胡榮，劉彬，黃玲玲

（上海電力學(xué)院電力與自動化工程學(xué)院，上海 200090）

由于海上風(fēng)能資源比陸地上豐富，風(fēng)速、發(fā)電量、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，以及風(fēng)能利用效率都比陸地上高，因此近幾年來，海上風(fēng)電場技術(shù)發(fā)展迅猛［1］.大型風(fēng)電場的容量可達幾百兆瓦甚至幾千兆瓦，由于規(guī)模較大，與陸地距離也較遠，其對空間要求較大，對傳輸容量要求也較高，因此從經(jīng)濟成本和技術(shù)特點的角度看，如何選擇風(fēng)電場輸電系統(tǒng)的輸電方式十分重要［2］.

文獻［2］在考慮風(fēng)速模型的基礎(chǔ)上模擬風(fēng)電場輸出功率曲線，根據(jù)輸出功率曲線擬合了交直流輸電系統(tǒng)各設(shè)備費用公式.文獻［3］從原理上比較了交直流輸電方式的優(yōu)缺點.文獻［4］從電壓損耗和可靠性角度對不同容量風(fēng)電場的交直流輸電方式進行了比較.文獻［5］從電能損耗、電氣設(shè)備單位成本變化、電能成本計算對不同容量風(fēng)電場不同電壓等級的交直流輸電系統(tǒng)進行了對比.分析已有研究發(fā)現(xiàn)：對輸電方式的研究從原理、電壓、電能損耗、可靠性角度考慮得較多，而從經(jīng)濟成本角度研究的結(jié)果較為粗略，數(shù)據(jù)較少.

本文在分析高壓交流（HVAC）和高壓直流（HVDC）輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點的基礎(chǔ)上，考慮交直流輸電的不同電氣接線方案，根據(jù)交直流輸電方式、風(fēng)電場離岸距離和電壓等級的不同，給出了海上風(fēng)電場輸電系統(tǒng)的多種接線方式，并對各種方式進行實際成本計算，給出了不同輸電方式和電壓等級的適用范圍.

1 HVAC輸電系統(tǒng)

HVAC輸電系統(tǒng)可靠性高、連接簡單，是一種較成熟的技術(shù).該系統(tǒng)主要由交聯(lián)聚乙烯（XLPE）海底電纜、海上升壓站，以及無功補償設(shè)備3部分組成.典型的HVAC輸電系統(tǒng)［6］見圖1.

圖1 典型高壓交流輸電系統(tǒng)

1.1 XLPE海底電纜

交聯(lián)聚乙烯海底電纜具有良好的導(dǎo)熱性，不受落差限制，不需補充電纜油，維護方便，且載流能力和承受短路電流能力較強，應(yīng)用廣泛.

1.2 海上變電站和無功補償設(shè)備

海上風(fēng)電場的線路從集電系統(tǒng)出來后匯集到海上變電站，再通過升壓變壓器將電能輸送到岸上的變電站.為了降低線路損耗并提高輸送能力，風(fēng)電場通常會配置海上升壓站，其變電站的容量配置要與風(fēng)電場的容量相匹配.交流輸電系統(tǒng)的無功補償裝置（如SVC裝置）可安裝在電纜兩側(cè)或一側(cè)［6］.

通常電纜線路的分布電容要遠大于架空線路，在交流輸電系統(tǒng)中會產(chǎn)生很大的電容電流，從而明顯降低電纜輸送有功功率的能力，因此交流系統(tǒng)適合小容量、短距離的電力傳輸.

2 HVDC輸電系統(tǒng)

隨著現(xiàn)代HVDC技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)運行原理可將換流器分為兩大類：一是需要交流系統(tǒng)提供換相電壓，即傳統(tǒng)的PCC換流器;二是不需要交流系統(tǒng)支持換相的自換相換流器，它克服了傳統(tǒng)換流器的許多缺點，具備其自身的優(yōu)勢.按照直流電路的設(shè)計，自換相換流器可進一步分為電流源型換流器（Current Source Converter，CSC）和電壓源型換流器（Voltage Source Converter，VSC）［7］.

