海上風(fēng)電場輸電方式的經(jīng)濟性分析

杜海超

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012)

海上風(fēng)電場與陸地風(fēng)電場相比不占用土地資源，不受地形影響，風(fēng)能資源更為豐富，風(fēng)速更平穩(wěn)，風(fēng)電機組單機容量更大。但海上風(fēng)電機組支撐結(jié)構(gòu)要求苛刻，電能輸送設(shè)備昂貴，且需要大量的電力電子設(shè)備，所以海上風(fēng)電場的建設(shè)成本一般是陸地風(fēng)電場的2～3倍［1］。目前世界上建成的實際工程有高壓交流輸電和高壓直流輸電，但裝機容量較小，輸送距離較短。因此，為了找到一種輸電方式適用于大功率遠距離海上風(fēng)電場的連接［2］，本文對海上風(fēng)電場的輸電方式進行了經(jīng)濟性分析。

1 海上風(fēng)電場的組網(wǎng)方式

海上風(fēng)電場組網(wǎng)分為近海岸集電系統(tǒng)和傳輸連接到岸輸電系統(tǒng)。近海岸集電系統(tǒng)是把風(fēng)機產(chǎn)生的能量帶到一個中央收集功率，然后與主電網(wǎng)鏈接，這些收集系統(tǒng)經(jīng)常是線形或者形連接的［3－4］。目前，只有線形連接應(yīng)用到近海岸風(fēng)電場的項目，因此本文風(fēng)電場的集電系統(tǒng)采用線性連接類型。

1.1 海上風(fēng)電場的集電系統(tǒng)

海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)的任務(wù)是將各風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的電能按照一定的規(guī)則匯集到變電站的匯流母線。目前采集系統(tǒng)大多數(shù)采用放射結(jié)構(gòu)和星形結(jié)構(gòu)［2－3］，如圖 1、圖 2所示。對于放射形結(jié)構(gòu)，許多風(fēng)力發(fā)電機作為功率注入，其電壓等級必須足夠高(幾十千伏)，從而能夠傳輸風(fēng)電群的總功率。在星形連接中，每個渦輪機直接連接到一個變壓器安裝工作平臺的結(jié)點上，這就需要工作平臺的電壓等級更高。雖然這種星形不需要變壓器的操作，但它需要為變壓器和開關(guān)設(shè)備設(shè)置多個收集平臺。目前，只有矩形連接應(yīng)用到近海岸風(fēng)電場的項目。因此，本文假設(shè)采用該連接類型。

1.2 海上風(fēng)電場的輸電系統(tǒng)

從近海岸的集電系統(tǒng)傳輸?shù)桨兜目梢允歉邏航涣骱鸵跃чl管為主的整流轉(zhuǎn)換器的柔性直流。

對于不同容量和離岸距離的風(fēng)電場應(yīng)采用不同的輸電方式。目前海上風(fēng)電場的輸電系統(tǒng)有高壓交流輸電(HVAC)、柔性直流輸電(VSC－HVDC)等。

圖1 風(fēng)電場的放射結(jié)構(gòu)Fig.1 Radiation structure of wind farm

圖2 風(fēng)電場的星形結(jié)構(gòu)Fig.2 Wind farm star structure

1.2.1 技術(shù)方面

高壓交流輸電作為傳統(tǒng)的輸電方式其技術(shù)較為成熟，但海上風(fēng)電場輸電方式的特殊性對于海底電纜的絕緣性要求較高，并且由于電纜的電容較大，要根據(jù)輸電容量與輸電距離的情況來加裝無功補償裝置，而且電纜的輸送容量是隨著輸送距離的增加而減少的［5］，即

輸電線路上的電壓是有跌落的，風(fēng)機出力為有功功率，由式(1)可得

按電壓跌落不超過5%約束條件，可得如圖3所示的不同電壓等級下交流電纜輸送能力隨輸送距離的變化曲線。

圖3 不同電壓等級下交流電纜的輸送容量與距離關(guān)系Fig.3 Transmission capacity and distance relation of AC cable under different voltage level

海底交流電纜大多數(shù)為三芯的XLPE，VSCHVDC采用直流電纜輸電，解決了充電電流較大的問題。但VSC－HVDC需要在海上加裝大的直流平臺來放置換流器，因此會占用很大的空間，這也是海上風(fēng)電場投資較大的地方。

