海底交直流電纜輸電系統(tǒng)經(jīng)濟性比較

程斌杰，徐 政，宣耀偉，鄭新龍

(1．浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州市310027;2．國網(wǎng)浙江省電力公司舟山供電公司，浙江省舟山市316021)

0 引 言

相對于交流輸電系統(tǒng)，直流輸電系統(tǒng)線路損耗較小、可控性高，同時適合跨越長距離水體以及非同步聯(lián)網(wǎng)［1］，因此在技術(shù)上直流輸電系統(tǒng)較傳統(tǒng)的交流輸電系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢。但是輸電方式的選擇最終取決于技術(shù)性和經(jīng)濟性2個方面，盡管直流輸電系統(tǒng)技術(shù)上具有優(yōu)勢，但是由于經(jīng)濟性的原因?qū)嶋H往往可能采用交流輸電系統(tǒng)。本文對海底交直流電纜輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟性進行比較。

海底交直流電纜輸電系統(tǒng)經(jīng)濟性的比較方法主要有現(xiàn)金流折現(xiàn)模型(discounted cash flow，DCF)［2］和計算能量傳輸成本［3］2 種?，F(xiàn)金流折現(xiàn)模型主要思想是將未來的現(xiàn)金流量折合成現(xiàn)值，而計算能量傳輸成本即計算傳輸單位能量所需的成本，這2 種方法均可用于經(jīng)濟性比較。本文使用現(xiàn)金流折現(xiàn)模型。

本文以海底電纜連接海上風(fēng)電場和內(nèi)陸電網(wǎng)為基本模型，以現(xiàn)有造價為基礎(chǔ)，比較以直流方式和交流方式進行輸電時兩者的費用成本，給出了在不同輸電距離下交流海纜輸電系統(tǒng)和直流海纜輸電系統(tǒng)的比較結(jié)果，對于實際工程中交直流輸電的選擇具有指導(dǎo)意義。

1 交直流海纜輸電系統(tǒng)成本組成

交直流海纜輸電系統(tǒng)成本主要包括設(shè)備投資成本、維護成本和損耗費用。

1.1 設(shè)備投資成本

交直流海纜輸電系統(tǒng)設(shè)備投資成本各部分組成如圖1 所示。

圖1 交直流輸電系統(tǒng)設(shè)備投資成本組成Fig.1 Composition of investment cost of DC/AC transmission system

相對于直流輸電系統(tǒng)，交流輸電系統(tǒng)設(shè)備投資成本中多了無功功率補償成本這一項，無功功率補償主要包括并聯(lián)電抗器組的成本。

1.2 維護成本

維護成本多以年維護成本占總投資成本(不包括內(nèi)陸土地使用成本和海上平臺成本)百分比或者生命周期內(nèi)維護成本占總投資成本百分比的形式給出。

如果交流輸電系統(tǒng)生命周期內(nèi)維護成本占總投資成本百分比P 為已知數(shù)據(jù)，則交流輸電系統(tǒng)年維護成本占總投資成本百分比A 為

式中:i 為年利率;n 為生命周期。

1.3 損耗費用

對于直流海纜輸電系統(tǒng)，損耗費用包括換流站損耗和線路損耗。換流站損耗通常由換流站損耗率給出，即換流站損耗能量占傳輸能量的百分比。而線路損耗可由式(2)計算得到:

式中:P 為輸送功率;UDC為正負極電壓差;R 為單位長度直流電阻;L 為線路長度。

對于交流海纜輸電系統(tǒng)，損耗費用包括變電站損耗和線路損耗。類似的，變電站損耗由變電站損耗率給出，線路損耗則要通過計算得到。交流電纜銅導(dǎo)體流過電流可由式(3)近似計算得到:

式中:P 為輸送功率;Ucable為交流線電壓;cosφ 近似取0.95。

同時，又有:

式中:ΔUC、IC、ΔUS、IS、ΔUA、IA分別為銅芯、護套和鎧裝層的兩端電壓和電流;Z1～Z9為電纜線路參數(shù)矩陣。

由于護套兩端接地，鎧裝層與海水接觸接地，所以ΔUS=ΔUA=0，而IC=Icable已求得，通過矩陣運算，就可以求得IS和IA的值，從而求得銅芯、護套和鎧裝層的損耗大小。

2 交直流海纜系統(tǒng)模型

本文經(jīng)濟性比較的交直流海纜輸電系統(tǒng)輸送功率為300 MW，電網(wǎng)要求的功率因數(shù)為0.95(滯后)～0.95(超前)［4］，電網(wǎng)頻率50 Hz，輸電年小時數(shù)為6 000 h。分別比較輸電距離為25，50 和75 km 時交直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

實際情況中，輸電線路會存在輕載等情況，特別對于風(fēng)電場，此時需要得到各個額定功率百分比與之對應(yīng)的年小時數(shù)。本文為了簡化計算，假定輸電線路以額定功率(300 MW)送電。

