海上风电开关设备

海上风电应用 

海上风电通过风机转动带动发电机发电，发电机发出的电经过变流器、升压变压器升至40.5/72kV、再经控制开关与集电电缆相连，集电电缆通过手拉手形式把各个风机发出的电汇集起来输送到海上升压变电站，再经过升压至220kV后，通过高压送出电缆连接到陆上集控中心，与电网连接。

图1 海上风电电力输出系统

海上风电所需要设备有单机升压变压器，控制开关柜；还有升压变电站所需要的开关设备和升压变压器。海上风电电力输出系统示意，见图1。

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：

a.  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；

b.  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；

c.  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。国内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。西门子72.5kV洁净空气绝缘开关柜（图2）也成功用于西门子歌美飒7MW风机上， 8VM1 blue GIS?   72.5 k V增加传输容量并降低电缆成本,      真空灭弧室技术,洁净空气绝缘技术 ，具有高电压、体积小，环保可靠的特点。

图 2          8VM 1 blue GIS?   72.5 kV 开关柜

（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3。

图 3     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4。

图4    通用电气风电开关设备布置

海上风电资源丰富，海上风电开关设备作为电能采集、传输、升压、并网的重要设备，需要高可靠性产品，产品需要满足严酷的运行环境要求，并通过相关的试验。同时，随着海上风电的快速增长，单机容量的快速增长，通用电气单机容量15的风机已经批量生产，容量17MW的风机NPI项目也接近完成。因此更高系统电压、安装位置更靠近电源、智能、环保型产品是发展方向，需要开关行业同仁在配套开关设备的研发上共同努力，设计出真正满足海上风电应用的开关设备，如小型化、高可靠的72.5kV的机舱内安装的绿色环保集线开关设备和应用于海上升压站用的环保型开关设备。

综上所述，海上风电向着大容量发展，所需要的开关设备也需要高电压产品，从位于风机侧的开关、环网开关柜RMU到汇流升压站的大电流开关柜CGIS都需要72.5kV的开关设备，小型化、环保型、智能化、高可靠开关设备是海上风电的基本要求。