2024年12月26日,浙江(华东)深远海风电母港在温州开工,这将是全国首个面向深远海的风电母港项目。依托母港建设,浙江计划到2030年打造千亿级风电产业集群。

海上风电大规模开发的时代来了,带着机遇,也带着挑战。

海上风电优势卓异,为什么?

浙江,七山一水二分田,绿水青山熔铸出了诗画江南的美景,铺就了经济发展的底色,也激发出蓬勃的经济活力,带来旺盛的电力需求。

不过,需求大却不等同于禀赋好。与其他地域相比,浙江本地电源匮乏,三分之一的用电量需要依靠省外输入,在绿色发展理念和丘陵地形的双重挤压下,火电等本地传统电源扩张余地局促。浙江渴求电源的目光便投向了海上风电、分布式光伏和抽水蓄能。

尤其是海洋资源。浙江近岸海域内拥有海岛4300多个,居全国第一。同时,浙江的海岸线和海岛岸线总长6000多千米。得天独厚的环境赋予了浙江丰富的可开发海上风能资源,2021-2035年间,浙江省风电发展规划达到3650万千瓦,其中近海风电850万千瓦、远海风电2800万千瓦。海上风电大规模且集群式开发并网正从蓝图变为现实。

一向敢为人先的浙江确实早已开始了海上风电送出相关的研究。

“影响海上风电送出模式选择的主要因素是风电场离岸距离和规模。”国网浙江电力科技部二级职员金文德介绍。目前,浙江开发的都是离岸80公里以内的近海小型风电场,其中,单个风电场的最大发电容量为50万千瓦。截至2024年11月,浙江海上风电总装机容量达477万千瓦,这些项目均采用了工频交流送出的技术。

温州平阳南麂岛上的风力发电机(刘光涨 摄)

同样的送出方式被国内大多数海上风电场所青睐。我国是目前全球海上风电场数量最多的国家,近10年累计装机增长近10倍,装机容量超过英国,跃居世界第一位。“这些风电场以水深30米左右、离岸50千米以内的近海海域为主,对于近海小型风电场而言,工频交流送出是目前装备最成熟、工程经验最丰富的技术。”金文德说,然而,受交流电缆的能量损耗问题和电缆成本问题影响,如果将工频交流送出技术直接应用于即将开发的离岸80-150公里的中远海域风电场,其经济性将大打折扣。

中远海域的风电要如何送出?这是一个国际性难题。英国、德国、丹麦、澳大利亚等国家在海上风电领域正广泛应用柔性直流输电技术。柔性直流中的柔性是指一种基于大功率、高性能的电力电子器件,实现对电网电压、电流、功率等各类参数实时调节的先进技术,能让电能可控性好、适应性强、响应速度快、智能化程度高。

但在金文德看来,虽然这是当前国际上主流的深远海风送出模式,但却不是回答海上风电送出的最优解。“柔性直流输电的主要优势在于克服了海缆充电无功的问题,输电能力更强。缺点也十分明显,即需要建设海上换流站。”他解释道。海上换流站被称作“海上巨无霸”,平面面积近乎一个标准足球场,高度可比肩15层的居民楼,建设成本动辄几十亿元,无论是在建设还是运维,都涉及巨额的投资和成本。

即使投资成本是天文数字,但向海争风的策略不能放弃——海上风电不仅发电效率高且无需占用土地资源,投运后的环境效益和经济效益优势在新能源界都出类拔萃。此时,破题之法只能是找到更具经济性的海上风电送出模式。

柔性低频更加经济,凭什么?

何为更经济的送出方式?

“一是成本更低,二是送出效率更高。”国网浙江电科院电网技术中心副主任陆翌回答。很显然,优化掉海上换流站就可以大幅削减成本,减少电力损耗就能提升送出效率。

早在上世纪90年代,中国科学院院士王锡凡就提出了分频输电方式,即在较低频率下输电,在较高频率下用电,通过降低输电频率,来减少电能损耗,让电能被送得更远。2014年前后,国网浙江电科院柔性电力技术团队逐步启动柔性低频输电技术研究。

“低频技术的优势在于只需建设一座海上升压站,将低频风电机组发出的电力升压至需要的电压再送至陆地。”陆翌介绍。目前,全球最大海上升压站尺寸为66米×55米×32米,占地面积仅为一个标准海上换流站的二分之一,建造难度及成本优势显而易见。

