全壽命周期成本在海上風電輸電方式經濟性評估中的應用

凌 峰 ，湯昶烽 ，衛志農

(1.江蘇省電力公司電力經濟技術研究院，江蘇南京210008；2.河海大學能源與電氣學院，江蘇南京210098)

式中：r為折現率；n為工程壽命周期；t為年份。

海上風力發電憑借其所具有的比陸上風電更豐富、利用率高、對周邊環境影響小等優勢在世界范圍內迅速發展，已成為風力發電的重要方面。歐盟計劃在2020年底達到40 GW的目標，我國也將其作為近期的發展重點并于十二五內建成5 GW[1]。目前國內外針對風電接入采用的輸電方式進行了不少研究，文獻[2]從電能損耗、設備單位成本變化等方面對不同風電場的交直流輸電系統進行了對比；文獻[3]對海上風電不同輸電系統采取的補償方案進行了評估；文獻[4]海上風電場電氣系統開關配置進行了經濟性分析；文獻[5]對風電接入對輸電規劃的影響從評估體系建立、風電不確定性、政策市場等角度進行了評述；文獻[6]以我國的上海東海大橋海上風電場為例，從傳輸性能、原材料消耗等幾個方面說明了如果采用柔性直流輸電會更為經濟合理；文獻[7]分析了不同輸電系統用于不同風電場的損耗情況并給出了一些建議?？梢钥闯?，這些研究多從原理、技術等方面進行分別比較并說明了該方面的優缺點，由此給出一些經濟性分析和建議，但不能反映實際工程建設運營的真實具體的經濟性情況，缺少可推廣性和實用性。對于海上風電這樣規模大、運營周期長、技術要求高的工程，如果不對其整體目標和投資規劃充分考慮，可能會導致其最終運營結果和最初的設計預期有很大差異，不僅不能發揮新能源的優勢，反而給后期運營管理工作帶來巨大經濟和社會負擔[8]。

基于全壽命周期成本（LCC）理論的分析評估用于對工程的全壽命周期發展過程進行協調統一的規劃和管理，已在電力設計規劃決策中被廣泛認識和應用[9-11]。文中在分析海上風電不同類型輸電系統的結構和特點的基礎上，構建海上風電輸電系統的LCC模型，并根據該模型評估對于距陸地不同距離和不同容量的海上風電場采用不同輸電系統的全壽命經濟性，以尋找最合理的海上風電接入方式，可以為相關投資規劃提供科學、全面的參考。

1海上風電接入的輸電方式

1.1 高壓交流輸電(HVAC)系統

HVAC系統是在海上風電接入中較為成熟的一種技術，具有穩定、連接簡單、造價低等優點，因此迄今為止建成的大多數海上風電場都采用此系統[12]。典型的HVAC輸電系統如圖1所示。該系統主要由交流集電系統、海上升壓站與無功補償設備、海底電纜、陸上變電站與無功補償設備等部分組成。海上風電場的線路從集電系統出來后匯集到海上變電站，再通過升壓變壓器將電能通過海底電纜輸送到岸上的變電站。電纜線路的分布電容通常要遠大于架空線路，因此在交流輸電系統中會產生很大的電容電流，從而顯著降低了電纜輸送有功的能力。在實際中，需根據現場情況在電纜的一側或兩側加裝無功補償裝置[7]。

圖1典型的HVAC系統

1.2 傳統高壓直流輸電（PCC-HVDC）系統

PCC-HVDC系統也是在跨海輸電中廣泛應用的一種較為成熟的技術，其優點主要體現在長距離輸電造價低、損耗小，運行經驗也較柔性直流輸電豐富。典型的PCC-HVDC系統如圖2所示。

