全壽命周期成本在海上風(fēng)電輸電方式經(jīng)濟(jì)性評(píng)估中的應(yīng)用

凌 峰 ，湯昶烽 ，衛(wèi)志農(nóng)

(1.江蘇省電力公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江蘇南京210008；2.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京210098)

式中：r為折現(xiàn)率；n為工程壽命周期；t為年份。

海上風(fēng)力發(fā)電憑借其所具有的比陸上風(fēng)電更豐富、利用率高、對(duì)周邊環(huán)境影響小等優(yōu)勢(shì)在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展，已成為風(fēng)力發(fā)電的重要方面。歐盟計(jì)劃在2020年底達(dá)到40 GW的目標(biāo)，我國(guó)也將其作為近期的發(fā)展重點(diǎn)并于十二五內(nèi)建成5 GW[1]。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)風(fēng)電接入采用的輸電方式進(jìn)行了不少研究，文獻(xiàn)[2]從電能損耗、設(shè)備單位成本變化等方面對(duì)不同風(fēng)電場(chǎng)的交直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比；文獻(xiàn)[3]對(duì)海上風(fēng)電不同輸電系統(tǒng)采取的補(bǔ)償方案進(jìn)行了評(píng)估；文獻(xiàn)[4]海上風(fēng)電場(chǎng)電氣系統(tǒng)開關(guān)配置進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析；文獻(xiàn)[5]對(duì)風(fēng)電接入對(duì)輸電規(guī)劃的影響從評(píng)估體系建立、風(fēng)電不確定性、政策市場(chǎng)等角度進(jìn)行了評(píng)述；文獻(xiàn)[6]以我國(guó)的上海東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)為例，從傳輸性能、原材料消耗等幾個(gè)方面說(shuō)明了如果采用柔性直流輸電會(huì)更為經(jīng)濟(jì)合理；文獻(xiàn)[7]分析了不同輸電系統(tǒng)用于不同風(fēng)電場(chǎng)的損耗情況并給出了一些建議。可以看出，這些研究多從原理、技術(shù)等方面進(jìn)行分別比較并說(shuō)明了該方面的優(yōu)缺點(diǎn)，由此給出一些經(jīng)濟(jì)性分析和建議，但不能反映實(shí)際工程建設(shè)運(yùn)營(yíng)的真實(shí)具體的經(jīng)濟(jì)性情況，缺少可推廣性和實(shí)用性。對(duì)于海上風(fēng)電這樣規(guī)模大、運(yùn)營(yíng)周期長(zhǎng)、技術(shù)要求高的工程，如果不對(duì)其整體目標(biāo)和投資規(guī)劃充分考慮，可能會(huì)導(dǎo)致其最終運(yùn)營(yíng)結(jié)果和最初的設(shè)計(jì)預(yù)期有很大差異，不僅不能發(fā)揮新能源的優(yōu)勢(shì)，反而給后期運(yùn)營(yíng)管理工作帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)負(fù)擔(dān)[8]。

基于全壽命周期成本（LCC）理論的分析評(píng)估用于對(duì)工程的全壽命周期發(fā)展過(guò)程進(jìn)行協(xié)調(diào)統(tǒng)一的規(guī)劃和管理，已在電力設(shè)計(jì)規(guī)劃決策中被廣泛認(rèn)識(shí)和應(yīng)用[9-11]。文中在分析海上風(fēng)電不同類型輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建海上風(fēng)電輸電系統(tǒng)的LCC模型，并根據(jù)該模型評(píng)估對(duì)于距陸地不同距離和不同容量的海上風(fēng)電場(chǎng)采用不同輸電系統(tǒng)的全壽命經(jīng)濟(jì)性，以尋找最合理的海上風(fēng)電接入方式，可以為相關(guān)投資規(guī)劃提供科學(xué)、全面的參考。

1海上風(fēng)電接入的輸電方式

1.1 高壓交流輸電(HVAC)系統(tǒng)

