據預測2030年，電力需求約達到11萬億千瓦時，在當前水平基礎上增長54%，年均增長約4%；而全球電力生產的碳排放約占全部排放的42%，在中國這一比例達到51%；清潔能源發(fā)電勢在必行。要實現2030年前碳達峰目標，中國仍須新增大約650GW光伏、600GW陸上風電、60GW海上風電、113GW水電和66GW核電裝機；風電和光伏裝機預測都將以每年50~60GW速度增長，其中海上風電是增速最快的領域。
4. 海上風電開關設備的發(fā)展方向
（1）向更高電壓發(fā)展
海上風電單機功率逐年提升，2018年單機2MW以上占45%，比2015年增長30%；2020年，歐洲新安裝的海上風機平均單機容量達到8.2MW，而2019年這一數字還僅為7.8MW，又增加了0.4MW。
海上風電單機容量大，尺寸小、環(huán)境嚴酷；氣體絕緣環(huán)網柜作為單機集電開關應用非常適合；由于海上風電單機裝機容量達10MW以上，如果一個海上風場總裝機容量大于300MW，就要求采用2臺180MW的升壓變壓器，而40.5KV的額定電流就達到2828A，已經接近40.5kV充氣開關柜C-GIS的額定電流最高值，因此采用更高一級電壓 72.5kV等級已成為必然，更經濟、更安全，使用72.5kV環(huán)網開關設備用于集電開關，72.5kV GIS用于升壓站將是未來海上風電的主流。
根據DNV.GL的估算，海上風電系統(tǒng)從全生命周期考慮，與現有40.5kV方案比較，雖然72.5kV GIS開關和變電設備的成本有所增加，但72.5kV方案的總工程固定資產投資和造價（包括場內集電電纜、海纜敷設、風機及內部輸變電設備、升壓平臺及設備和各設備的安裝等成本）預計能降低15%。這主要歸功于72.5kV方案具有如下特性：
更靈活的風機拓撲路線設計，從而顯著減少海纜的用量及其敷設工作量；
更高的線路電壓，帶來更低的線路損耗，使得系統(tǒng)長期運行產生的總線損明顯減少；
在大容量風場，可以采用更少的海上平臺來滿足風機電力的匯集和送出。
ABB 、GE、西門子等先后使用GIS平臺快速開發(fā)了風電專用開關設備，如ABB的PASS M00-Wind采用了半封閉式結構(HGIS) 開關設備應用于66kV場內電壓等級的海上風電場，尺寸較大，而針對于風塔內應用的72.5kV小電流、小型化環(huán)網柜用于電能采集的并沒有。
（2）開關設備安裝位置更接近電源
國際風電廠家Vestas、GE、西門子歌美颯等紛紛將變壓器、開關設備組成的箱變置于自己大容量風機機艙內，而很多風機廠家還是選擇與陸上風電類似的方法，將箱變置于檢修平臺上，在步入平價時代的中國風電將箱變上置到風機機艙，更接近于電源，在機艙內部就地升壓輸電，有很大的經濟效益。
通過對比發(fā)現，考慮箱變上置會增加機艙的重量及機艙、塔筒的防護等級提升這些成本，箱變上置機艙與普通方案在一次造價上相當。安裝于機艙內部的設備示意，見圖2。
圖 2 安裝于機艙內部設備
箱變上置到機艙具有如下好處：
首先，行業(yè)主流發(fā)電機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，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，箱變上置到機艙后，由于電壓升高，塔筒內的電流大約僅有原來的1/50，塔筒電纜的線損大幅度減少。對于1臺4.5MW的風機，線損大約減少70KW以上。也就是說，減少線損的最大值可達到風機總功率的2%以上。
第三，箱變上置到機艙，可以減少檢修平臺的尺寸、建設，無需再做箱變基礎了，而箱變安裝時間很長，節(jié)約了建設周期，變相了節(jié)約了建設成本。
最后，箱變上置到機艙后，在運維階段無需擔心臺風災害等，減少運維環(huán)節(jié)的人力與物力成本。
綜上所述，箱變上置到機艙總體經濟性優(yōu)于常規(guī)箱變設計方案，是風電平價時代可供風機廠家優(yōu)化風機設計的技術路線。如GE Haliade-X風機，13兆瓦容量，248米高，107米長的葉片，38,000平方米的掃風面積，一臺Haliade-X 13 MW的年能源產量（AEP）將比該原型機的先前12 MW版本高出4％，旋轉一圈可以產生的電力足夠為一所房屋供電超過兩天。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機機頭艙內部，開關設備安裝在塔筒內部。F35 72.5kV GIS開關設備安裝在塔筒內，變壓器保護斷路器布置在上層，集電系統(tǒng)的分段開關布置在下層。通用電氣風電開關設備布置示意，見圖3。
圖3 通用電氣風電開關設備布置
