海上风电典型送出方案技术经济比较研究

李飞飞，王亮，齐立忠，张磊，刘勇

（1. 河北省电力勘测设计研究院，河北 石家庄 050031；2. 国网北京经济技术研究院，北京 102209）

我国海上风能资源丰富，可开发风能资源约7.5亿kW，是陆上风能资源的3倍[1]，且主要分布在经济发达、电网结构较强、缺乏常规能源的沿海地区。与陆上风电场相比，海上风电场的优点[2]主要是不占用土地资源，基本不受地形地貌影响，风速更高，风电机组单机容量更大（2.5 MW以上），年利用小时数更高。

随着我国海上风电规划建设的实施，未来将迎来海上风电的迅速发展时期。为引导风电场科学有序地建设，保证电网的安全稳定运行，实现可再生能源与电网的协调、可持续发展，亟需在风电场前期输电规划和电网接纳风电能力研究的基础上，开展海上风电场送出工程典型设计方案的相关研究。

本文结合国内海上风电工程实例，在给出典型海上风电并网方案基础上，对海上风电场交流、直流送出方案技术经济比较进行分析研究，为我国海上风电并网提供参考建议。

1 海上风电送出方案分析

目前我国已规划和建设多座海上风电场，包括河北乐亭海上风电场、江苏海上风电场、大连海上风电场等。

1）河北乐亭海上风电场。河北省海上风电场百万千瓦级示范工程，位于唐山市乐亭县，规划面积530 km2，风电场规划装机容量200万kW。该风电场初期工程装机规模为120万kW，分为5个部分，其中2座30万kW风电场，3座20万kW风电场。每座风电场均建设独立的220 kV交流升压站，各升压站直出1回线路直接接入电网或与邻近的风电场联合送出。

2）江苏海上风电场。江苏省近海海域风能资源丰富，初步估算全省近海风电场可开发的海域面积为4 500 km2，技术可开发量约1 800万kW。该省近期开展前期工作的单个海上风电场规模在100～400 MW之间，离岸距离20～40 km。其风电场接入按照其容量大小划分级别，采用分散并网的方式接入电网。100 MW及以下风电场以单线就近接入110 kV电网，100～400 MW 风电场以单线接入220 kV电网。

3）大连海上风电场。大连市海上风电规划总装机容量190万kW，包括花园口2个场区40万kW和庄河6个场区150万kW。其中，2015年重点开工建设庄河场址Ⅱ和Ⅲ场区共计60万kW，2020年将累计建成190万kW海上风电。据了解，大连海上风电场拟采用直流送出，直流电压等级为±200 kV或±320 kV。

2 海上风电工程典型送出方案

结合我国已有及规划的海上风电场送出方案，提出以下两个海上风电送出方案：交流送出方案、直流送出方案。

海上风电场交流送出方案将海上风机通过汇集线路汇集至海上平台上的升压站，经升压站升压后通过交流海底电缆送至陆上的集控中心。采用220 kV交流送出的海上风电接入方案示意如图1所示。

图1 海上风电交流送出方案示意图Fig. 1 AC transmission scheme of the offshore wind farm

海上风电直流送出方案，可根据送出容量采用±200 kV或±320 kV直流送出。该方案适用于开发规模较大，且距陆地远的海上风电场。该类风电场的接入方案示意如图2所示。

其中，河北乐亭海上风电场、江苏海上风电场距离海岸较近，送出方案采用方案1的交流送出方案。大连海上风电场采用方案2的直流送出方案。

3 海上风电交直流送出技术经济比较

3.1 海上风电交直流送出方案技术比较

目前，海上风电并网点和方式选择主要考虑输送容量、输送距离、经济性、可靠性、环境友好性等因素。世界范围内海上风电并网方式[3-7]主要分为高压交流（HVAC）、传统高压直流（PCC-HVDC）和柔性高压直流（VSC-HVDC）三大类。

图2 海上风电直流送出方案示意图Fig. 2 DC transmission scheme of the offshore wind farm

这3类并网方式概况[8-10]如下：

1）HVAC通常用于海上风电场规模较小且风场距离海岸较近的情况，一般需要加装SVG后接入陆上电网，目前世界范围内已有多个工程应用。

2）PCC-HVDC可以连接规模更大、离岸更远的海上风电场，由于两端换流站和直流电缆的输送结构，可以适应风电场大范围频率波动，不受传输距离的限制，且传输损耗较低，但需要配置大量无功补偿、谐波治理和辅助控制设备；同时，为改善整流变的换相条件和提高送端交流系统的电压稳定性，大都需在海上平台配置旋转设备以提高短路比。总地来说，此种并网方式由于较为复杂，目前还未有建成的并网工程。

3）VSC-HVDC在继承了PCC-HVDC优点的基础上，解决了PCC-HVDC吸收大量无功功率和换向失败等问题[3，11-12]，非常适用于风电场接人交流主网，目前德国、丹麦、挪威等国的最新海上风电并网均采用这项技术，有成为离岸距离较远的海上风电主流并网技术的趋势。

