超导直流电缆在海上风电的应用分析

超导直流电缆在海上风电的应用分析

张旭明

东部超导科技（苏州）有限公司  江苏省苏州市，215000。

摘要

随着世界乃至我国的风电产业不断扩容，电能的高质量、高效率传输是一个日渐凸显的课题。本文通过对传统电缆的交流、直流线路进行量化的对比，阐述直流线路在大容量、长距离电能传输的优势，通过对交联聚乙烯（XLPE）高压直流电缆（HVDC）当前遇到的技术瓶颈的描述，引出超导直流电缆在海上风电传输的可行性分析，得出超导直流电缆在海上风电传输中未来发展的一个方向，同时也可以为未来海上风电传输提供新的解决方案。

关键词：海上风电；高压交流；高压直流；超导直流

1. 海上风力输变电系统

海上风力发电风速高、风力大、资源丰富，规模相较于陆地更大更集中，风机单体容量也比陆地更大，且属于清洁能源，现已是风力发电投资建设的重要方向[1]。我国陆上风电、光伏发电装机规模位居世界第一，海上风电位居世界第二，预计到2030年，风、光发电量占比超过25%。

近海风电场的风电机组一般采用交流电缆的汇集到陆上变电站升高电压后接入电网，无需设置海上变电站；大型的远距离海上风电场，需提高电压等级，且输电线路的绝缘水平也要相应的提升，通过在海上设置升压变电站，将风电机组的功率汇集起来升高电压，再经过超高压海缆输送到陆上控制中心。一般在升压前的海缆电压等级为35kV，电缆载流量在200-600A之间[2]。

2. 线路对比分析
   1. 电缆载流量

由电容定义公式C=ε*A/δ，式中A为极板面积，δ为间距。在电缆中可以类似比作导体截面和绝缘厚度，C的计算公式为C=Q/U，Q为负荷，U为电缆单相对地电压；电缆绝缘电阻定义公式Rv=ρv·δ/A，ρv为体积电阻系数，即电缆的绝缘电阻与绝缘厚度成正比。

上式为IEC电缆载流量的计算公式，为为一根导体中流过的电流；为高于环温的导体温升；R为最高工作温度下导体单位长度的交流电阻；为导体绝缘单位长度的介质损耗；为电缆的芯数；为一根导体和金属套之间每根线芯的热阻；为内衬层与填料热阻；、 分别为外护套、电缆表面和周围介质间单位长度热阻；、分别为电缆金属套及电缆铠装损耗相对于该电缆所有导体总损耗的比率。IEC的计算方法是在电缆满载的情况下得到的，结合电力系统、电缆的相关公式和参数设计，直流电缆在一定电压等级以后，载流量提升更加明显。

2.2.海缆

采用交流输电网的特点主要是电力传输系统结构相对简单，技术比较成熟，但长距离交流电缆存在较大交流损耗的问题，一般认为在海上距离超过70km时候，交流电缆的技术经济性开始降低。

交流方便电压等级的转换和能量交换，直流没法通过调节频率或者周期进行能量转换。虽然直流输电线路两端换流站建造费用较高，但输电距离较长，直流电缆运行成本比交流电缆低，因此有必要采用直流输电技术连接海上风电场和陆上电网。与交流输电不同，直流输电不存在无功过剩与频率稳定问题，同时还具有控制灵活、单位长度输电传输电功率大、线损小的优点。

3. 超导直流电缆
   1. 超导电缆优势分析

超导电缆系统主要包括通电导体、低温杜瓦管、终端系统、制冷系统、在线监控系统以及电缆外护套。超导电缆终端是连接超导电缆本体和外部装置，保证超导电缆导体与外部电网间的电气连接，实现通电导体从低温（超导电缆所用低温介质的温度）至室温的过渡[3]。

从设计原理上说，超导电缆的设计可以避免过多的仿真分析，即只需要聚焦在电磁仿真上，弱化了传统电缆的温度场的分析，这是因为超导电缆运行于低温环境下，温度相对稳定，载流量不会随着季节、敷设排列方式、气候环境的变化而变化；从结构上来说，一般高温超导电缆的绝缘层采用纸类材料，绝缘性能相对于交联聚乙烯更优，可以降低绝缘层的厚度，使得电缆在除导体以外的结构层上体积更小、重量更轻[4，5]。

超导体的电流密度是铜的几十倍，能够满足海上风电的超高容量需求，在采用直流传输的情况下，可以节省变电站的投入，将传统的高压输电改变为低压传输，简化电力系统结构，节省供电走廊[6，7]。

表1 不同电缆电能传输对比分析表

注：1代表最大优势，以此类推;HVAC指高压交流，HVDC指高压直流，HTS-AC指超导交流，HTS-DC指超导直流

从表1的对比可以知道，长距离电缆的输电优势中，超导直流电缆在多方位上都是最具有优势的。

3.2.超导直流电缆的应用

从目前的经济性分析来看，超导直流电缆应用段为高压输电段，或者是风电机组在升压站之前的汇总段。

超导直流电缆的应用，可以省去传统直流高压电缆空间电荷的理论研究，切换直流传输电能的研究方向，为电能传输提供更多优质可能性。由于超导直流电缆的低压、大电流特性，一并可以解决远海端风力发电机组的大容量电能传输问题，不必采取海上两次升压方式，节省升压站建设投入，电能传输质量较高，更加安全可靠。

4. 结束语

本文通过对海上风力发电系统的分析，阐述了超导电缆在海上风力发电应用的可能性，并初步提出了具有可行性的方案，超导电缆的电气性能是毋庸置疑的，超导特性用于电力传输的优势更是长远的，应用超导技术在海上风力发电的电力传输上，将掀起输电革命。

参考文献：

[1]张建民,谢书鸿. 海底光电复合缆在海上风电场中的应用[C]. //中国电工技术学会电线电缆专业委员会2010学术年会论文集. 2010:74-81.

[2]林盛,罗天怡. 海上风力发电及相关技术[J]. 水电与新能源,2020,34(1):36-37.

[3]李全,信赢. 海底超导电缆交流损耗的抗损伤特性研究[J]. 南方电网技术,2015(12):39-43.

[4]雷俊玲. 高温超导直流电缆的结构及应用前景[J]. 现代传输,2021(6):43-45.

[5]金辉,杨天慧,杨超,等. 超导电缆在风电并网领域应用的可行性研究[J]. 太阳能学报,2021,42(10):265-274.

[6]MARK MARSELLI. Chubu University part of effort to develop DC superconductor cable technology[J]. Wire Journal International,2021,54(8):26-27.

[7]Nexans commissions Chicago superconducting cable[J]. CRU Wire and Cable News Monthly Report,2021(Sep.):71-72.