HVAC系統(tǒng)是在海上風(fēng)電接入中較為成熟的一種技術(shù)，具有穩(wěn)定、連接簡(jiǎn)單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，因此迄今為止建成的大多數(shù)海上風(fēng)電場(chǎng)都采用此系統(tǒng)[12]。典型的HVAC輸電系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由交流集電系統(tǒng)、海上升壓站與無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備、海底電纜、陸上變電站與無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備等部分組成。海上風(fēng)電場(chǎng)的線路從集電系統(tǒng)出來(lái)后匯集到海上變電站，再通過(guò)升壓變壓器將電能通過(guò)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(yuǎn)大于架空線路，因此在交流輸電系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)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(shí)際中，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況在電纜的一側(cè)或兩側(cè)加裝無(wú)功補(bǔ)償裝置[7]。

圖1典型的HVAC系統(tǒng)

1.2 傳統(tǒng)高壓直流輸電（PCC-HVDC）系統(tǒng)

PCC-HVDC系統(tǒng)也是在跨海輸電中廣泛應(yīng)用的一種較為成熟的技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在長(zhǎng)距離輸電造價(jià)低、損耗小，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)也較柔性直流輸電豐富。典型的PCC-HVDC系統(tǒng)如圖2所示。

圖2典型的PCC-HVDC系統(tǒng)

該系統(tǒng)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(lái)吸收換流變壓器所產(chǎn)生的諧波，減少諧波對(duì)交流系統(tǒng)的影響，同時(shí)向換流站提供無(wú)功。電容器組件和電壓器并聯(lián)用于提供換流閥工作時(shí)所需要的無(wú)功。直流電纜有充油電纜，不滴流電纜以及交聯(lián)聚乙烯電纜等幾種，其中充油電纜可以用于較高電壓等級(jí)和較大功率的傳輸，但長(zhǎng)度很難超過(guò)100 km，且可能會(huì)出現(xiàn)絕緣油外泄污染環(huán)境的危險(xiǎn)。

1.3 柔性直流輸電(VSC-HVDC)系統(tǒng)

VSC-HVDC系統(tǒng)是以電壓源型換流器（VSC）、可關(guān)斷器件和脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)為基礎(chǔ)的新一代直流輸電技術(shù)，由于其在運(yùn)行控制上可對(duì)兩端交流系統(tǒng)的有功無(wú)功功率進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)，還能有效改善低電壓穿越能力[13]，在風(fēng)電并網(wǎng)上有著較大的優(yōu)勢(shì)和前景。德國(guó)已經(jīng)將其用于距離內(nèi)陸125 km的400 MW海上風(fēng)電場(chǎng)接入并網(wǎng)，并于2009年運(yùn)行，還有3個(gè)總計(jì)達(dá)2 176 MW的工程將于2013年投入運(yùn)行。我國(guó)建設(shè)的上海南匯風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的VSC-HVDC工程也已經(jīng)投入運(yùn)行。典型的VSC-HVDC系統(tǒng)如圖3所示。

圖3典型的VSC-HVDC系統(tǒng)

該系統(tǒng)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(guān)器件，其工作在500～2 000 Hz之間，通過(guò)控制PWM脈沖，其輸出電壓可根據(jù)系統(tǒng)需要自動(dòng)調(diào)節(jié)。IGBT開關(guān)器件在換流器上的應(yīng)用消減了系統(tǒng)諧波并改善了電能質(zhì)量，但高頻同時(shí)也帶來(lái)較高的系統(tǒng)損耗[14]。與傳統(tǒng)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(gè)550 MW換流站的體積只有傳統(tǒng)直流輸電換流站的1/8，可以明顯降低需要搭建海上平臺(tái)的海上風(fēng)電接入的施工難度和建設(shè)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(qiáng)、重量輕、彎曲半徑小、絕緣水平優(yōu)越、環(huán)保易鋪設(shè)等特點(diǎn)，使電纜在惡劣的海底條件和深水條件下更易于敷設(shè)，且耗材也比常規(guī)直流輸電要少。