圖2典型的PCC-HVDC系統

該系統主要由濾波器、換流變壓器、晶閘管換流閥、電容器組件、直流電纜等部分組成。其中交流濾波器用來吸收換流變壓器所產生的諧波，減少諧波對交流系統的影響，同時向換流站提供無功。電容器組件和電壓器并聯用于提供換流閥工作時所需要的無功。直流電纜有充油電纜，不滴流電纜以及交聯聚乙烯電纜等幾種，其中充油電纜可以用于較高電壓等級和較大功率的傳輸，但長度很難超過100 km，且可能會出現絕緣油外泄污染環境的危險。

1.3 柔性直流輸電(VSC-HVDC)系統

VSC-HVDC系統是以電壓源型換流器（VSC）、可關斷器件和脈寬調制（PWM）技術為基礎的新一代直流輸電技術，由于其在運行控制上可對兩端交流系統的有功無功功率進行獨立調節，還能有效改善低電壓穿越能力[13]，在風電并網上有著較大的優勢和前景。德國已經將其用于距離內陸125 km的400 MW海上風電場接入并網，并于2009年運行，還有3個總計達2 176 MW的工程將于2013年投入運行。我國建設的上海南匯風電場并網的VSC-HVDC工程也已經投入運行。典型的VSC-HVDC系統如圖3所示。

圖3典型的VSC-HVDC系統

該系統主要由海上換流站和直流電纜組成。換流站的核心是高頻絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）開關器件，其工作在500～2 000 Hz之間，通過控制PWM脈沖，其輸出電壓可根據系統需要自動調節。IGBT開關器件在換流器上的應用消減了系統諧波并改善了電能質量，但高頻同時也帶來較高的系統損耗[14]。與傳統直流輸電相比，其換流站的占地面積和總重量都小很多，一個550 MW換流站的體積只有傳統直流輸電換流站的1/8，可以明顯降低需要搭建海上平臺的海上風電接入的施工難度和建設成本。VSC-HVDC電纜目前主要使用的是聚合物擠包絕緣電纜，具有體積小、柔韌性強、重量輕、彎曲半徑小、絕緣水平優越、環保易鋪設等特點，使電纜在惡劣的海底條件和深水條件下更易于敷設，且耗材也比常規直流輸電要少。

2海上風電輸電系統的LCC模型

2.1 LCC模型簡介

輸電工程的LCC模型是從工程的全壽命周期出發，綜合考慮從設計到退役期間的各個環節，將項目論證規劃、生產建設、運行維護、故障檢修、改造報廢等各方面因素折算為統一標準下的等效費用進行評價[10]。此種評價方法可以把方案的經濟性評價、可靠性評價、安全性評價、持續性評價結合起來，克服傳統評價中或簡單根據前期投資或片面追求可靠性的矛盾，體現了經濟效益、社會效益和環境效益最大化的原則，使投資決策方案更為科學合理。

一般輸電工程的全壽命周期成本CLCC主要由初始投入成本CI、運行成本CO、維護成本CM、故障成本CF和廢棄成本CD5個主要部分組成：根據LCC理論，由于初始投入成本是一次性的成本屬于現值，而運行成本、維護成本、故障成本是每年均會發生的成本，廢棄成本雖為一次性成本但不屬于現值。由于資金具有時間價值，因此需要進行折算。折算主要有2種方法：一是將所有的成本都折算為現值進行比較，二是將所有的成本均折算為年費用進行比較。文中采用折算為現值進行比較：

式中：r為折現率；n為工程壽命周期；t為年份。

2.2海上風電輸電系統LCC模型的建立

以LCC理論為基礎，結合海上風電接入輸電工程實際情況，建立海上風電輸電系統的LCC模型。

2.2.1初始投入成本CI

初始投入成本即基本建設的成本，一般包括設備的購置費用、建筑工程費用、安裝費用和其他動態費用等，這一成本發生在壽命周期初期，屬于一次性投入。海上風電接入的輸電系統的初始投入成本為：

式中：Csub為變電站成本；Ccab為電纜成本；Cins為安裝成本；Ccom為補償設備成本；Crig為海上平臺建造成本；Cland為海上用地成本。

2.2.2年運行成本COt

年運行成本主要為系統運行損耗費用，可表示為：

COt= β·S·TO·u （4）

式中：β為損耗率；S為系統的輸送容量；TO為年最大運行時間；u為售電價。其中風電輸電的損耗率β可以通過如下公式計算求得[15]：?