海上直流輸電系統(tǒng)主要由直流電纜、換流站及其輔助設(shè)備構(gòu)成，如圖2所示.

圖2 傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)

2.1 直流電纜

直流電纜目前有充油電纜、不滴流電纜，以及交聯(lián)聚乙烯電纜等.在VSC系統(tǒng)中使用的是聚合物擠包絕緣電纜，這是一種擠壓式單極電纜，具有體積小、強度高、重量輕、傳輸容量大、絕緣水平優(yōu)越、環(huán)保易鋪設(shè)等特點，解決了傳統(tǒng)電纜由于絕緣體中空間電荷導(dǎo)致的局部高電場引起絕緣擊穿，以及溫度敏感引起的壓力分配不均勻?qū)е陆^緣體外部過應(yīng)力等問題，使電纜在惡劣的海底條件和深水條件下都可以敷設(shè)［8］.

2.2 換流站

換流站包括換流器、換流變壓器、換流電抗器、諧波濾波器，以及直流電容.

這些設(shè)備的功能如下：換流變壓器為換流器提供適當(dāng)大小和相位的換相電壓，在直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，其阻抗還起限制短路電流、避免換流器損壞的作用;交流濾波器用來吸收換流變壓器所產(chǎn)生的諧波，減少諧波對交流系統(tǒng)的影響，同時向換流站提供無功功率，而直流濾波器用于吸收直流側(cè)的諧波;平波電抗器能夠平抑直流線路中的諧波電流，減少逆變器的換相失敗，防止輕載時的電流不連續(xù)，在直流線路短路時限制換流器的峰值電流;電容器組件是和電壓器并聯(lián)的一系列電容器組，用于提供換流閥工作時所需要的無功功率［9］.

在VSC系統(tǒng)中，VSC由IGBT閥橋、換流控制器、換流電抗器、直流電容和交流濾波器組成.其主要設(shè)備大為減少，并實現(xiàn)了模塊化設(shè)計，被稱為輕型直流輸電.與PCC輸電相比，VSC在技術(shù)上有了很大改進，其經(jīng)濟成本也有較大程度的降低.

3 輸電系統(tǒng)電氣接線方案

本文根據(jù)交、直流輸電方式，風(fēng)電場離岸距離及電壓等級的不同，給出了海上風(fēng)電場輸電系統(tǒng)的多種接線方案，并對各種方案進行了成本計算.為了能夠?qū)Ψ桨傅慕?jīng)濟性進行可靠評估，本文的價格是在查閱大量文獻及資料，并考慮了金屬價格的漲落的基礎(chǔ)上給出的，但未考慮各電氣設(shè)備運行及維護的費用.

3.1 成本計算模型及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

3.1.1 交流輸電系統(tǒng)投資成本

本文在交流電纜成本的計算中，電纜的單位購買費用是根據(jù)不同型號的電纜來計算的，電纜的單位安裝費用為275 M/km［10］.在變電站成本的計算中，由于海上風(fēng)電場風(fēng)速變化的波動性，風(fēng)電場在實際出力中為40%左右，其輸出功率達不到100%，故變電站容量是按風(fēng)電場的全部裝機容量來考慮的，單位價格為130 k/MW，價格包括了變電站安裝、設(shè)計和土建費用.考慮到電壓等級和輸送距離的因素，無功補償容量大小是按照表1來選取的［2］.

表1 不同電壓等級交流電纜所需無功補償容量

3.1.2 直流輸電系統(tǒng)投資成本

本文在直流電纜成本的計算中，海底電纜的單位安裝費用為250 k/km.換流站的容量與交流變電站的容量相同，是按風(fēng)電場的全部裝機容量來考慮的，由于有關(guān)±150 kV和±300 kV換流站單位價格的信息很少，考慮到濾波器、電抗器，以及IGBT模塊的因素，假定±300 kV換流站價格比±150 kV高10%，故±150 kV和±300 kV換流站單位價格分別為250 k/MW和300 k/ MW.

