海上风场电力系统
海上风电送出系统及工程技术
海上风电送出系统及工程技术本章概括性地介绍海上风电场的发电系统构成和主要设备，重点介绍了其送电系统构成、主要设备和功能特性，以及海上风电送出工程的系统并网技术、海上变电站、换流站技术和海底电缆线路技术。
2.1 海上风力发电系统简介2.1.1 系统构成目前，海上风力发电系统的典型接线图如图2-1所示。
图2-1 海上风力发电系统典型接线图从图2-1可以看出，风力发电机由风能驱动，发出电能，是海上风力发电系统最为重要的系统构件。
电能通过在机舱或基座内的变压器将电压抬升（如690V/35kV）之后汇入海底集电系统。
海底集电系统是连接各风电机组形成的电气系统，主要由连接各风电机组的海底电缆及开关设备构成，其作用是汇集各风电机组发出的电能，输送至陆上或海上升压站。
2.1.2 主要设备及功能特性据前文所述，海上风力发电系统包括海上风电机组及海底集电系统两个部分。
风电机组由风轮、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制与安全系统、机舱、塔架和基础、升压设备等组成，典型结构如图2-2所示。
海底集电系统由连接各风电机组的海底集电电缆、开关设备等组成。
（1）风轮。
由叶片和轮毂、滑环组成，是风电机组获取风能的关键部件，叶片是由复合材料制成的薄壳结构，分为根部、外壳、龙骨三个部分；轮毂固定在主轴上，内装有变桨系统，与机舱经滑环连接；滑环为旋转部件（叶片和轮毂）与固定部件（机舱）提供电气连接。
（2）传动系统。
由主轴、齿轮箱和联轴节组成（直驱式除外），主轴连接轮毂与齿轮箱，承受很大力矩和载荷；齿轮箱连接主轴与发电机，叶轮转速一般为15～25r/min，发电机（非直驱式）额定转速一般为1500～1800r/min，齿轮箱增速比通常为1∶100左右。
（3）偏航系统。
由风向标传感器、偏航电动机、偏航轴承和齿轮等组成。
偏航轴承连接机舱底架与塔筒齿轮环内齿，并与偏航电机啮合实现机舱偏航对风；偏航电动机驱动机舱转动对风，偏航速度一般为1°/s，通常有3～5台，通过减速箱或变频器降速。
海上风电场并网的影响及对策
海上风电场并网的影响及对策海上风电出力随机性强，间歇性明显，机组本身的运行特性和风资源的不确定性，使得风电机组不具备常规火电机组的功率调节能力。
因此，海上风电场并网会对电网的运行产生一定的影响，本章将从研究风电机组的电气特性出发，详细阐述风电出力的特点，进而指出风电场并网对电网的影响，最后给出相应的解决措施。
3.1 海上风电场并网的影响针对风速的随机性、间歇性导致海上风电功率的不确定性大，以及风电机组本身的运行特性使风电场输出功率具有波动性强的特点，需要从系统电压、频率以及系统的稳定性等方面研究海上风电场出力的特点和海上风电场并网对电网的影响，以提出相应的对策和解决措施。
3.1.1 风电出力的特点（1）风电出力随机性强，间歇性明显。
风电出力波动幅度大，波动频率也无规律性，在极端情况下，风电出力可能在0～100%范围内变化。
风电出力有时与电网负荷呈现明显的反调节特性。
风电场一般日有功出力曲线如图3-1所示。
图3-1 风电场一般日有功出力曲线可见，风电功率出力的高峰时段与电力系统日负荷特性的高峰时段（8：00—11：00，18：00—22：00）并不相关，体现了较为明显的反调峰特性。
一些地区全年出现反调峰的天数可占全年天数的1/3～1/2。
反调峰的现象导致风电并入后的等效负荷峰谷差变大，恶化了电力系统负荷变化特性。
（2）风电年利用小时数偏低。
国家能源局发布数据显示，2014年年底全国并网风电装机容量9581万kW，设备平均利用小时1905h。
其中，海上风电约38.9万kW，设备平均利用小时略高，可达到2500h左右。
（3）风电功率调节能力差。
风电机组在采用不弃风方式下，只能提供系统故障状况下的有限功率调节。
风电机组本身的运行特性和风资源的不确定性，使得其不具备常规火电机组的功率调节能力。
3.1.2 对电网的影响风电等可再生能源接入系统主要有以下问题：（1）通常风能资源丰富地区距离负荷中心较远，大规模的风电无法就地消纳，需要通过输电网输送到负荷中心。
海上风场 未来能源的新格局
海上风场未来能源的新格局海上风场：未来能源的新格局随着全球能源需求的不断增长和对传统化石燃料的依赖逐渐减少，寻找可再生能源的新途径成为当今世界的热门话题。
