网形式进行选择，如欧洲国家选用20kV或30kV中压海底电缆汇集风场电能至岸上或海上升压站，我国主要采用35kV海底电缆。图2为三种不同的输送方式。
表1是我国已运行的几个试验风电场（风机）的电能输送方式：
表1 我国几个海上风电场的电能输送方式
 3 海底光电复合缆的设计选型
由于海底应用的特殊环境，不同电压等级的海底光电复合缆需具有不同的导电截面、不同的机械强度、防海水渗漏与腐蚀等结构特性，并采用适应潮间带、潮下带、深水区等不同的施工方法，以满足海上风电产业的特殊需求。
表2给出了我国最早的四个海上（含潮间带）风电场选用海底光电复合缆的情况，其结构形式与技术要求基本相同，其中龙源风力发电潮间带试验风电场根据潮间带施工特点、地形地貌等环境条件和海缆设计资料，选择了细钢丝铠装作为电缆的外铠保护层。表2 我国四个海上风电场选用的海底光电复合缆
 3.1 海底电缆的截面选择
在选择用于风机与风机之间连接或汇流用的海底光电复合缆时，应考虑穿管或曝露在阳光下等环境条件引起电缆负荷损失的影响，以及大长度海底电缆长距离传输时的电压降对系统的稳定性和无功功率增加对系统经济性的影响。表3列出了在假定环境条件下35kV光电复合缆的部分计算参数，可供风场设计人员在选择海缆时初步参考。因各风场对海缆的结构要求和环境条件有所不同，确定电缆经济截面前风电场设计单位可向海缆设计人员咨询更具有参考价值的海缆计算参数。表3 35kV海底光电复合缆的部分计算参数
 3.2 海底光电复合缆中光单元作用与结构设计
海底光电复合缆中光单元的主要作用是作为连接风力发电机组与主控制室的信息通道。风机的通讯口与中央控制计算机及其它风机通过光缆联接。安装在中央控制室计算机上的风场管理软件，在线采集各风机运行参数，对整个风机群进行远程监控，实施正常操作、调节和保护，主要控制单元有正常运行控制、阵风控制、最佳运行控制、安全保护控制等等，从而完成机组的智能化自动控制、监测和远程通讯等控制功能。
光纤单元的另外一个重要作用是可以根据光纤的应力应变特性，采用光纤应变测量分析仪（如图3），测量海底电缆在敷设和运行过程中光纤的应力应变情况，对海缆的性能和状态做到有效控制，为海底电缆的制造、施工和维护提供准确的数据，对海底电缆的生产与使用进行有效的监护。
图3 光纤应力应变测量分析仪及其测试曲线图
不同的敷设运行环境条件，对于光单元的要求也不完全一样，对于水深较深，海底地形变化较大，海缆在敷设、运行和维修时可能存在较大的机械力，这时就需要光单元具有较强的抵抗外力作用的能力。在这样的情况下，就要选择带有增强元件的增强型光单元。
不同的风机控制内容不尽相同，所需光纤数量也会有所不同。随着新式风机控制单元的增多，中心计算机控制功能的不断提高，所需的光纤数量也会有所变化，而且考虑到备用通信通道，光纤芯数有12、18、24、36、48芯不等，常用的为24～48芯。光单元个数可选择1～3个，如果光纤数量不超过48芯，以1个光单元为宜。图4所示的光单元结构形式已得到广泛应用。
3.3 海底光电复合缆主要结构形式
图5为国内最常用的海底光电复合缆典型结构示意图，包含部件单元见结构描述。其中金属防水屏蔽层作为动力线芯的金属屏蔽和纵向防水层，设计寿命30年，可适用于200米以内水深。有时需要设计金属塑料复合带和聚乙烯护套作为纵向防水层，用于潮间带和沿海潮湿低洼地带。有时需要设计双钢丝铠装海底光电复合缆，用于海床稳定度差、水下礁石多以及漂浮式风机系统中。根据使用要求，部分海底电缆还可以加入屏蔽结构的控制电缆，控制电缆的电压等级为1kV及以下。
4 结束语
海上风电的建设在我国沿海地区有着非常好的发展前景，尤其是近海及潮间带风电，为我国寻找新能源开辟了一条新的道路。海底光电复合缆在海上风电场的应用在我国还刚刚起步，海底光电复合缆的设计和制造历史较短，对海缆的结构形式、材料选择和应用方面的研究还不充分。对于海底光电复合缆产业发展，需要同时具备海底电缆和海底光缆的装备基础和技术基础，复合要求极其高。通过我国已有海上风电工程应用实践，需要不断总结海缆在设计、施工、维护和运行方面的经验，根据海缆的运行环境条件和对海缆电气、机械性能方面不同要求，合理选择海缆类型、规格，在保证安全的前提下，力争做到经济、合理，降低风电场投资成本，使海底光电复合缆在智能电网建设中发挥更重要作用，推动我国的新能源战略和低碳经济社会的不断进步。
参考文献：
[1] 许瑞林.江苏省海上风电发展前景与展望.
[2] 曾婧婧等.风力发电控制系统研究[J].自动化仪表,2006.SI
[3] 王怡瑶.从智能电网的发展看电缆行业的机遇[J].上海电气技术.2009,2（3）:53-58
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(1/7/2011) |
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