3.2 影響輸電系統(tǒng)接線方案成本的因素

3.2.1 距離及交直流不同輸電方式的對比

假設(shè)風(fēng)電場與岸上距離為20 km，交流輸電和直流輸電系統(tǒng)通過150 kV電纜向岸上輸送電能，其系統(tǒng)示意如圖3和圖4所示.

圖3 200 MW風(fēng)電場150 kV交流輸電系統(tǒng)

圖4 200 MW風(fēng)電場150 kV直流輸電系統(tǒng)

當(dāng)風(fēng)電場距岸上為20 km時，參照表1，無功補償裝置容量為20 MW.海上變電站容量為200 MW，選用3芯截面為800 mm2的電纜，電纜載流量為916 A，單位價格0.582 M/km.對于直流輸電系統(tǒng)，換流站容量為200 MW，選用雙極直流輸電，電纜截面面積為400 mm2，載流量為808 A，單位價格0.143 M/km.其投資成本見表2.交直流輸電方式隨距離變化的成本對比結(jié)果見圖5.

表2 200 MW風(fēng)電場150 kV交直流輸電投資成本M

表2 200 MW風(fēng)電場150 kV交直流輸電投資成本M

輸電方式電纜成本購買安裝變電站無功補償器總投資AC 11.64 5.5 26 0.7 43.84 DC 5.72 5.0 50 60.72

圖5 交直流輸電方式隨距離變化的成本對比

3.2.2 交流輸電系統(tǒng)不同電壓等級因素

假設(shè)風(fēng)電場與岸上的距離為20 km，分析了交流輸電系統(tǒng)采用不同輸電電壓（150 kV和220 kV）對成本的影響.

當(dāng)風(fēng)電場與岸上距離為20 km時，150 kV交流輸電系統(tǒng)海上變電站容量為200 MW，無功補償容量為20 MW，選用3芯截面為800 mm2的電纜，電纜載流量為916 A，單位價格0.582 M/ km;220 kV交流輸電系統(tǒng)變電站容量為200 MW，無功補償容量為70 MW，選用3芯截面為400 mm2的電纜，電纜載流量為675 A，單位價格0.569 M/km.其投資成本見表3.

表3 200 MW風(fēng)電場不同電壓交流輸電成本比較

3.2.3 直流不同電壓等級因素

考慮到不同距離下，直流輸電系統(tǒng)采用不同輸電電壓（±150kV和±300kV）對成本的影響，其接線方式見圖4，±150 kV和±300 kV直流輸電系統(tǒng)成本對比見圖6.

當(dāng)風(fēng)電場與岸上距離為50 km時，±150 kV直流輸電系統(tǒng)換流站為400 MW，選用雙極直流輸電，選用截面為1 000 mm2的電纜，電纜載流量為1 410 A，單位價格0.221 M/km;±300 kV直流輸電系統(tǒng)換流站為400 MW，其單位價格考慮選用雙極直流輸電，選用截面為300 mm2的電纜，電纜載流量為699 A，單位價格0.175 M/ km.其投資成本見表4.

表4 400 MW風(fēng)電場不同電壓直流輸電成本比較

圖6 ±150 kV和±300 kV直流輸電系統(tǒng)成本對比

4 經(jīng)濟性分析

由以上分析可知，對于交流輸電系統(tǒng)來說，電纜費用占到了總成本的40%左右，所以若要降低交流系統(tǒng)的成本，應(yīng)當(dāng)從減少電纜費用著手，如采用新型電纜材料、減少有色金屬的使用;對于直流輸電系統(tǒng)來說，換流站費用占到了總成本的80%左右，所以要想降低直流系統(tǒng)的成本，應(yīng)當(dāng)從降低換流站費用入手，如采用輕型高壓直流輸電，將換流站設(shè)備模塊化、集成化處理.離岸距離、交直流輸電方式和電壓等級的選取對輸電系統(tǒng)的影響具體分析如下.