在各类可再生能源中，风能作为一种清洁、无污染的能源供应方式，受到了广泛关注。
近年来，海上风场作为未来能源的新格局备受瞩目，并逐渐成为解决能源供应问题的重要选择。
一、海上风场的概念与原理海上风场，又称海上风力发电场，是指将大型风力发电机组安装在海上的平台或桩架上，通过捕捉海上强劲的风力来产生电能。
与陆上风电相比，海上风场具有更大的风能资源、更高的利用率和更稳定的输出能力。
海上风场的原理与陆上风电基本相同，都是通过将风能转化为电能。
海上风力发电机组利用风力驱动叶片旋转，通过风扇与转子的转动产生动力，并将动力传递给发电机，最终转化为电能。
由于海上的风能更加稳定且强劲，因此海上风场的发电效率更高。
二、海上风场的优势与挑战1. 优势：（1）丰富的风能资源：海上风场由于没有遮挡物，风场内的风速更高，能够充分利用强劲的海风，从而获得更稳定、更丰富的风能资源。
（2）较高的风能利用率：相较于陆上风电，海上风场受到更加强劲的海风的影响，从而具有更高的风能利用率，可以更有效地转化风能为电能。
（3）更稳定的发电能力：海上风场较陆上风电更加稳定，因为海洋中的风速较为一致，具有更少的风力波动，从而能够更稳定地输出电力。
2. 挑战：（1）高投资成本：相较于陆地风电场，海上风场的建设成本更高。
需要定制化的设计、更复杂的设备安装以及海洋环境下的施工条件，导致海上风场投资成本大幅增加。
（2）运维难度大：海上风场面临较为恶劣的海洋环境，设备的运维和维修难度较大。
海洋环境对风力发电机组的耐久性和可靠性提出了更高的要求，需要进行定期的检修和维护。
（3）输电系统问题：海上风场需要将发电的电能输送到陆地的电网中，这需要建设大规模的海底电缆输电系统，而建设和维护这些电缆系统的费用和技术难度较高。
海上风场电力系统
Passive but project specific
风机
Wind turbines
不变但是不影响 项目技术规范
Active but not project specific
2. 电力收集系统
Electrical collection system
电力收集系统－布局
Electrical collection system - layouts
If the project is small, c. 100MW or less
接近海岸， 例如，15km以内
…and close to shore, c. 15km or less
按收集电压连接电网，例如：33kV
…and connecting to the grid at collection voltage, e.g. 33kV
电力收集系统－电缆保护
Electrical collection systems – cable protection
埋设成本和可行性决 定于土壤条件
Burial cost and feasibility depends on soil conditions
其他方式包括堆石覆 盖、沙袋覆盖、和管 道
Alternately can rock dump, mattress, pipe.
调查
Survey !
其他危险，例如：沉 船、管线
Also other hazards, e.g. wrecks, pipelines
电力收集系统－成本
Electrical collection systems – costs
岸上Onshore 4. 岸上分电站（和岸上电缆）Onshore substation (and onshore cables)
浅谈海上风电场电力系统
国近海 海域风 电装机 容 量 可 达 １亿 ～２亿 千 瓦。
与 陆 上 风 电相 比 ， 上 风 电 年 利 用 小 时 长 ， 速 较 海 风 陆 上 更 高 ， 切 变 更 小 ， 流 强 度 小 ， 稳 定 的 主 风 湍 有
导方 向 ， 组运 行稳 定 、 机 寿命 长 ， 不需 要很 高 的塔
Ｈａ ｎ Ｚｈｏ ｎｇ— ｎｇ Ｍｅｎ ｉｙａ ｑｉ ． ｇ Ｈａ — ｎ
（ ． ｏ ｈＣ ｉａＧ ｉ ｏ ａ ｙＬｍｉ ｄ， ｅｊ ｇ１ ０ ５ Ｃ ｉａ １ Ｎ ａ ｈｎ ｒ Ｃ ｍｐ ｎ ｉ ｔ Ｂ ｉｎ ０ ０ ３， ｈｎ ； ｄ ｅ ｉ ２ ｈｎ ｕｉ ｉｄＥ ｅｇ ｅ ｅ ｐ ｅ ｔＣ ．Ｌｄ ， ｅｊ ｇ１ ０ ３ Ｃ ｉａ ．Ｃ ｉａＦ ｌ Ｗ ｎ ｎ ｒｙＤ ｖ ｌ ｍ ｎ ｏ ｔ． Ｂ ｉｎ ０ ０ ４， ｈｎ ） ｎ ｏ ｉ