2.1 交流海纜輸電系統(tǒng)

風(fēng)電場電壓等級為33 kV，線路電壓等級為220 kV，電網(wǎng)電壓等級為220 kV。送端變電站變比為33∶220，而受端無需變電站。

220 kV 海底電纜輸電線路采用銅芯截面積為1 200 mm2，額定電壓為220 kV 的海底(光電復(fù)合)單芯電纜(單層間隔無磁合金絲鎧裝)，其設(shè)計功率為427 MVA，電容為0.179 μF/km，20 ℃導(dǎo)體的最大直流電阻為0.015 1 Ω/km，90 ℃導(dǎo)體的最大交流電阻為0.02 Ω/km。海纜并行排列，每根電纜之間相距50 m，深1 m。

電纜線路電容較大，輸電過程中會產(chǎn)生大量無功功率，需要進行補償。通過計算，不同距離下海纜線路在輸送額定功率(300 MW)和輕載(50 MW)時分別產(chǎn)生的無功功率如表1 所示。

表1 電纜線路無功功率Table 1 Reactive power of cable line Mvar

對海底電纜送受端兩端采用可投切的并聯(lián)電抗器組進行集中補償，考慮輕載時線路產(chǎn)生的無功功率，兩端并聯(lián)電抗器組的容量如表1 所示。

2.2 直流海纜輸電系統(tǒng)

風(fēng)電場電壓等級為33 kV，線路電壓等級為±200 kV，電網(wǎng)電壓等級為220 kV。

采用正負極雙回線路送電，直流海纜線路采用截面積為500 mm2的XLPE 絕緣直流海纜(DC200 kV YJQ41 1 ×500 +2 ×12(芯光纜)直流海底電纜)，設(shè)計功率為324 MW;直流電阻為0.036 6 Ω/km，電容為0.169 μF/km;并行排列，相距150 m，深1 m。

3 經(jīng)濟性比較

3.1 設(shè)備投資成本

分別對直流海纜輸電系統(tǒng)和交流海纜輸電系統(tǒng)設(shè)備投資成本進行考察。

3.1.1 直流海纜輸電系統(tǒng)

對于換流站成本，目前國內(nèi)的數(shù)據(jù)是750 MW 的換流站成本是15 億元，即單位容量的換流站成本是200萬元/MW。以此單位容量成本計算，2個300 MW的換流站成本為120 000萬元。

海纜的敷設(shè)成本主要從海纜過駁、掃海和沖槽敷設(shè)3個方面考慮。大連市杏廣線66 kV 新建工程［5］海纜的敷設(shè)費用大約為30萬元/km，本文在計算交流系統(tǒng)敷設(shè)成本時仍然采用該數(shù)據(jù)。因此各距離海纜敷設(shè)成本為:

海纜敷設(shè)成本25km=1 500萬元

海纜敷設(shè)成本50km=3 000萬元

海纜敷設(shè)成本75km=4 500萬元

②建立主管部門牽頭、有關(guān)部門參加的聯(lián)席會議制度，定期分析會商水環(huán)境監(jiān)管情況，建立統(tǒng)一、高效、協(xié)調(diào)的監(jiān)管機制。

根據(jù)寧波東方電纜廠提供的數(shù)據(jù)，截面積為500 mm2的XLPE 絕緣直流海纜(DC200 kV YJQ41 1×500+2×12(芯光纜)直流海底電纜)的價格為0.107 7萬元/m。因此各輸電距離下海纜線路成本為:

海纜線路成本25km=5 385萬元

海纜線路成本50km=10 770萬元

海纜線路成本75km=16 155萬元

直流海纜輸電系統(tǒng)還包括內(nèi)陸土地使用成本和海上平臺成本。內(nèi)陸土地使用成本與拆遷、地區(qū)土地價格等因素相關(guān)，而海上平臺成本與土質(zhì)、地理狀況等因素關(guān)聯(lián)，因此兩者隨不同工程差異較大，無法給出確定的成本，本文忽略該成本因素。

各輸電距離直流海纜輸電系統(tǒng)設(shè)備投資成本如表2 所示。

表2 直流海纜輸電系統(tǒng)設(shè)備投資成本Table 2 Investment costs of DC submarine transmission system Million

3.1.2 交流海纜輸電系統(tǒng)

對于變電站成本，不同工程造價有差異，這里參考電力規(guī)劃設(shè)計總院編寫的《電網(wǎng)工程限額設(shè)計控制指標》［6］，選取典型工程成本作為變電站成本。“220 kV 平里變電工程(山東萊州)”的造價為434 680元/(MVA)，“220 kV 商務(wù)(鹿城)變電工程(浙江)”的造價為434 620元/(MVA)，因此變電站的平均成本為434 650元/(MVA)。送端300 MW的變電站，當(dāng)功率因數(shù)為0.95 時，視在功率為316 MVA，所以成本為13 735萬元。

