适应远海场景,柔性直流海缆初露锋芒。
国内海风资源丰富,开发资源充足。中国拥有 300 多万平方公里的海洋面积,海岸线长度 约为 1.8 万公里,沿途地区包括渤海湾地区、江苏地区、浙江地区、福建地区和广东地区 等,几乎全部涉及经济发达省份,海上风资源技术开发潜力超过 35 亿千瓦,海上风电开 发潜力巨大。根据《中国风电发展路线图 2050》显示,全国近海水深 5-50 米范围内、100 米高度层的海上风能资源潜在开发量在 5 亿千瓦以上。此外,据英国贸易部研究,中国距 离海岸 150km 内,50 米水深以上可开发风资源约为 6 亿千瓦。我国近海及深海都有充足 的风能资源,具备海风在我国高速发展的基本条件。
海上风电高速发展,预计 23 年国内海上风电装机 8GW。受海上风电 2021 年抢装、2022 年海上风电逐步退补等因素影响,2022 年我国海上风电新增装机量同比下滑较大。2022 年我国新增风电装机容量 49.83GW,同比-11%,其中海上风电新增装机容量 5.16GW, 同比-64%。但 22 年海风招标景气度高,根据比地招标网数据不完全统计,2022 年我国 全年海上风机招标量为 15.76GW,同比+427%。23 年国内风电装机有望释放,预计全年 风电新增装机 68GW,同比+36%,其中海上 8GW,同比+55%。
深远海域逐渐开发,柔直海缆登上舞台。2022 年以来,海风项目离岸距离随单机容量提 升不断提升。其中海缆招标项目中青洲一、二、四项目离岸距离分别约为 50、55、70km, 离岸距离均已远超过 30km,海风项目深远化趋势明显。 在我国由近海迈进深远海的过程中,高压电流带来的技术难度、电力输送的高昂成本均是 避免不了的问题。随着离岸距离的增加,原本国内广泛使用的高压交流输电未来将不再能 满足海上风电的发展,更适应深远海的柔性直流输电则崭露头角。23 年的海上风电项目 中,青洲五、七将示范性地在实践中展示并检验柔直海缆产品的可靠性。
柔性直流输电是兼具灵活、损耗小等优点的一种新兴技术。柔性直流输电技术是基于电压 源换流器(VSC)、可关断功率器件(IGBT)和脉宽调制技术(PWM)的一种新型直流输电技术。 柔性直流输电技术应用于海上风电有多种拓扑结构,应用于海上风电场海上输电系统中的 较为成熟的换流器通常采用两电平和三电平技术或者模块化多电平技术。柔性直流输电系 统设备包括海底直流电缆、换流器、桥臂电抗器、联接变压器、直流电抗器、直流耗能装 置和启动电阻等。

柔直技术与我国海上风电发展的特性相匹配,柔性直流海缆的应用空间将逐渐扩张。随着 离岸距离的增加,更适应深远海的柔性直流输电的应用将逐渐增多。柔直海缆具有:在长 距离输电中的输送容量更大、汇集输送时灵活程度和扩展程度较高、输电线路数量更少、 海域资源占用较少等优点。随着输电距离的延长,柔性直流技术在输送容量、长度方面的 优势凸显,经济适用性较强。在海上风电的发展过程中,随着对深远海域的开发,柔性直 流海缆的占比将逐渐加大。 我国在建或拟规划的深远海海上风电场项目具有离岸距离远、输送容量大、连片大规模开 发等特点。根据《大规模海上风电柔性直流输电研究》,以如东项目为例,柔性直流输电 技术与我国深远海海上风电场的大规模送出特性相匹配,可以不依赖外界电源输出电源, 从而保障良好的电能质量,为电网提供无功支撑。
柔直海缆为单芯电缆,交流海缆多为三芯。目前国内柔直海缆产品较少,国外高压直流项 目均采用单芯结构,根据《三芯高压直流海缆结构设计及性能研究》,其内部结构包括: 阻水导体、导体屏蔽、XLPE 绝缘、绝缘屏蔽、半导电阻水带、合金铅套、聚乙烯(PE)护 套、光单元保护填充层、光单元、内垫层、铠装钢丝和外被层。 与柔直海缆不同,交流海缆多为单回三芯结构,包括:阻水导体、导体屏蔽、XLPE 绝缘、 绝缘屏蔽、半导电阻水带、合金铅套、聚乙烯(PE)护套、填充条、光单元、包带、内垫层、 装钢丝和外被层。
此外,两种海缆在承载容量、电缆根数、截面积等方面有所不同。主要的不同点包括:(1) 柔直电缆单回承载容量大于交流电缆。以 500kV 电压等级为例,柔直电缆单回极限承载 容量约为 2GW,而交流电缆单回极限承载容量仅为 0.7GW 左右。对应 2GW 的项目只需 使用 1 回柔直电缆,如使用交流电缆则需使用 3 回;(2)柔直电缆 1 回为 2 根电缆,交流 电缆 1 回为 1 根电缆。即使柔直电缆单回所需根数多于交流电缆,但在项目容量高的情况下,柔直电缆使用根数仍然低于交流电缆,电缆总长相应也会更短;(3)柔直电缆横截面 积较交流电缆稍大,相应带来更多的铜用量。
应用场景方面,柔直海缆更适用于输送容量大、供电距离长的场景。根据《海上风电场输 电方式研究》,相较于交流海缆,柔直产品具有以下优点:长距离输送容量更大,输电线 路数量更少,海域资源占用较少;汇集输送具有灵活、可扩展性;体积小,便于施工和扩 建;有功无功解耦,电压控制更为简单;潮流反转方便快捷;可提高现有系统的输电能力; 事后可快速恢复供电和启动;可向无源电网供电。同时,柔直海缆也有其局限性:造价较 高;技术尚不成熟,可靠性和稳定性有待提高;工程运行经验较少。 因为在长距离的输电过程中,柔直海缆具有输送容量大、供电损耗小、灵活可拓展、占海 资源小等优点,因此,相比交流海缆而言,柔直更能适应风机大型化背景下的深远海域开 发。在大容量、远距离的应用场景下,柔直海缆将更好地发挥其自身优势。