Ａ ｂｓｒ ｔ： ｔ ａｃ Ｔｈｅ ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｆｓ ｏ ｅ ｗｉ ａｒ ｓ ｇ ｆｏ ｆ ｈ ｒ ｎｄ ｆ ｍ ｅ ｅ ｔｉ ａ ｙ ｔ ｍ ｓ ｒ ｃｔｉ ｆｕｅ ｅ ｎ ｃ ｉ ｗｅ ｏ ｓ， ｉ ｅ ｔ ｅ ｌ ｃ ｒｃ ｌｓ ｓ ｅ ｈａ ｄｉｅ ｎ ｌ ｎｃ ｏ ａ ｔｖｅ ｐｏ ｒ ｌ ｓ ｎｖ ｓｍ ｎｔ
架 ， 机 能 量 产 出较 大 。 除 此 之 外 ， 上 风 电 不 占 单 海
１ 风 电 场 内 的集 电线路
１ １ 海 底 电缆 的 选 择 ．
用 土地资 源 ， 接 近沿 海 用 电负 荷 中心 。发 展 海 且 上风 电 ， 可以有效避 免陆上 风 电远距 离传输 问题 ，
型号 的选择如表 ｌ 示 。 所
面 临 着 较 大 的 市 场 前 景 。 目前 上 海 东 海 大 桥 海 上 风 电 场 已经 全 部 安 装 完 毕 ， 经 有 ｌ 已 ０多 台 机 组 投
浅谈海上风电场输电方式
浅谈海上风电场输电方式摘要：随着绿色能源的不断发展，我国海上风电发展快速，其中海上风电输电系统具有重要的作用。
海上风电可以保证我国东部的能源电力供应，我国海上风电项目逐步由近海浅水区向深水区拓展，相关输电方式成本性越发凸显，选取合适的输电方式、降低成本是海上风电逐渐向深远海化、规模化发展的关键。
本文主要讲解海上风电场轻型直流输电方式的情况。
关键词：海上风电场；输电方式；研究在我国海上风能中具有丰富的资源，在5米到25米水深，50米高度的位置具有2亿千瓦的海上风电开发潜力；在5米到25米水深，70米高度的位置具有5亿千瓦的海上风电开发潜力[1]。
另外在深远海、近岸潮间带等也有丰富的风能资源。
我国海上风电资源多集中在东部沿海地区，海上风电的开发，有利于推动工业的绿色转型发展，减少化石能源应用，保证能源电力供应。
但是由于运行以及施工环境恶劣，海上风电的建设、电能输送以及运行维护的成本高于陆上风电，制约海上风电的大规模发展。
海上风电场的场地面积要多于陆上风电场，风电机组之间距离更大，且具有分散化、间歇性等特点，增加与电力系统之间稳定连接的难度。
1 传统海上输电系统的概述海上风电场连接陆上电网过程中主要使用高压直流输电方式或者高压交流输电方式[2]。
高压交流输电方式主要适合近距离输送或者小规模输送。
在高压交流输电方式中，实施方案成熟度较高，近海输电的结构简单，成本比较低，具有较高的可靠性，工程的运行经验比较丰富，但高压交流输电方式具有明显长距离输送电缆电容效应、突出的过电压问题、很难控制无功电压等缺点。
高压直流输送方式可以分为基于电压源换流器的高压直流输电以及基于线性整流换流器的高压直流输电。
在线性整流环流器的高压直流输电中对附属设备以及换流器站具有较高的要求，还需要具有较多空间，需要非常大的海上换流器平台，在运行过程中很容易受到交流网络的干扰，如果出现这种干扰，会造成高压直流输电系统的切断，因此这种技术不适合在海上风电输电中应用。
海上风场 海洋能源的新起点
海上风场海洋能源的新起点海上风场——海洋能源的新起点随着全球能源需求的不断增长，可再生能源成为各国追求能源可持续发展的重要选择。
而海洋能源作为一种广阔的可再生能源资源，正逐渐成为关注的焦点。
海上风场作为利用风能发电的一种方式，被视为海洋能源的新起点。
本文将从海上风场的定义、发展现状以及前景展望等方面进行探讨。
一、海上风场的定义海上风场是指建设在海洋上的风力发电场，利用海上的风能产生电力。
相较于陆上风电场，海上风场具有更大的容纳量、更稳定的风速和更高的电力利用率。
海上风场通常由风力涡轮发电机组成，涡轮机的旋转运动转化为电能，通过电缆将电能传输至陆地。
二、海上风场的发展现状1. 全球发展概况海上风场的发展起步较晚，但近年来取得了突破性进展。
全球范围内，欧洲是海上风场发展最为成熟的地区。
截至2019年，全球已建设的海上风场容量超过20万兆瓦，其中欧洲占比最大，占全球总装机容量的85%以上。
2. 中国的发展现状中国作为全球最大的风力发电市场，对海上风场的发展寄予了厚望。
目前，中国已建设了一批示范性的海上风场，如福建厦门海上风电场、上海东海大桥海上风场等。
同时，中国政府也积极推动海上风场项目的发展，并鼓励国内企业加大研发和投资力度。
三、海上风场的优势1. 巨大的潜力海上风能资源相较于陆地更加丰富，风速更加稳定，因此具有巨大的开发潜力。