海上风电送出HVAC与HVDC的技术性比较见表1。

3.2 海上风电交直流送出方案投资比较

本节针对不同规模（200 MW、300 MW、400 MW、600 MW、1 000 MW）的海上风电场220 kV交流和柔性直流送出投资进行分析比较，并得出不同规模交流、直流方案的等价距离[13-15]。由于PCC-HVDC在现阶段可行性较差，因此只对220 kV交流与VSC-HVDC直流方案进行投资比较。

表1 HVAC与HVDC的技术性比较Tab. 1 Comparison of the technology between HVAC and HVDC

海上风电的220 kV交流方案、VSC-HVDC直流方案的投资主要包括海上变电站、海底电缆、陆上部分3个方面。总投资为：

式中，IOS为海上变电站投资；ISC为海底电缆投资；IL为陆上部分投资。

3.2.1 220 kV交流送出方案投资分析

海上风电场规模取200 MW、300 MW、400 MW，分别按海上变电站侧低压侧配置无功、高低压侧均配置无功两种情况计算投资，不同海上风电投资详见表2。

表2 海上变电站投资IOSTab. 2 Investment of offshore substation IOS 万元

海底电缆截面分别按200 MW采用630 mm2、300 MW采用1 000 mm2、400 MW采用1 600 mm2电缆计算，单位投资考虑敷设费用，详见表3。

表3 海底电缆综合造价ISCTab. 3 Comprehensive cost of submarine cable ISC万元/km·mm2

交流送出方案陆上部分一般配置无功补偿和相应的保护控制设施，投资详见表4。

对于同等规模的海上风电场来说，其变电部分投资基本一致，不同的是电缆投资不同，以下分别按离岸距离20 km、40 km、50 km、60 km、80 km计算典型方案投资，计算结果见表5。

表4 陆上部分投资ILTab. 4 Investment on land IL 万元

表5 典型交流送出方案投资Tab. 5 Investment of the typical AC transmission scheme万元

3.2.2 VSC-HVDC直流送出方案投资分析

采用直流送出方案的海上风电场规模取200 MW、300 MW、400 MW、600 MW、1 000 MW，各规模投资详见表6。

表6 海上变电站投资IOSTab. 6 Investment of offshore substation IOS 万元

与交流方案不同的是，直流方案需2根海底电缆，这样总的来说，单位长度的直流电缆低于交流电缆，各规模海底电缆单位投资详见表7。

表7 海底电缆综合造价ISCTab. 7 Comprehensive cost of submarine cable ISC万元/km·mm2

直流送出方案陆上部分需配置逆变装置，该部分投资远大于交流方案陆上部分，直流送出方案陆上部分投资详见表8。

表8 陆上部分投资ILTab. 8 Investment on land IL 万元

对于同等规模的海上风电场来说，其变电部分投资基本一致，不同的是电缆投资不同，以下分别按离岸距离50 km、80 km、100 km、120 km计算典型方案投资。

表9 典型直流送出方案投资Tab. 9 Investment of the typical AC transmission scheme万元

3.3 220 kV交流与柔性直流送出等价距离

直流输电线路的造价和运行费用比交流输电低，而换流站的造价和运行费用均比交流变电站的高。因此，对同样的输送容量，输送距离越远，直流比交流的经济性就越好。另外，随着输送距离的增加，交流输电的容量将受到充电功率的限制，往往需采取各种技术措施，从而又增加了交流输电的投资。总的来说，当离岸距离较近时，交流方案投资较优；当离岸距离较远时，直流方案较优。

当直流输电线路和换流站的造价与交流输电线路和变电站的造价相等时的输电距离为等价距离，也就是说，对于一定的输送功率，当输电距离大于等价距离时，采用直流输电比较经济。图3列出了交直流输电建设费用与输电距离的关系示意图。

探究220 kV交流和柔性直流等价距离，对选择送出方案影响较大。对不同规模的海上风电场来说，其等价距离也是不同的。表10列出了各规模的海上风电场220 kV交流和柔性直流的等价距离。

图3 交直流输电建设费用与输电距离关系图Fig. 3 Relationship between AC/DC transmission cost and transmission distance

表10 220 kV交流、柔性直流送出等价距离Tab. 10 Transmission equivalent distance of 220 kV AC/VSC-HVDC km

由表10和图3可得出如下结论：

1）220 kV交流和柔性直流的等价距离随着海上风电场规模的增大而减小，即风电场规模越大，其等价距离越小。

2）对于开发规模为400 MW以下海上风电场，当离岸距离在100 km以下时采用交流方案较优。

3）对于开发规模超过600 MW的海上风电场，当离岸距离50～80 km时，直流方案可能较优，建议结合实际工程进行优选比较。

4 结论

我国海上风能资源丰富，随着我国海上风电规划建设的实施，未来将迎来海上风电的迅速发展时期。本文结合我国建设及规划的海上风电场送出方案，提出海上风电场典型交流及柔性直流送出方案，并对交流、柔性直流方案的技术经济性进行比较，并且得出交流与柔性直流送出方案的等价距离，为我国海上风电的发展以及建设实施提供参考和建议。

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