2海上風(fēng)電輸電系統(tǒng)的LCC模型

2.1 LCC模型簡(jiǎn)介

輸電工程的LCC模型是從工程的全壽命周期出發(fā)，綜合考慮從設(shè)計(jì)到退役期間的各個(gè)環(huán)節(jié)，將項(xiàng)目論證規(guī)劃、生產(chǎn)建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)、故障檢修、改造報(bào)廢等各方面因素折算為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下的等效費(fèi)用進(jìn)行評(píng)價(jià)[10]。此種評(píng)價(jià)方法可以把方案的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)、可靠性評(píng)價(jià)、安全性評(píng)價(jià)、持續(xù)性評(píng)價(jià)結(jié)合起來(lái)，克服傳統(tǒng)評(píng)價(jià)中或簡(jiǎn)單根據(jù)前期投資或片面追求可靠性的矛盾，體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益最大化的原則，使投資決策方案更為科學(xué)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(yùn)行成本CO、維護(hù)成本CM、故障成本CF和廢棄成本CD5個(gè)主要部分組成：根據(jù)LCC理論，由于初始投入成本是一次性的成本屬于現(xiàn)值，而運(yùn)行成本、維護(hù)成本、故障成本是每年均會(huì)發(fā)生的成本，廢棄成本雖為一次性成本但不屬于現(xiàn)值。由于資金具有時(shí)間價(jià)值，因此需要進(jìn)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(xiàn)值進(jìn)行比較，二是將所有的成本均折算為年費(fèi)用進(jìn)行比較。文中采用折算為現(xiàn)值進(jìn)行比較：

式中：r為折現(xiàn)率；n為工程壽命周期；t為年份。

2.2海上風(fēng)電輸電系統(tǒng)LCC模型的建立

以LCC理論為基礎(chǔ)，結(jié)合海上風(fēng)電接入輸電工程實(shí)際情況，建立海上風(fēng)電輸電系統(tǒng)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(shè)的成本，一般包括設(shè)備的購(gòu)置費(fèi)用、建筑工程費(fèi)用、安裝費(fèi)用和其他動(dòng)態(tài)費(fèi)用等，這一成本發(fā)生在壽命周期初期，屬于一次性投入。海上風(fēng)電接入的輸電系統(tǒng)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(bǔ)償設(shè)備成本；Crig為海上平臺(tái)建造成本；Cland為海上用地成本。

2.2.2年運(yùn)行成本COt

年運(yùn)行成本主要為系統(tǒng)運(yùn)行損耗費(fèi)用，可表示為：

COt= β·S·TO·u （4）

式中：β為損耗率；S為系統(tǒng)的輸送容量；TO為年最大運(yùn)行時(shí)間；u為售電價(jià)。其中風(fēng)電輸電的損耗率β可以通過(guò)如下公式計(jì)算求得[15]：?

式中：Pli為系統(tǒng)在風(fēng)速為i時(shí)的有功損耗；Pgi為機(jī)組在風(fēng)速為i時(shí)發(fā)出的有功功率；n為風(fēng)速的等級(jí)劃分；pi為風(fēng)速為i的概率。

2.2.3年維護(hù)成本CMt

維護(hù)成本主要包括各年維護(hù)檢修過(guò)程的材料和人工等費(fèi)用，一般根據(jù)歷史平均檢修情況估算或由工程經(jīng)驗(yàn)根據(jù)建造成本折算得到，考慮到海上風(fēng)電接入數(shù)據(jù)搜集較為困難，文中采用根據(jù)初始投入成本折算：

式中：fm為工程維護(hù)率。

2.2.4年故障成本CFt

故障成本指由于故障對(duì)電網(wǎng)以及用戶造成的經(jīng)濟(jì)損失，主要與停電的發(fā)生時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、停電頻率以及用戶類型有關(guān)，可以表示為：

式中：λ為系統(tǒng)的不可用率。

2.2.5廢棄成本CD

廢棄成本指設(shè)備退廢時(shí)可回收的殘余價(jià)值。海底輸電電纜由于敷設(shè)范圍廣，拆除成本高，廢棄成本通常認(rèn)為與報(bào)廢處置費(fèi)用相抵消。變壓器等設(shè)備屬材料密集型產(chǎn)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(shè)備i所耗費(fèi)的費(fèi)用；Cier為該設(shè)備的殘值，根據(jù)不同設(shè)備的原值采用折算系數(shù)折算得到。

3不同輸電系統(tǒng)的LCC比較

3.1不同輸送距離的LCC比較

海上風(fēng)電場(chǎng)一般至少需要距離海岸5 km以上，少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家規(guī)定在30 km以上。目前投運(yùn)的海上風(fēng)電場(chǎng)多數(shù)還是以近海風(fēng)電場(chǎng)為主，由于遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能更充足且對(duì)環(huán)境的影響更小，正在向遠(yuǎn)海發(fā)展，德國(guó)即將投運(yùn)的兩座均距離海岸達(dá)200 km。而不同輸送距離下各輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性會(huì)有較大差異，以往的經(jīng)濟(jì)性比較認(rèn)為，一般跨海輸電的等價(jià)距離為24～48 km，即當(dāng)輸電距離大于該距離時(shí)采用直流輸電更為經(jīng)濟(jì)。