根据国际能源署的数据预测，海上风电在全球能源供应中的比重有望在2030年达到4%，2020年至2030年期间，海上风电装机容量预计将翻番。
2. 环境友好海上风场利用风能发电，没有排放污染物，对环境的影响较小。
与传统燃煤发电方式相比，海上风场能够显著减少二氧化碳和其他温室气体的排放，对于减缓气候变化具有积极意义。
3. 空间利用率高相较于陆地风电场，海上风场在空间利用率上具有明显的优势。
由于海上没有地形限制，可以充分利用海洋的广阔空间布置风力涡轮机，从而提高风能利用率和发电效益。
海上风电项目的输电系统设计与实施方案
海上风电项目的输电系统设计与实施方案随着可再生能源的快速发展，海上风电项目成为了近年来热门的投资领域之一。
而海上风电项目的输电系统设计与实施方案对于项目的顺利运行至关重要。
本文将从设计和实施两个方面探讨海上风电项目的输电系统。
一、设计方案1. 输电系统类型选择海上风电项目的输电系统主要有两种类型：直流输电系统和交流输电系统。
直流输电系统具有输电距离长、输电损耗小、稳定性好等优点，适用于远距离输电；而交流输电系统则适用于近距离输电，适合在海上风电项目中采用。
2. 输电线路规划对于海上风电项目的输电线路规划，需要考虑风机布局、海况、海底地理条件等因素。
首先，需要根据风机布局确定主干输电线路和分支线路的走向；其次，需要根据海况和海底地理条件确定海底电缆或海底电缆铺设巡视器的方式，确保输电线路的安全性和稳定性。
3. 输电系统容量设计海上风电项目的输电系统容量设计需要考虑到风机发电能力、电网负荷需求等因素。
根据风机的额定功率和数量，确定变电站的容量；并通过合理的设计，确保输电系统能够满足电网的负荷需求，并有一定的扩容余地。
二、实施方案1. 资源调配与工期安排在实施海上风电项目的输电系统方案之前，需要进行充分的资源调配和工期安排。
首先，要确保有足够的技术人员和专业设备参与项目，确保项目的顺利进行；其次，需要制定合理的工期计划，将各个施工阶段安排合理，以保证输电系统按时投入使用。
2. 设备采购和安装海上风电项目的输电系统涉及到众多设备的采购和安装，如海底电缆、海底电缆支撑系统、变电站设备等。
在设备采购过程中，需要选择可靠的供应商，并对设备进行严格的质量把控；在安装过程中，需要根据设备的特点和要求，合理安排工序和施工方案，确保设备的安装质量和效果。
3. 检测与调试在输电系统实施完毕后，需要进行系统的检测和调试工作。
通过对输电系统的各个组成部分进行检测，确保设备的正常工作；并通过对系统的调试，使其达到预期的运行效果。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
海上分电站－单线框图
Offshore substations – single line diagram
132/33kV transformer
(Offshore and/or Onshore)
变压器
VAr compensation
~ 柴油发电机
Diesel standby generator
3.海上分电站
Offshore substations
海上分电站－介绍
Offshore substations – introduction
有一个海上分电站是必要的吗？
Is it necessary to have an offshore substation ?
如果小项目，例如，100MW以下
Also other factors such as number of cables to shore, ratings etc …
目前的趋势是在可能的情况下使用一个变压器
To date the trend has been for 1 transformer when possible
岸上分电站
onshore substation
海底集电系统
offshore collection system subsea cabling
海底高压 电缆
Subsea HV cable
岸上
Onshore
海上
Offshore
电力系统成本介绍
Introduction - electrical system costs
(Optional)
开关设备
33kV switchgear
海上分电站－一个或者两个变压器
Offshore substations – one or two transformers?