频率低到多少才最为经济?“通过层层计算验证和仿真对比,我们发现当要实现离岸80-180公里的中远海百万千瓦风电送出时,若输电频率低于20赫兹,变压器、断路器的成本将上升,若高于20赫兹,海缆传输能力将下降,必须增设海缆才能满足送出要求。”柔性电力技术团队中负责组织开展频率优选工作的团队骨干裘鹏说。

2021年3月,经与中国科学院院士陈维江等权威专家共同研究探讨,国网浙江电力明确当下20赫兹是80-180公里中远距离海风送出场景下最能兼顾经济性与输电能力的选择。

全新的技术路线,意味着配套装备的空白。“手机性能不够了,我们通常会选择换一个,但如果市场上已经没有更好的手机了怎么办?只能自己研究,从配件开始,核心设备全部自研。”金文德打了个比方。

依托国家能源源网荷储互动协同技术研发中心、国网海洋输电工程技术实验室等创新平台,国网浙江电力先后掌握了柔性低频输电系统的行为特性,并联合科研机构及上下游企业,自研了包括柔性低频换流器、低频变压器、海缆、新型海缆船在内的近100项核心技术装备和专利成果。

向海争风,还需要什么?

在浙江台州大陈岛上,海风吹动低频风力发电机,绿色的风电便从小小的海岛输送至陆地上的电网。

2022年6月,台州35千伏柔性低频输电示范工程投运。这是世界首套投入商业运行的低频海上风电送出系统,也是国网浙江电力柔性低频输电系列示范工程规划迈出的第一步。

“台州35千伏柔性低频输电示范工程对大陈岛上原有的两台1.1兆瓦工频风机进行了低频改造,将风机发出20赫兹的电能,升压至35千伏后送至盐场低频换流站,变频为50赫兹后并入工频系统。”国网台州供电公司变电检修中心副主任蒋旭介绍。投运至今,台州35千伏柔性低频输电示范工程已向陆地输送海上风电超1600万千瓦时,相比工频输电能量损耗降低了1.2%。工程还配套研制并投入使用了35千伏柔性低频换流器、低频变压器等19项国际首台首套设备。

“大陈岛项目的稳定运行,验证了海岛风机源侧低频接入的技术先进性及风电柔性低频送出技术的可行性。”陆翌说,但35千伏线路主要应用于中短距离的输电线路,还不能满足长距离、大功率的电力输送需求。因此,柔性低频输电系列示范工程规划的第二步探索悄然开始。

2023年6月30日,杭州220千伏柔性低频输电示范工程投入运行,该工程额定传输容量30万千瓦,是目前我国电压等级最高、输送容量最大的柔性低频输电工程,真正完成了高压大容量海上风电场电力输送成套装备性能的技术验证。

“目前,我们正联合华能浙江分公司依托玉环2号海上风电场项目开展大容量海上风电柔性低频汇集送出系统验证。这是我们柔性低频输电系列示范工程的第三部曲。”金文德介绍。

玉环2号海上风电场位于浙江省台州市玉环海域,规划装机容量508兆瓦,采用工低频混合方式送出,其中204兆瓦采用工频输电方案,304兆瓦采用低频输电方式送至陆上计量站。

“玉环2号海上风电场配备设置了一座220千伏工低频共建海上升压站,将海上低频风电和工频风电都升压至220千伏后,通过一回220千伏工频海缆和一回220千伏低频海缆送至陆地。”陆翌说。目前,该工程已完成成套参数设计,预计将于2025年完成投运。届时,将能够在同一工程中积累工频交流与柔性低频输电的具体数据,进一步回答中远海大规模风电送出的经济性问题。

“当前,海上风电送出设备小型化的问题还没解决,同时,海上风电的开发正逐步向深蓝推进。未来海上风电大规模集群送出,有没有比低频柔性送出更好的解决方案?这仍值得继续探索,仍需研究送出模式,储备好关键技术装备。”金文德认为。

除积累海上风电送出技术外,也有业内人士表示,海上风电开发成本问题也需得到进一步重视——当前,我国沿海省份已形成海上风电规模化产业基地,9个省份累计建成或在建20多个海上风电产业园。海上风电较陆地风电在投建、并网、运维等方面难度更大、技术设备要求更高,投资相应更大,需加强统筹规划,丰富扶持政策,以刺激风电企业投资的积极性和上下游企业的国产化设备研发、运维保养的积极性,需要进一步加强原材料掌控力,解决海上风电送出关键技术“卡脖子”难题与瓶颈。

再清洁一点、再优质一点、再超前一点。向海争风正在进行时。(徐梓沐)