海上风电场输电方式经济性的比较

胡荣，刘彬，黄玲玲

（上海电力学院电力与自动化工程学院，上海 200090）

由于海上风能资源比陆地上丰富，风速、发电量、风轮转速，以及风能利用效率都比陆地上高，因此近几年来，海上风电场技术发展迅猛［1］.大型风电场的容量可达几百兆瓦甚至几千兆瓦，由于规模较大，与陆地距离也较远，其对空间要求较大，对传输容量要求也较高，因此从经济成本和技术特点的角度看，如何选择风电场输电系统的输电方式十分重要［2］.

文献［2］在考虑风速模型的基础上模拟风电场输出功率曲线，根据输出功率曲线拟合了交直流输电系统各设备费用公式.文献［3］从原理上比较了交直流输电方式的优缺点.文献［4］从电压损耗和可靠性角度对不同容量风电场的交直流输电方式进行了比较.文献［5］从电能损耗、电气设备单位成本变化、电能成本计算对不同容量风电场不同电压等级的交直流输电系统进行了对比.分析已有研究发现：对输电方式的研究从原理、电压、电能损耗、可靠性角度考虑得较多，而从经济成本角度研究的结果较为粗略，数据较少.

本文在分析高压交流（HVAC）和高压直流（HVDC）输电系统的结构及特点的基础上，考虑交直流输电的不同电气接线方案，根据交直流输电方式、风电场离岸距离和电压等级的不同，给出了海上风电场输电系统的多种接线方式，并对各种方式进行实际成本计算，给出了不同输电方式和电压等级的适用范围.

1 HVAC输电系统

HVAC输电系统可靠性高、连接简单，是一种较成熟的技术.该系统主要由交联聚乙烯（XLPE）海底电缆、海上升压站，以及无功补偿设备3部分组成.典型的HVAC输电系统［6］见图1.

图1 典型高压交流输电系统

1.1 XLPE海底电缆

交联聚乙烯海底电缆具有良好的导热性，不受落差限制，不需补充电缆油，维护方便，且载流能力和承受短路电流能力较强，应用广泛.

1.2 海上变电站和无功补偿设备

海上风电场的线路从集电系统出来后汇集到海上变电站，再通过升压变压器将电能输送到岸上的变电站.为了降低线路损耗并提高输送能力，风电场通常会配置海上升压站，其变电站的容量配置要与风电场的容量相匹配.交流输电系统的无功补偿装置（如SVC装置）可安装在电缆两侧或一侧［6］.

通常电缆线路的分布电容要远大于架空线路，在交流输电系统中会产生很大的电容电流，从而明显降低电缆输送有功功率的能力，因此交流系统适合小容量、短距离的电力传输.

2 HVDC输电系统

随着现代HVDC技术和电力电子技术的发展，根据运行原理可将换流器分为两大类：一是需要交流系统提供换相电压，即传统的PCC换流器;二是不需要交流系统支持换相的自换相换流器，它克服了传统换流器的许多缺点，具备其自身的优势.按照直流电路的设计，自换相换流器可进一步分为电流源型换流器（Current Source Converter，CSC）和电压源型换流器（Voltage Source Converter，VSC）［7］.

海上直流输电系统主要由直流电缆、换流站及其辅助设备构成，如图2所示.

图2 传统高压直流输电系统

2.1 直流电缆

直流电缆目前有充油电缆、不滴流电缆，以及交联聚乙烯电缆等.在VSC系统中使用的是聚合物挤包绝缘电缆，这是一种挤压式单极电缆，具有体积小、强度高、重量轻、传输容量大、绝缘水平优越、环保易铺设等特点，解决了传统电缆由于绝缘体中空间电荷导致的局部高电场引起绝缘击穿，以及温度敏感引起的压力分配不均匀导致绝缘体外部过应力等问题，使电缆在恶劣的海底条件和深水条件下都可以敷设［8］.

2.2 换流站

换流站包括换流器、换流变压器、换流电抗器、谐波滤波器，以及直流电容.

这些设备的功能如下：换流变压器为换流器提供适当大小和相位的换相电压，在直流系统发生短路故障时，其阻抗还起限制短路电流、避免换流器损坏的作用;交流滤波器用来吸收换流变压器所产生的谐波，减少谐波对交流系统的影响，同时向换流站提供无功功率，而直流滤波器用于吸收直流侧的谐波;平波电抗器能够平抑直流线路中的谐波电流，减少逆变器的换相失败，防止轻载时的电流不连续，在直流线路短路时限制换流器的峰值电流;电容器组件是和电压器并联的一系列电容器组，用于提供换流阀工作时所需要的无功功率［9］.

在VSC系统中，VSC由IGBT阀桥、换流控制器、换流电抗器、直流电容和交流滤波器组成.其主要设备大为减少，并实现了模块化设计，被称为轻型直流输电.与PCC输电相比，VSC在技术上有了很大改进，其经济成本也有较大程度的降低.

3 输电系统电气接线方案

本文根据交、直流输电方式，风电场离岸距离及电压等级的不同，给出了海上风电场输电系统的多种接线方案，并对各种方案进行了成本计算.为了能够对方案的经济性进行可靠评估，本文的价格是在查阅大量文献及资料，并考虑了金属价格的涨落的基础上给出的，但未考虑各电气设备运行及维护的费用.

3.1 成本计算模型及基础数据

3.1.1 交流输电系统投资成本

本文在交流电缆成本的计算中，电缆的单位购买费用是根据不同型号的电缆来计算的，电缆的单位安装费用为275 M/km［10］.在变电站成本的计算中，由于海上风电场风速变化的波动性，风电场在实际出力中为40%左右，其输出功率达不到100%，故变电站容量是按风电场的全部装机容量来考虑的，单位价格为130 k/MW，价格包括了变电站安装、设计和土建费用.考虑到电压等级和输送距离的因素，无功补偿容量大小是按照表1来选取的［2］.