對(duì)300 MW風(fēng)電場(chǎng)在不同輸送距離下的全壽命周期成本進(jìn)行比較，電壓等級(jí)均取150 kV。不同系統(tǒng)初始投入成本的主要價(jià)格如表1所示[16]。

表1不同輸電系統(tǒng)的初始投入成本價(jià)格

系統(tǒng)的最大運(yùn)行時(shí)間可根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的年利用小時(shí)得到，一般海上風(fēng)電場(chǎng)較陸上風(fēng)電場(chǎng)高，可達(dá)3 000 h以上。若假設(shè)風(fēng)速符合瑞利分布模型，并根據(jù)上海東海大橋風(fēng)電場(chǎng)90 m高度年均風(fēng)速8.4 m/s可得年利用小時(shí)數(shù)大致為3 200 h。300 MW的輸電系統(tǒng)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(tǒng)的損耗率

系統(tǒng)的不可用率根據(jù)可靠性數(shù)據(jù)[2]，考慮到直流輸電用于海上風(fēng)電的可靠性還有待進(jìn)一步研究，而由于風(fēng)電出力的不確定性，當(dāng)相同容量的風(fēng)電場(chǎng)代替常規(guī)機(jī)組會(huì)使停電期望上升55%左右[17]，由此綜合考慮得到 300 MW 風(fēng)電 HVAC、PCC-HVAD、VSCHVDC系統(tǒng)的不可用率分別為0.61%，2.41%，0.96%。其余參數(shù)為：售電價(jià)采用德國(guó)海上風(fēng)電的專門上網(wǎng)電價(jià)0.15 /（kW·h），工程維護(hù)率電力行業(yè)通常均取1.8%，殘值系數(shù)取30%，報(bào)廢系數(shù)1%，折現(xiàn)率取8%，工程壽命周期均為 30年[10，14]。

根據(jù)海上風(fēng)電輸電系統(tǒng)的LCC模型，計(jì)算的LCC結(jié)果如表2所示?？梢钥闯觯绻麅H根據(jù)初始投入成本比較，當(dāng)海上風(fēng)電場(chǎng)距離陸地為45 km時(shí)采用HVAC系統(tǒng)已經(jīng)是最不經(jīng)濟(jì)的選擇，這也符合一般跨海輸電的等價(jià)距離。但如果根據(jù)全壽命周期的分析結(jié)果，此時(shí)采用HVAC系統(tǒng)仍最為經(jīng)濟(jì)。當(dāng)距離超過(guò)70 km后，直流輸電的優(yōu)勢(shì)才逐漸體現(xiàn)出來(lái)。對(duì)于VSC-HVDC系統(tǒng)，部分研究從損耗角度認(rèn)為只有對(duì)超遠(yuǎn)距離的海上風(fēng)電場(chǎng)才合適，而從LCC比較來(lái)看，盡管年運(yùn)行成本在150 km內(nèi)都比另2種輸電系統(tǒng)高，但超過(guò)80 km后的全壽命周期成本已經(jīng)比HVAC系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)，超過(guò)120 km后會(huì)成為最經(jīng)濟(jì)的選擇。

表2不同距離下各輸電系統(tǒng)的LCC比較 M

3.2不同傳輸容量的LCC比較

隨著5 MW風(fēng)電機(jī)組的投入使用，海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃的容量也日益增大，從早期的100 MW到數(shù)個(gè)800 MW的風(fēng)電場(chǎng)群正在建設(shè)。對(duì)不同距離下不同容量風(fēng)電場(chǎng)輸電系統(tǒng)的LCC進(jìn)行比較，輸送距離為70 km，120 km，150 km不同容量的輸電系統(tǒng)LCC如圖（5—7）所示，其中120 km的LCC計(jì)算結(jié)果如表3所示。