（1）60 km內(nèi)的風(fēng)電場其高壓直流輸電方式成本比高壓交流輸電方式高，且風(fēng)電場規(guī)模越大，差價也越高.因此對于近海風(fēng)電場，更適合采用交流輸電方式，對于深海風(fēng)電場，更適合采用直流輸電方式.

（2）高壓交流輸電系統(tǒng)采用220 kV比150 kV經(jīng)濟成本略高，高壓交流輸電系統(tǒng)適用于小容量近距離傳輸.這主要是因為高壓直流換流站設(shè)備多，體積大，安裝及敷設(shè)費用較高.對不同電壓等級的交流輸電來說，高電壓等級的絕緣成本、保護費用，以及控制設(shè)備復(fù)雜程度、無功功率的補償要求略高.

（3）高壓直流輸電系統(tǒng)適用于大容量遠距離傳輸，在距岸上100 km內(nèi)，選用±150 kV比± 300 kV輸電更經(jīng)濟.這是因為對不同電壓，其換流站里保護設(shè)備、控制設(shè)備的復(fù)雜程度、設(shè)備絕緣程度不一樣.±300 kV比±150 kV的費用高出10%左右.

5 結(jié)語

本文根據(jù)交直流輸電方式，風(fēng)電場離岸距離和電壓等級的不同，給出海上風(fēng)電場輸電系統(tǒng)的多種接線方式，并對各種方式進行成本計算和經(jīng)濟性分析.通過分析可知，交流輸電方式更適合短距離小容量，當(dāng)風(fēng)電場容量較大、離岸距離較遠時，采用高壓直流輸電方式更經(jīng)濟.無論是交流還是直流輸電，對同一輸電方式采用高一等級的電壓，會對設(shè)備的絕緣、容量及控制提出更高要求，故費用也相對更高，但隨著輸電距離的增加，由于高一等級電壓的電纜可以輸送更多容量的電流，單位輸電成本也會相對降低.

［1］劉海波，趙鑫，楊家勝.海上風(fēng)電場低頻+高壓直流輸電電氣接線方案研究［J］.人民長江，2011，42（3）：39-42.

［2］LAZAROS L P.Economic comparison of HVAC and HVDC soltions for large offshore wind farms under special consideration of reliability［D］.Stock-Holm，Sweden：Royal Institute of Technology Department of Electrical Engineering，2005.

［3］CHAUDHARY SK，TEODORESCU R，RODRIGUEZ P.W ind farm grid integration using VSC based HVDC transmission-an overview［C］//ENERGY 2008.IEEE.IEEE Energy 2030，2008：1-7.

［4］ACKERMANN T，BARBERIS N Negra，TODOROVIC J.Evaluation of electrical trans-mission concepts for large offshore wind-farms［R］.［2005-10-26］.http：//wind.nrel.gov/public/SeaCon/Proceedings/Copenhagen.Offshore.Wind.2005/documents/papers/Grid_connection/T.Ackermann_ Evaluation_of_Electrical_Transmission_Concept.pdf.

［5］BRESESTI Paola，KLING W L，RALPH L，et al.HVDC connection of offshorewind farms to the transmission system［J］.Energy Conversion，IEEE Transactions on，2007，22（1）： 37-43.

［6］朱宜飛，陶鐵鈴.大規(guī)模海上風(fēng)電場輸電方式的探討［J］.中國工程科學(xué)，2010，12（11）：89-97.

［7］周丹.基于電壓源型換流器的多端直流輸電系統(tǒng)控制仿真研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2008.

［8］侯慧，游大海，尹項根.輕型高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.電力建設(shè)，2005，26（11）：28-30.

［9］趙國梁，吳濤.HVDC技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用情況綜述［J］.華北電力技術(shù)，2008（6）：28-34.

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

（編輯蘇娟）