式中：Pli為系統在風速為i時的有功損耗；Pgi為機組在風速為i時發出的有功功率；n為風速的等級劃分；pi為風速為i的概率。

2.2.3年維護成本CMt

維護成本主要包括各年維護檢修過程的材料和人工等費用，一般根據歷史平均檢修情況估算或由工程經驗根據建造成本折算得到，考慮到海上風電接入數據搜集較為困難，文中采用根據初始投入成本折算：

式中：fm為工程維護率。

2.2.4年故障成本CFt

故障成本指由于故障對電網以及用戶造成的經濟損失，主要與停電的發生時間、持續時間、停電頻率以及用戶類型有關，可以表示為：

式中：λ為系統的不可用率。

2.2.5廢棄成本CD

廢棄成本指設備退廢時可回收的殘余價值。海底輸電電纜由于敷設范圍廣，拆除成本高，廢棄成本通常認為與報廢處置費用相抵消。變壓器等設備屬材料密集型產品，其殘值收入需要在模型中考慮，可表示為：

式中：Cied為廢棄設備i所耗費的費用；Cier為該設備的殘值，根據不同設備的原值采用折算系數折算得到。

3不同輸電系統的LCC比較

3.1不同輸送距離的LCC比較

海上風電場一般至少需要距離海岸5 km以上，少數發達國家規定在30 km以上。目前投運的海上風電場多數還是以近海風電場為主，由于遠海風電場的風能更充足且對環境的影響更小，正在向遠海發展，德國即將投運的兩座均距離海岸達200 km。而不同輸送距離下各輸電系統的經濟性會有較大差異，以往的經濟性比較認為，一般跨海輸電的等價距離為24～48 km，即當輸電距離大于該距離時采用直流輸電更為經濟。

對300 MW風電場在不同輸送距離下的全壽命周期成本進行比較，電壓等級均取150 kV。不同系統初始投入成本的主要價格如表1所示[16]。

表1不同輸電系統的初始投入成本價格

系統的最大運行時間可根據風電場的年利用小時得到，一般海上風電場較陸上風電場高，可達3 000 h以上。若假設風速符合瑞利分布模型，并根據上海東海大橋風電場90 m高度年均風速8.4 m/s可得年利用小時數大致為3 200 h。300 MW的輸電系統損耗率隨著輸送距離的變化情況大致如圖4所示。

圖4不同輸電系統的損耗率

系統的不可用率根據可靠性數據[2]，考慮到直流輸電用于海上風電的可靠性還有待進一步研究，而由于風電出力的不確定性，當相同容量的風電場代替常規機組會使停電期望上升55%左右[17]，由此綜合考慮得到 300 MW 風電 HVAC、PCC-HVAD、VSCHVDC系統的不可用率分別為0.61%，2.41%，0.96%。其余參數為：售電價采用德國海上風電的專門上網電價0.15 /（kW·h），工程維護率電力行業通常均取1.8%，殘值系數取30%，報廢系數1%，折現率取8%，工程壽命周期均為 30年[10，14]。

根據海上風電輸電系統的LCC模型，計算的LCC結果如表2所示。可以看出，如果僅根據初始投入成本比較，當海上風電場距離陸地為45 km時采用HVAC系統已經是最不經濟的選擇，這也符合一般跨海輸電的等價距離。但如果根據全壽命周期的分析結果，此時采用HVAC系統仍最為經濟。當距離超過70 km后，直流輸電的優勢才逐漸體現出來。對于VSC-HVDC系統，部分研究從損耗角度認為只有對超遠距離的海上風電場才合適，而從LCC比較來看，盡管年運行成本在150 km內都比另2種輸電系統高，但超過80 km后的全壽命周期成本已經比HVAC系統經濟，超過120 km后會成為最經濟的選擇。

