海上风电场输电方式的经济性分析

杜海超

(东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012)

海上风电场与陆地风电场相比不占用土地资源，不受地形影响，风能资源更为丰富，风速更平稳，风电机组单机容量更大。但海上风电机组支撑结构要求苛刻，电能输送设备昂贵，且需要大量的电力电子设备，所以海上风电场的建设成本一般是陆地风电场的2～3倍［1］。目前世界上建成的实际工程有高压交流输电和高压直流输电，但装机容量较小，输送距离较短。因此，为了找到一种输电方式适用于大功率远距离海上风电场的连接［2］，本文对海上风电场的输电方式进行了经济性分析。

1 海上风电场的组网方式

海上风电场组网分为近海岸集电系统和传输连接到岸输电系统。近海岸集电系统是把风机产生的能量带到一个中央收集功率，然后与主电网链接，这些收集系统经常是线形或者形连接的［3－4］。目前，只有线形连接应用到近海岸风电场的项目，因此本文风电场的集电系统采用线性连接类型。

1.1 海上风电场的集电系统

海上风电场集电系统的任务是将各风力发电机发出的电能按照一定的规则汇集到变电站的汇流母线。目前采集系统大多数采用放射结构和星形结构［2－3］，如图 1、图 2所示。对于放射形结构，许多风力发电机作为功率注入，其电压等级必须足够高(几十千伏)，从而能够传输风电群的总功率。在星形连接中，每个涡轮机直接连接到一个变压器安装工作平台的结点上，这就需要工作平台的电压等级更高。虽然这种星形不需要变压器的操作，但它需要为变压器和开关设备设置多个收集平台。目前，只有矩形连接应用到近海岸风电场的项目。因此，本文假设采用该连接类型。

1.2 海上风电场的输电系统

从近海岸的集电系统传输到岸的可以是高压交流和以晶闸管为主的整流转换器的柔性直流。

对于不同容量和离岸距离的风电场应采用不同的输电方式。目前海上风电场的输电系统有高压交流输电(HVAC)、柔性直流输电(VSC－HVDC)等。

图1 风电场的放射结构Fig.1 Radiation structure of wind farm

图2 风电场的星形结构Fig.2 Wind farm star structure

1.2.1 技术方面

高压交流输电作为传统的输电方式其技术较为成熟，但海上风电场输电方式的特殊性对于海底电缆的绝缘性要求较高，并且由于电缆的电容较大，要根据输电容量与输电距离的情况来加装无功补偿装置，而且电缆的输送容量是随着输送距离的增加而减少的［5］，即

输电线路上的电压是有跌落的，风机出力为有功功率，由式(1)可得

按电压跌落不超过5%约束条件，可得如图3所示的不同电压等级下交流电缆输送能力随输送距离的变化曲线。

图3 不同电压等级下交流电缆的输送容量与距离关系Fig.3 Transmission capacity and distance relation of AC cable under different voltage level

海底交流电缆大多数为三芯的XLPE，VSCHVDC采用直流电缆输电，解决了充电电流较大的问题。但VSC－HVDC需要在海上加装大的直流平台来放置换流器，因此会占用很大的空间，这也是海上风电场投资较大的地方。

1.2.2 经济方面

由于交流电缆的载流量是随着风能输送距离的增加而减小的，这就导致了较大风能的输送必须采用多条电缆回路输送方式，但是交流电缆的成本较高，因此高压交流输电主要的经济投入在于交流电缆上。其他的经济投入还包括海上变压器的平台以及变压器与无功补偿装置。相对于HVAC，VSC－HVDC直流电缆较为便宜，但是VSC－HVDC需要在海上组装换流器并需要为其搭建大的直流平台，使得VSC－HVDC前期的经济投入较高，但随着输电距离的增加，使用VSC－HVDC更为经济。

为了评估现有的和将来的海上风电场的组网方式，本文对额定容量为100、500、1000 MW的海上风电场算例分别用高压交流输电和柔性直流输电两种输电方式进行经济性分析。100、500、1000 MW的海上风电场投入与距离关系如图4所示。

图4 3种不同容量的风电场投入与距离关系Fig.4 3 Relation between wind farm investment and distance under 3 kind different capacities

由图4可知:100 MW的风电场在输电距离为200 km时，高压交流输电和柔性直流输电的经济投入是一样的;当输送容量达到500 MW时，输送距离仅为75 km时两种输电方式经济投入相同;当容量到了1000 MW，输电距离超过50 km时柔性直流输电就更为经济了。由上述的结果可知，对于小容量近海岸的风电场，交流输电方式更为经济，但随着着输电距离与输送容量的增加，VSC－HVDC更为经济，因此对于未来大规模远距离海上风电场，采用柔性直流输电更为经济。

2 算例组网方式及经济性分析

本算例的集电系统有100台风机，每台风机的间隔1 km，额定容量为5 MW，风机呈线性分布。图5、图6分别为交流输电、柔性直流输电系统的结构图［5－7］。两种组网方式的经济投入如表1—3所示。由表1—表3可知，在该算例背景下，柔性直流输电系统的经济投入较小。

图5 交流输电系统结构图Fig.5 AC transmission system structure diagram

图6 柔性直流输电系统结构图Fig.6 Flexible DC transmission system structure diagram

表1 交流集电系统经济投入Tab.1 AC electrical collection system economy investment

表2 交流输电系统经济投入Tab.2 AC transmission system economy investment

表3 柔性直流输电系统经济投入Tab.3 Flexible DC transmission system economy investment

3 结语

VSC－HVDC无论是从技术角度还是经济角度应用于海上风电传输都是完全可行的。随着现有的海上风电柔型直流输电系统运行经验的积累，以及电力电子技术的发展，必将有更多的柔型高压直流输电系统应用于海上风电传输领域。

［1］ 王建东，李国杰.海上风电场内部电气系统布局经济性对比［J］.电力系统自动化，2009，33(11):99 －103.WANG Jiandong，LI Guojie.Economic comparison of different collector networks for offshore wind farms［J］.Automation of E-lectric Power System，2009，33(11):99－103.

［2］ 黄玲玲，符杨.海上风电场集电系统可靠性评估［J］电网技术，2010，34(7):169 －174.HUANG Lingling，FU Yang.Reliability evaluation of wind power collection system for offshore wind farm［J］.Power System Technology，2010，34(7):169 －174.

［3］ QUINONEZ－VARELA G，AULT G W.Electrical collector system options for large offshore wind farms［J］.Power Gener，2007，1(2).

［4］ BRESESTI P，KLING W L.HVDC connection of offshore wind farms to the transmission system［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2007，22(1).

［5］ 朱晓东，周克亮，程明，等.大规模近海风电场 VSC－HVDC并网拓扑及其控制［J］.电网技术，2009，33(18):17－24.ZHUO Xiaodong，ZHOU Keliang，CHENG Ming，et al.Topologies and control of VSC－HVDC system for grid－connection of large－scale offshore wind farms［J］.Power System Technology，2009，33(18):17 －24.

［6］ 黄玲玲，符杨，郭晓明.大型海上风电场电气接线方案优化研究［J］.电网技术，2008，32(8):77 －81.HUANG Lingling，FU Yang，GUO Xiaoming.Research on optimization of electrical connection scheme for a large offshore wind farm［J］.Power System Technology，2008，32(8):77 －81.

［7］ 孙立明，骆亮.上海柔性直流接入系统的电网运行方式探讨［J］.华东电力，2011，39(11):1838 －1841.SUN Liming，LUO Liang.Operation modes of Shanghai power grid with flexible HVDC integration system［J］.East China Electric Power，2011，39(11):1838 －1841.