圖5 70 km不同容量下各輸電系統(tǒng)的LCC

可以看出，對(duì)于距離陸地100 km以內(nèi)的大型風(fēng)電場(chǎng)，采用交流輸電仍然較為經(jīng)濟(jì)，且隨著容量上升優(yōu)勢(shì)更為明顯；但是超過(guò)110 km之后，交流輸電在可靠性、變電站造價(jià)低等方面的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)不足以彌補(bǔ)運(yùn)行成本、輸電線路成本等方面的劣勢(shì)，更適合采用直流輸電。在2種直流輸電中，傳統(tǒng)直流輸電適合于大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)，而柔性直流輸電對(duì)于容量小的風(fēng)電場(chǎng)更經(jīng)濟(jì)，但是隨著距離的增加，柔性直流輸電的優(yōu)勢(shì)會(huì)逐步增大。

圖6 120 km不同容量下各輸電系統(tǒng)的LCC

圖7 150 km不同容量下各輸電系統(tǒng)的LCC

表3不同容量下各輸電系統(tǒng)的LCC比較 M

根據(jù)120 km時(shí)的LCC計(jì)算結(jié)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(shí)占到75%以上，而800 MW時(shí)只占到不到40%，運(yùn)行成本和故障成本的影響越來(lái)越大，這是規(guī)劃大型海上風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)當(dāng)注意的一個(gè)問(wèn)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(duì)于不同的海上風(fēng)電場(chǎng)，適宜采用的輸電方式，如圖8所示。

圖8不同輸電系統(tǒng)的適用范圍

（1）HVAC系統(tǒng)適合短距離、大容量的海上風(fēng)電場(chǎng)。對(duì)于30 km以內(nèi)的近海風(fēng)電場(chǎng)均采用HVAC較為合適，30 km至100 km根據(jù)裝機(jī)容量的大小來(lái)選擇，對(duì)500 MW以上的大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)仍建議采用HVAC。（2）PCC-HVDC系統(tǒng)適合于中遠(yuǎn)距離、大容量的海上風(fēng)電場(chǎng)。對(duì)于100 km以上超過(guò)800 MW的超大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)其優(yōu)勢(shì)較為明顯。（3）VSC-HVDC系統(tǒng)適合遠(yuǎn)距離、中小容量的海上風(fēng)電場(chǎng)，距離越遠(yuǎn)其優(yōu)勢(shì)越明顯，適宜的傳輸容量范圍越大。

HVAC的經(jīng)濟(jì)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(huì)加重諧波的污染，其能否確保風(fēng)電穩(wěn)定可靠的接入是經(jīng)濟(jì)性提高的主要方面；目前而VSC-HVDC由于在風(fēng)電并網(wǎng)方面的優(yōu)勢(shì)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看VSC-HVDC的適用范圍會(huì)越來(lái)越大，其經(jīng)濟(jì)性的提高有待于技術(shù)逐步成熟和器件價(jià)格的下降，以使換流站的造價(jià)和損耗能夠進(jìn)一步降低。

5結(jié)束語(yǔ)

構(gòu)建了海上風(fēng)電輸電系統(tǒng)的LCC成本模型，并根據(jù)海上風(fēng)電接入的3種不同輸電方式的技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)不同距離、不同容量的海上風(fēng)電場(chǎng)輸電系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，得出以下結(jié)論：（1）不同輸電方式的經(jīng)濟(jì)性隨著傳輸距離和傳輸容量的不同而變化，HVAC系統(tǒng)適合短距離、大容量的海上風(fēng)電場(chǎng)，PCC-HVDC輸電系統(tǒng)適合于中遠(yuǎn)距離、大容量的海上風(fēng)電場(chǎng)，

VSC-HVDC系統(tǒng)適合遠(yuǎn)距離、中小容量的海上風(fēng)電場(chǎng)；（2）由LCC比較結(jié)果可以看出，初始投入成本最優(yōu)或損耗最低的方案在全壽命周期內(nèi)未必是最優(yōu)的方案，基于LCC的評(píng)估會(huì)比傳統(tǒng)方法更科學(xué)、全面，具有較高的實(shí)用價(jià)值。隨著海上風(fēng)電的進(jìn)一步發(fā)展和輸電技術(shù)水平的提高，在投資規(guī)劃時(shí)根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際條件采用該方法評(píng)估選擇最優(yōu)的輸電方式具有很好的實(shí)踐和推廣意義。

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