海上風電場輸電方式的經濟性分析

杜海超

(東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林132012)

海上風電場與陸地風電場相比不占用土地資源，不受地形影響，風能資源更為豐富，風速更平穩，風電機組單機容量更大。但海上風電機組支撐結構要求苛刻，電能輸送設備昂貴，且需要大量的電力電子設備，所以海上風電場的建設成本一般是陸地風電場的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電場的連接［2］，本文對海上風電場的輸電方式進行了經濟性分析。

1 海上風電場的組網方式

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

1.1 海上風電場的集電系統

海上風電場集電系統的任務是將各風力發電機發出的電能按照一定的規則匯集到變電站的匯流母線。目前采集系統大多數采用放射結構和星形結構［2－3］，如圖 1、圖 2所示。對于放射形結構，許多風力發電機作為功率注入，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設備設置多個收集平臺。目前，只有矩形連接應用到近海岸風電場的項目。因此，本文假設采用該連接類型。

1.2 海上風電場的輸電系統

從近海岸的集電系統傳輸到岸的可以是高壓交流和以晶閘管為主的整流轉換器的柔性直流。

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

圖1 風電場的放射結構Fig.1 Radiation structure of wind farm

圖2 風電場的星形結構Fig.2 Wind farm star structure

1.2.1 技術方面

高壓交流輸電作為傳統的輸電方式其技術較為成熟，但海上風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系Fig.3 Transmission capacity and distance relation of AC cable under different voltage level

海底交流電纜大多數為三芯的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，這也是海上風電場投資較大的地方。

1.2.2 經濟方面

由于交流電纜的載流量是隨著風能輸送距離的增加而減小的，這就導致了較大風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濟投入在于交流電纜上。其他的經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前期的經濟投入較高，但隨著輸電距離的增加，使用VSC－HVDC更為經濟。

為了評估現有的和將來的海上風電場的組網方式，本文對額定容量為100、500、1000 MW的海上風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濟性分析。100、500、1000 MW的海上風電場投入與距離關系如圖4所示。

圖4 3種不同容量的風電場投入與距離關系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濟投入是一樣的;當輸送容量達到500 MW時，輸送距離僅為75 km時兩種輸電方式經濟投入相同;當容量到了1000 MW，輸電距離超過50 km時柔性直流輸電就更為經濟了。由上述的結果可知，對于小容量近海岸的風電場，交流輸電方式更為經濟，但隨著著輸電距離與輸送容量的增加，VSC－HVDC更為經濟，因此對于未來大規模遠距離海上風電場，采用柔性直流輸電更為經濟。

2 算例組網方式及經濟性分析

本算例的集電系統有100臺風機，每臺風機的間隔1 km，額定容量為5 MW，風機呈線性分布。圖5、圖6分別為交流輸電、柔性直流輸電系統的結構圖［5－7］。兩種組網方式的經濟投入如表1—3所示。由表1—表3可知，在該算例背景下，柔性直流輸電系統的經濟投入較小。

圖5 交流輸電系統結構圖Fig.5 AC transmission system structure diagram

圖6 柔性直流輸電系統結構圖Fig.6 Flexible DC transmission system structure diagram

表1 交流集電系統經濟投入Tab.1 AC electrical collection system economy investment

表2 交流輸電系統經濟投入Tab.2 AC transmission system economy investment

表3 柔性直流輸電系統經濟投入Tab.3 Flexible DC transmission system economy investment

3 結語

VSC－HVDC無論是從技術角度還是經濟角度應用于海上風電傳輸都是完全可行的。隨著現有的海上風電柔型直流輸電系統運行經驗的積累，以及電力電子技術的發展，必將有更多的柔型高壓直流輸電系統應用于海上風電傳輸領域。

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