• 单个变压器，或者两个（＋）并联？ Single transformer, or two (+) in parallel? • 一个变压器－一旦有故障就是“灾难性的”One transformer - failure is “catastrophic” • 两个变压器 Two transformers • 额外成本 Extra capital cost • 针对变压器故障提高安全性 Improved security against transformer failure – 更新压器或者修理可能要数月的时间 new transformer or repairs could take months – 故障率低（1次100－150年）failure rates are low (1 in 100 - 150yrs) – 减少输出取决于变压器的额定值 reduced export depending on transformer rating • 较高的运行和维护成本 Higher O&M costs • 也有其他因素，例如连接到海岸的电缆的数量，额定值等等
Garrad Hassan
海上风场电力系统
Offshore electrical systems
内容
Contents
1. 2. 3. 4. 5. 6.
介绍 阵列电缆-集电系统 海上分电站 传输到海岸 岸上工作 总结
Introduction Onshore works Summary
Array cables – collection systems
电力收集系统－电缆安装
Electrical collection systems – cable installation
工具：多数用犁，喷射机，切岩机
Tools – mainly plough, jetter, or rock cutter …
犁
Plough
喷射工具
Jetting Tool
电力收集系统－J型管
风机
Wind turbines
不变但需要 项目技术规范
Active and project specific
可变需要项目 技术规范
Passive but project specific
不变但是不影响 项目技术规范
Active but not project specific
2. 电力收集系统
Electrical collection system
once rock or boulders are involved costs can go up dramatically and burial may not be feasible.
电力收集系统－总结
Electrical collection systems – summary
•辐射布局可用单线可达30-40兆瓦
电力收集系统－电缆保护
Electrical collection systems – cable protection
70%的电缆故障是人为造成（ 例如：捕渔装置，锚)
Approximately 70% + of cable failures are due to human activity, e.g. fishing gear, anchors.
电缆排布 transmission cables 传送电缆 offshore substation 海上分电站 onshore substation 岸上分电站 w eather 天气 其他项目 other items
array cables
占项目成本的20-30%
and typically about 20-30% of project costs
Electrical collection systems – J-tubes
内部
inside
电力收集系统－电缆J型管入口
Electrical collection systems – cable J-tube entry
若无计划，会出现问题
Very problematic once it doesn’t go to plan
其他方式包括堆石覆 盖、沙袋覆盖、和管 道
Alternately can rock dump, mattress, pipe.
调查
Survey !
其他危险，例如：沉 船、管线
Also other hazards, e.g. wrecks, pipelines
电力收集系统－成本
Electrical collection systems – costs
If the project is small, c. 100MW or less
接近海岸， 例如，15km以内
…and close to shore, c. 15km or less
按收集电压连接电网，例如：33kV
…and connecting to the grid at collection voltage, e.g. 33kV
埋在地下是最好的保护方法
Burial is the best protection.
电力收集系统－电缆保护
Electrical collection systems – cable protection
埋设成本和可行性决 定于土壤条件
Burial cost and feasibility depends on soil conditions
•J型管用于风机的出入口
J-tubes used for turbine entry/exit – fiddly !
•通常最好采用埋设方法,除非无人类活动和有良好海洋环境
Generally best buried unless NO human activity and benign sea environment
Radial strings up to about 30-40MW
•小于36kV电压最佳
≤ 36kV voltage optimal
•电缆类型： XLPE 或 EPR
Cable types can be XLPE or EPR
•安装速度大约每天1-2台风机间的连接
Installation rates of 1-2 inter-turbine lengths per day
海上分电站－平板车式结构
Offshore substations – Barrow
Heli-Lift Module E Power Transforme r
Module D Module A
Module B Module C
Module A
Auxiliar Auxiliary y Transformer Transfo rmer
36kV电缆成本：大约在每公里10万英镑（大约150万RMB）
36kV cable costs in the order of £100k per km
• 一些厂商提供更便宜价格
some manufacturers may offer better prices.
安装成本：5万-20万英镑再加每公里费用
Offshore substations Transmission to shore
1.介绍
Introduction
海上风电场电力系统
Offshore wind farm electrical systems
由四个主要要素组成
Consist of four key elements:
海上 Offshore 1. 场内电缆（电力收集系统）Inter-turbine cables (electrical collection system) 2. 海上分电站（如果有）Offshore substation (if present) 3. 输送到海岸的电缆Transmission cables to shore 岸上Onshore 4. 岸上分电站（和岸上电缆）Onshore substation (and onshore cables) 还有Also • 风机Turbines • 电网联接问题Grid Connection issues