據(jù)預(yù)測(cè)2030年，電力需求約達(dá)到11萬億千瓦時(shí)，在當(dāng)前水平基礎(chǔ)上增長(zhǎng)54%，年均增長(zhǎng)約4%；而全球電力生產(chǎn)的碳排放約占全部排放的42%，在中國(guó)這一比例達(dá)到51%；清潔能源發(fā)電勢(shì)在必行。要實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰目標(biāo)，中國(guó)仍須新增大約650GW光伏、600GW陸上風(fēng)電、60GW海上風(fēng)電、113GW水電和66GW核電裝機(jī)；風(fēng)電和光伏裝機(jī)預(yù)測(cè)都將以每年50~60GW速度增長(zhǎng)，其中海上風(fēng)電是增速最快的領(lǐng)域。
4. 海上風(fēng)電開關(guān)設(shè)備的發(fā)展方向
（1）向更高電壓發(fā)展
海上風(fēng)電單機(jī)功率逐年提升，2018年單機(jī)2MW以上占45%，比2015年增長(zhǎng)30%；2020年，歐洲新安裝的海上風(fēng)機(jī)平均單機(jī)容量達(dá)到8.2MW，而2019年這一數(shù)字還僅為7.8MW，又增加了0.4MW。
海上風(fēng)電單機(jī)容量大，尺寸小、環(huán)境嚴(yán)酷；氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜作為單機(jī)集電開關(guān)應(yīng)用非常適合；由于海上風(fēng)電單機(jī)裝機(jī)容量達(dá)10MW以上，如果一個(gè)海上風(fēng)場(chǎng)總裝機(jī)容量大于300MW，就要求采用2臺(tái)180MW的升壓變壓器，而40.5KV的額定電流就達(dá)到2828A，已經(jīng)接近40.5kV充氣開關(guān)柜C-GIS的額定電流最高值，因此采用更高一級(jí)電壓 72.5kV等級(jí)已成為必然，更經(jīng)濟(jì)、更安全，使用72.5kV環(huán)網(wǎng)開關(guān)設(shè)備用于集電開關(guān)，72.5kV GIS用于升壓站將是未來海上風(fēng)電的主流。
根據(jù)DNV.GL的估算，海上風(fēng)電系統(tǒng)從全生命周期考慮，與現(xiàn)有40.5kV方案比較，雖然72.5kV GIS開關(guān)和變電設(shè)備的成本有所增加，但72.5kV方案的總工程固定資產(chǎn)投資和造價(jià)（包括場(chǎng)內(nèi)集電電纜、海纜敷設(shè)、風(fēng)機(jī)及內(nèi)部輸變電設(shè)備、升壓平臺(tái)及設(shè)備和各設(shè)備的安裝等成本）預(yù)計(jì)能降低15%。這主要?dú)w功于72.5kV方案具有如下特性：
更靈活的風(fēng)機(jī)拓?fù)渎肪€設(shè)計(jì)，從而顯著減少海纜的用量及其敷設(shè)工作量；
更高的線路電壓，帶來更低的線路損耗，使得系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行產(chǎn)生的總線損明顯減少；
在大容量風(fēng)場(chǎng)，可以采用更少的海上平臺(tái)來滿足風(fēng)機(jī)電力的匯集和送出。
ABB 、GE、西門子等先后使用GIS平臺(tái)快速開發(fā)了風(fēng)電專用開關(guān)設(shè)備，如ABB的PASS M00-Wind采用了半封閉式結(jié)構(gòu)(HGIS) 開關(guān)設(shè)備應(yīng)用于66kV場(chǎng)內(nèi)電壓等級(jí)的海上風(fēng)電場(chǎng)，尺寸較大，而針對(duì)于風(fēng)塔內(nèi)應(yīng)用的72.5kV小電流、小型化環(huán)網(wǎng)柜用于電能采集的并沒有。
