海上风电场雷击二次损伤的研究讲解.docx

海上风电场雷击二次损伤的相关研究 PAGE \* MERGEFORMAT11 海上风电场雷击二次损伤的相关研究 1 本课题研究背景及意义 1.1海上风电的优势 风电是目前世界上发展速度最快、最具竞争力的可再生能源，我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿千瓦， 其中，陆地上风能储量约2.53亿千瓦,，近海可开发和利用的风能储量约7.5亿千瓦。近年来国内陆上风电飞速发展，风电场逐渐趋于饱和，陆上风机遭遇到电网消纳能力瓶颈，且受土地资源、风资源、噪声与环境等因素的制约越来越明显。 与陆地相比，海上风能资源风速更大、湍流度更低，风向更稳定、对环境影响较小，且海上风电场往往靠近能源需求较大的沿海发达城市，海面可利用面积广阔，不占用土地等的优势，已逐渐成为未来风电发展的必然趋势[1-2]。 1.2 海上风电的发展 在20世纪70年代，国外开始探索海上风力发电技术，至1990年，丹麦开始建设世界上首座海上风电场Vendeby，并于1991年正式投入运行。2003年，丹麦建成全球首座真正的大型海上风电场Horns Rev，该电场总装机容量为160 MW；2013年，英国建成现今规模最大的海上风电场London Array 1，该电场装设有175台3.6 MW风力发电机，其现有总装机容量达到630 MW。至今，全球海上风力发电行业仍然以欧洲为发展中心，它们在海上风电发展进程中有着重要的地位。而美国的海上风电发展相对比较滞后，近些年，由于受到欧洲海上风电事业蓬勃发展的刺激，美国风电产业也开始由陆上风电转向对海上风电的开发与利用，2010年4月美国政府批准建设国内首座海上风电场Cape Wind。 截止至2013年底，国外海上风电新增装机容量达到1721MW，累计装机容量为6832 MW，其中，英国占据海上风电新增装机容量市场的47 %的份额，新增装机容量为805MW，欧洲海上风电累计装机容量占国外累计装机容量的96.05 %。就新增装机容量而言，2013年英国、丹麦、德国和比利时等国家新增装机容量所占比重分别为47.8%、23.7%、13.6%、11%就累计装机容量而言，2013年英国、丹麦、比利时、德国、荷兰、瑞典等 6 个国家的装机容量所占比重分别为56.6 %、19.04 %、8.73 %、7.84 %、3.81 %、3.26 %。 截止2014年底，全球累计风电??机容量达36 955.3万kW，中国并网装机容量达到9 637万kW，累计风电装机容量为11 460.9万kW，占比31%居世界首位。全球累计风电装机容量连续10年保持两位数以上增长，中国更是连续10年以超过20%的速度增长。2014年全球新增装机容量中，中国以23196 MW居首位，占比45.1%，创历史新高。[3] 1.3 典型海上风电场描述 图1-1给出了一个典型的海上风电场模型，其内部集电网络系统采用链形连接方式，其布局就像一个10×8的矩阵，风电场内一共有80台风机，风机端电压为0.69kV，出于对风电场规模效益和经济效益的考虑，海上风电场内所安装的风机容量都比较大，其单机容量一般为2-5MW，且每台风机风轮直径大概为100m左右。而为了减轻尾流效应的影响以及减少风机叶片的紊流脉动，每两台相邻风机之间的距离至少是5倍风轮直径大小。每8台风机为一组连接在同一条中压海底电缆馈线上，且由所有馈线所组成的中压集电网络系统的电压等级一般在10-35kV之间。每条海底电缆馈线的电能将传输到汇流母线上，并由33kV的汇流母线将每条馈线的电能汇集在一起，再经过海上变电站升压至 110 kV后输送到岸上变电站，最后实现海上风电场的电能并网。 虽然海上风电场的电力集电网络及传输系统和城市配电网的中压地下电缆系统具有相同的设计方式，但是大型海上风电场集电网络的拓扑结构与输电网和配电网的拓扑结构有着明显的差别。其一是，海上风电场的能量流的方向是从低电压端流向高电压端，而城市配网或工业配电系统的能量流方向正好相反，海上风电场的“负载”几乎全都是旋转电机，且风电场内的电机都装配有大量的电力电子装置而伴随有无功和有功功率的变化；其二是，由于海上每年固定时间段内复杂而恶劣的气候条件，随时对海上风电场进行维护和维修很难实现，所以在海上风电场的设计过程中需要保证其经济性的同时也要保证其可靠性。然而，在其它某些方面，海上风电场的输电系统与工业配电系统又有一定的相似点，例如，系统内存在着大量的负荷波动，旋转电机，具备高可靠性以及低维护的要求。除了海上风电场内的一些基础电力设备外，还要求在高压电缆的一端或两端安装无功补偿设备以及在高压电缆的岸上端装设谐波补偿装置。[4] 图1-1 典型海上风电场模型 1.4 海上风电场面临的问题 近十几年来，风电场的规模和风电机组的单机容量都不断增长，风电