海缆是敷设在海底的电缆,主要用于将海风发电装置产生的电输送到陆上。根据思瀚分析,海上风电海缆可分为阵列海缆和送出海缆。
阵列海缆主要用于汇集风力发电机发出的电能,传输到海上升压站,主流的电压等级为35kV,正在向 66kV 发展;
送出海缆负责将经过升压后的电能输送至陆地集控中心,主流的电压等级为 220kV,正在向 330kV 和 500kV 发展。
国内外海缆参与者少。海外市场主要由欧洲的普睿司曼(Prysmian)、耐克森(Nexans)、安凯特(NKT)、日本住友电工等少数几家电缆企业主导。国内东方电缆、中天科技、亨通光电处于行业第一梯队,占据市场主要份额。
海上风电的主流输送方式包括高压交流输电、高压直流输电和柔性直流输电。其中,高压交流输电是海上风电场并网的常规方式,结构简单、造价低,技术成熟。柔性直流输电是基于电压源换流器(VSC)技术和全控型功率器件的一种新型直流输电技术,全球已有多个项目应用该技术。
海缆按照工艺主要分为单芯海缆和三芯海缆。根据《35kV 电缆设计中三芯与单芯电缆的选择与比较》 韩立奎等 2011,单芯海缆便于敷设,但敷设长度为三芯电缆的 3 倍,总体施工时间较长。三芯海缆因三相包覆在一起,可有效减少占地面积,但不便于敷设。
高压电力电缆因相间绝缘问题,一般采用单芯形式。中压电缆因电压较低,相间绝缘问题可以解决,一般采相较于陆缆,海缆主要应用于水下,除需要满足基本的电气性能外,对阻水性能、机械性能也具有更高的要求;此外海缆还需具有防腐蚀、防海洋生物的能力,保证使用寿命满足工程需求。
海缆发展趋势:电压等级提升、柔直渗透率提升。
趋势一:电压等级提升
风机大型化趋势下,阵列海缆由 35kV 向 66kV 发展。海上风电机组大型化趋势下,35kV 交流集电方案可连接的风电机组台数逐渐减少,故 35 kV集电系统的海缆长度增加,电缆投资和相应工程费用增加。66 kV 集电系统应用于同等规模的海上风电场,电缆数目减少,可降低电缆投资和相应工程费用,同时 66kV 集电方案的系统损耗更低。
以 6 MW、8 MW 和 10 MW 风电机组组成的海上风电场,相同单机容量下,66kV 集电方案的投资成本、年运维成本、度电成本均低于 35kV 集电方案。从经济性和技术性两个角度来看,66kV 的集电方案更具备应用前景。
海上风电场规模扩容,送出海缆的电压等级由 220kV 向 330kV、500kV方向提升。国内已并网的海上风电项目主要采用 220kV 交流送出海缆,通常为单回三芯结构,输电能力在 180-350MW。风场规模扩容提升对海缆输电能力的要求,220kV 更大截面的海缆和 500kV 海缆的输电能力可达到400MW 及以上,但需采用单芯结构,单回需敷设 3-4 根。根据东方电缆公告,其三芯 500kV 超高压海缆已实现应用,可减少海缆敷设数量和海底走廊资源的占用面积。
趋势二:柔性直流技术
柔性直流输电方案更适用于远距离输电场景。交流输电方式技术成熟度高、近海输送成本较低,但长距离输送电缆的电容效应明显、无功电压补偿控制难度大。相比之下,柔性直流技术具备长距离输送容量更大、输电线路数量少、海域资源占用较少等特点。柔性直流输电方式多适用于海上风电大规模、远距离输送。
对比两种方案的经济性:交流输电的投资成本包括海缆成本、升压站、无功补偿投资等。直流输电的投资成本包括海缆成本和换流站投资,换流站的初始一次性投资较高,但直流电缆的投资较低,更适合于大容量远海岸的风电送出。
根据《海上风电场输电方式研究》的测算,容量 400MW 及以上的海上风电集外送,交直流输电方案对应的造价曲线交叉点对应的输送距离为 60-70 km 左右。输电距离在 70km 以内时,建议采用交流输电方案;输电距离超过 70 km,应结合实际情况论证采用柔性直流输电方案。
从国外已并网和在建海上风电的经验来看,输电距离在 70 km 以内全部采用交流输电方式,100km 以上的远距离输电采用柔直输电方式,输电距离在 70-100 km 时综合考虑经济性和可靠性指标进行交直流方案比选分析。
国内已有多个海上风电项目运用柔性直流输电技术。三峡如东 800MW(H6、H10)海上风电项目是国内和亚洲首个采用柔性直流输电技术送出的海上风电项目;阳江青洲五、七海上风电项目(共 2GW)将采用±500kV柔性直流输电技术共同送出;阳江三山岛海上风电一至四项目(共 2GW)将配套±500kV 柔直输电工程统一送出;长乐外海 I 区(南、北),长乐外海 D、E 区,长乐外海 J 区,长乐外海 K 区(共 2.1GW)海风项目拟采用±500kV 柔性直流技术统一集中送出。
海缆单位价值量呈提升趋势。
1)根据中天海缆招股说明书,500kV 交流海缆、柔性直流海缆单价分别为 750.89/508.51 万元/km,高于 35/220kV 交流海缆的单价。
2)随着离岸距离的增加,海缆系统的单位价值量显著提升,以龙源射阳 100 万千瓦海风项目为例,其离岸距离 65km,35+220kV 的海缆系统单位价值量达 22.66 亿元/GW。