（2）開關(guān)設(shè)備安裝位置更接近電源
國(guó)際風(fēng)電廠家Vestas、GE、西門子歌美颯等紛紛將變壓器、開關(guān)設(shè)備組成的箱變置于自己大容量風(fēng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)，而很多風(fēng)機(jī)廠家還是選擇與陸上風(fēng)電類似的方法，將箱變置于檢修平臺(tái)上，在步入平價(jià)時(shí)代的中國(guó)風(fēng)電將箱變上置到風(fēng)機(jī)機(jī)艙，更接近于電源，在機(jī)艙內(nèi)部就地升壓輸電，有很大的經(jīng)濟(jì)效益。
通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，考慮箱變上置會(huì)增加機(jī)艙的重量及機(jī)艙、塔筒的防護(hù)等級(jí)提升這些成本，箱變上置機(jī)艙與普通方案在一次造價(jià)上相當(dāng)。安裝于機(jī)艙內(nèi)部的設(shè)備示意，見圖2。
圖 2 安裝于機(jī)艙內(nèi)部設(shè)備
箱變上置到機(jī)艙具有如下好處：
首先，行業(yè)主流發(fā)電機(jī)輸出電壓普遍是低壓690V左右，如果將箱變放置在塔筒檢修平臺(tái)，以4.5MW為例，從塔筒底部到箱變這一段距離，大約需要35根鎧裝電纜（每根3芯240mm+1芯120mm，大約每根35m），這一部分電纜大約需要幾十萬元的成本。而將箱變上置到機(jī)艙后，35KV從塔筒底部輸出，電流大幅度降低，僅用1根就滿足輸電要求，成本較低。
其次，箱變上置到機(jī)艙后，由于電壓升高，塔筒內(nèi)的電流大約僅有原來的1/50，塔筒電纜的線損大幅度減少。對(duì)于1臺(tái)4.5MW的風(fēng)機(jī)，線損大約減少70KW以上。也就是說，減少線損的最大值可達(dá)到風(fēng)機(jī)總功率的2%以上。
第三，箱變上置到機(jī)艙，可以減少檢修平臺(tái)的尺寸、建設(shè)，無需再做箱變基礎(chǔ)了，而箱變安裝時(shí)間很長(zhǎng)，節(jié)約了建設(shè)周期，變相了節(jié)約了建設(shè)成本。
最后，箱變上置到機(jī)艙后，在運(yùn)維階段無需擔(dān)心臺(tái)風(fēng)災(zāi)害等，減少運(yùn)維環(huán)節(jié)的人力與物力成本。
綜上所述，箱變上置到機(jī)艙總體經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于常規(guī)箱變?cè)O(shè)計(jì)方案，是風(fēng)電平價(jià)時(shí)代可供風(fēng)機(jī)廠家優(yōu)化風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)路線。如GE Haliade-X風(fēng)機(jī)，13兆瓦容量，248米高，107米長(zhǎng)的葉片，38,000平方米的掃風(fēng)面積，一臺(tái)Haliade-X 13 MW的年能源產(chǎn)量（AEP）將比該原型機(jī)的先前12 MW版本高出4％，旋轉(zhuǎn)一圈可以產(chǎn)生的電力足夠?yàn)橐凰课莨╇姵^兩天。GE Haliade-X 13MW中的72.5kV GIS變電站包括了：GE-Mistral-14 14MVA 66kV 小型電力變壓器和F35-72.5kVGIS，逆變器和變壓器安裝在風(fēng)機(jī)機(jī)頭艙內(nèi)部，開關(guān)設(shè)備安裝在塔筒內(nèi)部。F35 72.5kV GIS開關(guān)設(shè)備安裝在塔筒內(nèi)，變壓器保護(hù)斷路器布置在上層，集電系統(tǒng)的分段開關(guān)布置在下層。通用電氣風(fēng)電開關(guān)設(shè)備布置示意，見圖3。
圖3 通用電氣風(fēng)電開關(guān)設(shè)備布置