表2不同距離下各輸電系統的LCC比較 M

3.2不同傳輸容量的LCC比較

隨著5 MW風電機組的投入使用，海上風電場規劃的容量也日益增大，從早期的100 MW到數個800 MW的風電場群正在建設。對不同距離下不同容量風電場輸電系統的LCC進行比較，輸送距離為70 km，120 km，150 km不同容量的輸電系統LCC如圖（5—7）所示，其中120 km的LCC計算結果如表3所示。

圖5 70 km不同容量下各輸電系統的LCC

可以看出，對于距離陸地100 km以內的大型風電場，采用交流輸電仍然較為經濟，且隨著容量上升優勢更為明顯；但是超過110 km之后，交流輸電在可靠性、變電站造價低等方面的優勢已經不足以彌補運行成本、輸電線路成本等方面的劣勢，更適合采用直流輸電。在2種直流輸電中，傳統直流輸電適合于大規模風電場，而柔性直流輸電對于容量小的風電場更經濟，但是隨著距離的增加，柔性直流輸電的優勢會逐步增大。

圖6 120 km不同容量下各輸電系統的LCC

圖7 150 km不同容量下各輸電系統的LCC

表3不同容量下各輸電系統的LCC比較 M

根據120 km時的LCC計算結果可以看出，隨著容量的增大，初始投入成本占全壽命周期成本的比重逐步下降，100 MW時占到75%以上，而800 MW時只占到不到40%，運行成本和故障成本的影響越來越大，這是規劃大型海上風電場應當注意的一個問題。

4適用范圍分析

由不同傳輸距離和不同傳輸容量的LCC變化情況，可以得出對于不同的海上風電場，適宜采用的輸電方式，如圖8所示。

圖8不同輸電系統的適用范圍

（1）HVAC系統適合短距離、大容量的海上風電場。對于30 km以內的近海風電場均采用HVAC較為合適，30 km至100 km根據裝機容量的大小來選擇，對500 MW以上的大規模海上風電場仍建議采用HVAC。（2）PCC-HVDC系統適合于中遠距離、大容量的海上風電場。對于100 km以上超過800 MW的超大規模風電場其優勢較為明顯。（3）VSC-HVDC系統適合遠距離、中小容量的海上風電場，距離越遠其優勢越明顯，適宜的傳輸容量范圍越大。

HVAC的經濟性主要受到電纜成本和輸電損耗的限制；PCC-HVDC由于工作原理會加重諧波的污染，其能否確保風電穩定可靠的接入是經濟性提高的主要方面；目前而VSC-HVDC由于在風電并網方面的優勢，從長遠來看VSC-HVDC的適用范圍會越來越大，其經濟性的提高有待于技術逐步成熟和器件價格的下降，以使換流站的造價和損耗能夠進一步降低。

5結束語

構建了海上風電輸電系統的LCC成本模型，并根據海上風電接入的3種不同輸電方式的技術特點，對不同距離、不同容量的海上風電場輸電系統進行經濟性比較，得出以下結論：（1）不同輸電方式的經濟性隨著傳輸距離和傳輸容量的不同而變化，HVAC系統適合短距離、大容量的海上風電場，PCC-HVDC輸電系統適合于中遠距離、大容量的海上風電場，

VSC-HVDC系統適合遠距離、中小容量的海上風電場；（2）由LCC比較結果可以看出，初始投入成本最優或損耗最低的方案在全壽命周期內未必是最優的方案，基于LCC的評估會比傳統方法更科學、全面，具有較高的實用價值。隨著海上風電的進一步發展和輸電技術水平的提高，在投資規劃時根據項目的實際條件采用該方法評估選擇最優的輸電方式具有很好的實踐和推廣意義。

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