1.2.2 經(jīng)濟方面

由于交流電纜的載流量是隨著風(fēng)能輸送距離的增加而減小的，這就導(dǎo)致了較大風(fēng)能的輸送必須采用多條電纜回路輸送方式，但是交流電纜的成本較高，因此高壓交流輸電主要的經(jīng)濟投入在于交流電纜上。其他的經(jīng)濟投入還包括海上變壓器的平臺以及變壓器與無功補償裝置。相對于HVAC，VSC－HVDC直流電纜較為便宜，但是VSC－HVDC需要在海上組裝換流器并需要為其搭建大的直流平臺，使得VSC－HVDC前期的經(jīng)濟投入較高，但隨著輸電距離的增加，使用VSC－HVDC更為經(jīng)濟。

為了評估現(xiàn)有的和將來的海上風(fēng)電場的組網(wǎng)方式，本文對額定容量為100、500、1000 MW的海上風(fēng)電場算例分別用高壓交流輸電和柔性直流輸電兩種輸電方式進行經(jīng)濟性分析。100、500、1000 MW的海上風(fēng)電場投入與距離關(guān)系如圖4所示。

圖4 3種不同容量的風(fēng)電場投入與距離關(guān)系Fig.4 3 Relation between wind farm investment and distance under 3 kind different capacities

由圖4可知:100 MW的風(fēng)電場在輸電距離為200 km時，高壓交流輸電和柔性直流輸電的經(jīng)濟投入是一樣的;當(dāng)輸送容量達到500 MW時，輸送距離僅為75 km時兩種輸電方式經(jīng)濟投入相同;當(dāng)容量到了1000 MW，輸電距離超過50 km時柔性直流輸電就更為經(jīng)濟了。由上述的結(jié)果可知，對于小容量近海岸的風(fēng)電場，交流輸電方式更為經(jīng)濟，但隨著著輸電距離與輸送容量的增加，VSC－HVDC更為經(jīng)濟，因此對于未來大規(guī)模遠距離海上風(fēng)電場，采用柔性直流輸電更為經(jīng)濟。

2 算例組網(wǎng)方式及經(jīng)濟性分析

本算例的集電系統(tǒng)有100臺風(fēng)機，每臺風(fēng)機的間隔1 km，額定容量為5 MW，風(fēng)機呈線性分布。圖5、圖6分別為交流輸電、柔性直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖［5－7］。兩種組網(wǎng)方式的經(jīng)濟投入如表1—3所示。由表1—表3可知，在該算例背景下，柔性直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟投入較小。

圖5 交流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 AC transmission system structure diagram

圖6 柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Flexible DC transmission system structure diagram

表1 交流集電系統(tǒng)經(jīng)濟投入Tab.1 AC electrical collection system economy investment

表2 交流輸電系統(tǒng)經(jīng)濟投入Tab.2 AC transmission system economy investment

表3 柔性直流輸電系統(tǒng)經(jīng)濟投入Tab.3 Flexible DC transmission system economy investment

3 結(jié)語

VSC－HVDC無論是從技術(shù)角度還是經(jīng)濟角度應(yīng)用于海上風(fēng)電傳輸都是完全可行的。隨著現(xiàn)有的海上風(fēng)電柔型直流輸電系統(tǒng)運行經(jīng)驗的積累，以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，必將有更多的柔型高壓直流輸電系統(tǒng)應(yīng)用于海上風(fēng)電傳輸領(lǐng)域。

［1］ 王建東，李國杰.海上風(fēng)電場內(nèi)部電氣系統(tǒng)布局經(jīng)濟性對比［J］.電力系統(tǒng)自動化，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］ 黃玲玲，符楊.海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)可靠性評估［J］電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(7):169 －174.HUANG Lingling，F(xiàn)U 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］ 朱曉東，周克亮，程明，等.大規(guī)模近海風(fēng)電場 VSC－HVDC并網(wǎng)拓撲及其控制［J］.電網(wǎng)技術(shù)，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］ 黃玲玲，符楊，郭曉明.大型海上風(fēng)電場電氣接線方案優(yōu)化研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(8):77 －81.HUANG Lingling，F(xiàn)U 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］ 孫立明，駱亮.上海柔性直流接入系統(tǒng)的電網(wǎng)運行方式探討［J］.華東電力，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.