双碳背景下海上风电开关设备的发展方向（二）

据预测2030年，电力需求约达到11万亿千瓦时，在当前水平基础上增长54%，年均增长约4%；而全球电力生产的碳排放约占全部排放的42%，在中国这一比例达到51%；清洁能源发电势在必行。要实现2030年前碳达峰目标，中国仍须新增大约650GW光伏、600GW陆上风电、60GW海上风电、113GW水电和66GW核电装机；风电和光伏装机预测都将以每年50~60GW速度增长，其中海上风电是增速最快的领域。

4. 海上风电开关设备的发展方向

（1）向更高电压发展

海上风电单机功率逐年提升，2018年单机2MW以上占45%，比2015年增长30%；2020年，欧洲新安装的海上风机平均单机容量达到8.2MW，而2019年这一数字还仅为7.8MW，又增加了0.4MW。

海上风电单机容量大，尺寸小、环境严酷；气体绝缘环网柜作为单机集电开关应用非常适合；由于海上风电单机装机容量达10MW以上，如果一个海上风场总装机容量大于300MW，就要求采用2台180MW的升压变压器，而40.5KV的额定电流就达到2828A，已经接近40.5kV充气开关柜C-GIS的额定电流最高值，因此采用更高一级电压 72.5kV等级已成为必然，更经济、更安全，使用72.5kV环网开关设备用于集电开关，72.5kV GIS用于升压站将是未来海上风电的主流。

根据DNV.GL的估算，海上风电系统从全生命周期考虑，与现有40.5kV方案比较，虽然72.5kV GIS开关和变电设备的成本有所增加，但72.5kV方案的总工程固定资产投资和造价（包括场内集电电缆、海缆敷设、风机及内部输变电设备、升压平台及设备和各设备的安装等成本）预计能降低15%。这主要归功于72.5kV方案具有如下特性：

1. 更灵活的风机拓扑路线设计，从而显著减少海缆的用量及其敷设工作量；

2. 更高的线路电压，带来更低的线路损耗，使得系统长期运行产生的总线损明显减少；

3. 在大容量风场，可以采用更少的海上平台来满足风机电力的汇集和送出。

ABB 、GE、西门子等先后使用GIS平台快速开发了风电专用开关设备，如ABB的PASS M00-Wind采用了半封闭式结构(HGIS) 开关设备应用于66kV场内电压等级的海上风电场，尺寸较大，而针对于风塔内应用的72.5kV小电流、小型化环网柜用于电能采集的并没有。

 

（2）开关设备安装位置更接近电源

国际风电厂家Vestas、GE、西门子歌美飒等纷纷将变压器、开关设备组成的箱变置于自己大容量风机机舱内，而很多风机厂家还是选择与陆上风电类似的方法，将箱变置于检修平台上，在步入平价时代的中国风电将箱变上置到风机机舱，更接近于电源，在机舱内部就地升压输电，有很大的经济效益。

通过对比发现，考虑箱变上置会增加机舱的重量及机舱、塔筒的防护等级提升这些成本，箱变上置机舱与普通方案在一次造价上相当。安装于机舱内部的设备示意，见图2。

 

 

图 2     安装于机舱内部设备

 

箱变上置到机舱具有如下好处：

首先，行业主流发电机输出电压普遍是低压690V左右，如果将箱变放置在塔筒检修平台，以4.5MW为例，从塔筒底部到箱变这一段距离，大约需要35根铠装电缆（每根3芯240mm+1芯120mm，大约每根35m），这一部分电缆大约需要几十万元的成本。而将箱变上置到机舱后，35KV从塔筒底部输出，电流大幅度降低，仅用1根就满足输电要求，成本较低。

其次，箱变上置到机舱后，由于电压升高，塔筒内的电流大约仅有原来的1/50，塔筒电缆的线损大幅度减少。对于1台4.5MW的风机，线损大约减少70KW以上。也就是说，减少线损的最大值可达到风机总功率的2%以上。

第三，箱变上置到机舱，可以减少检修平台的尺寸、建设，无需再做箱变基础了，而箱变安装时间很长，节约了建设周期，变相了节约了建设成本。

最后，箱变上置到机舱后，在运维阶段无需担心台风灾害等，减少运维环节的人力与物力成本。

综上所述，箱变上置到机舱总体经济性优于常规箱变设计方案，是风电平价时代可供风机厂家优化风机设计的技术路线。如GE Haliade-X风机，13兆瓦容量，248米高，107米长的叶片，38,000平方米的扫风面积，一台Haliade-X 13 MW的年能源产量（AEP）将比该原型机的先前12 MW版本高出4％，旋转一圈可以产生的电力足够为一所房屋供电超过两天。GE Haliade-X 13MW中的72.5kV GIS变电站包括了：GE-Mistral-14 14MVA 66kV 小型电力变压器和F35-72.5kVGIS，逆变器和变压器安装在风机机头舱内部，开关设备安装在塔筒内部。F35 72.5kV GIS开关设备安装在塔筒内，变压器保护断路器布置在上层，集电系统的分段开关布置在下层。通用电气风电开关设备布置示意，见图3。

图3    通用电气风电开关设备布置