表1 不同电压等级交流电缆所需无功补偿容量

3.1.2 直流输电系统投资成本

本文在直流电缆成本的计算中，海底电缆的单位安装费用为250 k/km.换流站的容量与交流变电站的容量相同，是按风电场的全部装机容量来考虑的，由于有关±150 kV和±300 kV换流站单位价格的信息很少，考虑到滤波器、电抗器，以及IGBT模块的因素，假定±300 kV换流站价格比±150 kV高10%，故±150 kV和±300 kV换流站单位价格分别为250 k/MW和300 k/ MW.

3.2 影响输电系统接线方案成本的因素

3.2.1 距离及交直流不同输电方式的对比

假设风电场与岸上距离为20 km，交流输电和直流输电系统通过150 kV电缆向岸上输送电能，其系统示意如图3和图4所示.

图3 200 MW风电场150 kV交流输电系统

图4 200 MW风电场150 kV直流输电系统

当风电场距岸上为20 km时，参照表1，无功补偿装置容量为20 MW.海上变电站容量为200 MW，选用3芯截面为800 mm2的电缆，电缆载流量为916 A，单位价格0.582 M/km.对于直流输电系统，换流站容量为200 MW，选用双极直流输电，电缆截面面积为400 mm2，载流量为808 A，单位价格0.143 M/km.其投资成本见表2.交直流输电方式随距离变化的成本对比结果见图5.

表2 200 MW风电场150 kV交直流输电投资成本M

表2 200 MW风电场150 kV交直流输电投资成本M

输电方式电缆成本购买安装变电站无功补偿器总投资AC 11.64 5.5 26 0.7 43.84 DC 5.72 5.0 50 60.72

图5 交直流输电方式随距离变化的成本对比

3.2.2 交流输电系统不同电压等级因素

假设风电场与岸上的距离为20 km，分析了交流输电系统采用不同输电电压（150 kV和220 kV）对成本的影响.

当风电场与岸上距离为20 km时，150 kV交流输电系统海上变电站容量为200 MW，无功补偿容量为20 MW，选用3芯截面为800 mm2的电缆，电缆载流量为916 A，单位价格0.582 M/ km;220 kV交流输电系统变电站容量为200 MW，无功补偿容量为70 MW，选用3芯截面为400 mm2的电缆，电缆载流量为675 A，单位价格0.569 M/km.其投资成本见表3.

表3 200 MW风电场不同电压交流输电成本比较

3.2.3 直流不同电压等级因素

考虑到不同距离下，直流输电系统采用不同输电电压（±150kV和±300kV）对成本的影响，其接线方式见图4，±150 kV和±300 kV直流输电系统成本对比见图6.

当风电场与岸上距离为50 km时，±150 kV直流输电系统换流站为400 MW，选用双极直流输电，选用截面为1 000 mm2的电缆，电缆载流量为1 410 A，单位价格0.221 M/km;±300 kV直流输电系统换流站为400 MW，其单位价格考虑选用双极直流输电，选用截面为300 mm2的电缆，电缆载流量为699 A，单位价格0.175 M/ km.其投资成本见表4.

表4 400 MW风电场不同电压直流输电成本比较

图6 ±150 kV和±300 kV直流输电系统成本对比

4 经济性分析

由以上分析可知，对于交流输电系统来说，电缆费用占到了总成本的40%左右，所以若要降低交流系统的成本，应当从减少电缆费用着手，如采用新型电缆材料、减少有色金属的使用;对于直流输电系统来说，换流站费用占到了总成本的80%左右，所以要想降低直流系统的成本，应当从降低换流站费用入手，如采用轻型高压直流输电，将换流站设备模块化、集成化处理.离岸距离、交直流输电方式和电压等级的选取对输电系统的影响具体分析如下.

（1）60 km内的风电场其高压直流输电方式成本比高压交流输电方式高，且风电场规模越大，差价也越高.因此对于近海风电场，更适合采用交流输电方式，对于深海风电场，更适合采用直流输电方式.

（2）高压交流输电系统采用220 kV比150 kV经济成本略高，高压交流输电系统适用于小容量近距离传输.这主要是因为高压直流换流站设备多，体积大，安装及敷设费用较高.对不同电压等级的交流输电来说，高电压等级的绝缘成本、保护费用，以及控制设备复杂程度、无功功率的补偿要求略高.

（3）高压直流输电系统适用于大容量远距离传输，在距岸上100 km内，选用±150 kV比± 300 kV输电更经济.这是因为对不同电压，其换流站里保护设备、控制设备的复杂程度、设备绝缘程度不一样.±300 kV比±150 kV的费用高出10%左右.

5 结语

本文根据交直流输电方式，风电场离岸距离和电压等级的不同，给出海上风电场输电系统的多种接线方式，并对各种方式进行成本计算和经济性分析.通过分析可知，交流输电方式更适合短距离小容量，当风电场容量较大、离岸距离较远时，采用高压直流输电方式更经济.无论是交流还是直流输电，对同一输电方式采用高一等级的电压，会对设备的绝缘、容量及控制提出更高要求，故费用也相对更高，但随着输电距离的增加，由于高一等级电压的电缆可以输送更多容量的电流，单位输电成本也会相对降低.

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［10］SCHOENMAKERS Dirk.Optimization of the coupled grid connection of offshore wind farms［D］.Eindhoven，Holland： Technical University of Eindhoven，2008.

（编辑苏娟）