單位長度電纜敷設(shè)成本與直流海纜輸電系統(tǒng)相同，有:

電纜敷設(shè)成本25km=2 250萬元

電纜敷設(shè)成本50km=4 500萬元

電纜敷設(shè)成本75km=6 750萬元

對于并聯(lián)電抗器組成本，查閱文獻，并聯(lián)電抗器組成本為8萬元/Mvar［2］，因此參照表1，各電纜輸電距離下并聯(lián)電抗器組的成本如下:

并聯(lián)電抗器組成本25km=560萬元

并聯(lián)電抗器組成本50km=1 120萬元

并聯(lián)電抗器組成本75km=1 680萬元

交流電纜采用寧波東方電纜廠提供的價格，銅芯截面積為1 200 mm2，額定電壓為220 kV 的海底(光電復(fù)合)單芯電纜(單層間隔無磁合金絲鎧裝)的成本為0.373 2萬元/m，各距離電纜成本如下:

電纜線路成本25km=27 990萬元

電纜線路成本50km=55 980萬元

電纜線路成本75km=83 970萬元

同樣不考慮內(nèi)陸土地使用成本和海上平臺成本，各輸電距離下交流海纜輸電系統(tǒng)設(shè)備投資成本如表3 所示。

表3 交流海纜輸電系統(tǒng)設(shè)備投資成本Table 3 Investment costs of AC submarine transmission system

25/50/75 km 交直流海纜輸電系統(tǒng)設(shè)備成本比較如表4 所示。

3.2 維護成本

直流海纜輸電系統(tǒng)年維護成本占總投資成本百分比為0.5%，交流海纜輸電系統(tǒng)年維護成本占總投資成本百分比為1.2%［2］。其中系統(tǒng)生命周期為20 a，年利率為5%。所以25/50/75 km 時交直流系統(tǒng)年維護成本如表5 所示。

表4 交直流海纜輸電系統(tǒng)設(shè)備成本比較Table 4 Investment cost comparison of AC/DC submarine transmission system

表5 交直流海纜輸電系統(tǒng)年維護成本比較Table 5 Annual maintenance cost comparison of AC/DC submarine transmission system

3.3 損耗費用

電 價 采 用0.61元/(kW · h)，即0.061萬元/ (MW·h)。

3.3.1 直流海纜輸電系統(tǒng)

直流海纜輸電系統(tǒng)損耗包括換流站損耗和直流線路損耗。

對于換流站損耗率(%)，文獻［7］中提到兩端換流站損耗為1.6% ～2.4%，文獻［8］中提到兩端換流站損耗為1% ～2%，綜合考慮，這里取換流站損耗為

因此，2個換流站年損耗費用為

300 ×1.75% ×6 000 ×0.061萬元=1 922萬元

根據(jù)Ploss=(P/UDC)2×R×2L，線路損耗費用為

Costloss25km=(300/400)2×0.036 6 ×

2 ×25 ×6 000 ×0.061萬元=377萬元

同 理，Costloss50km= 754萬元，Costloss75km=1 130萬元。

直流海纜輸電系統(tǒng)損耗費用如表6 所示。

表6 直流海纜輸電系統(tǒng)年損耗費用Table 6 Annual loss costs of DC submarine transmission system

3.3.2 交流海纜輸電系統(tǒng)

交流海纜輸電系統(tǒng)損耗包括變電站損耗和交流線路損耗。2個變電站損耗率為0.8%［2］，因此:

變電站年損耗費用=300 ×0.8% /2 ×6 000 ×0.061萬元=439萬元

對于交流線路損耗，這里采用導(dǎo)體損耗加上護套和鎧裝層損耗的計算方式。銅芯中流過電流大小約為

所以，PlossCu25km=1.03 MW，PlossCu50km=2.06 MW，PlossCu75km=3.09 MW。

通過計算，將電纜的結(jié)構(gòu)參數(shù)轉(zhuǎn)化為電氣參數(shù)，得到式(4)中的參數(shù)矩陣Z1～Z9。式(4)中的IC已知，ΔUS=ΔUA=0。未知數(shù)個數(shù)等于方程個數(shù)，該方程有解，可以求得ΔUC、IS和IA。

求解式(4)得

由Matlab 計算，得到護套感應(yīng)電流和鎧裝層感應(yīng)電流分別為

由于將電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)轉(zhuǎn)化為電氣參數(shù)過程中沒有考慮電纜的循環(huán)換位，所以計算得到的護套和鎧裝層感應(yīng)電流稍大。

通過計算，護套電阻為0.210 Ω/km，鎧裝層電阻為0.301 Ω/km，根據(jù)P =I2R，得到各輸電距離護套層和鎧裝層損耗如表7 所示。

表7 各輸電距離護套和鎧裝層損耗Table 7 Losses of sheath and armor in different distances

年運行小時數(shù)6 000 h，電價0.061萬元/(MW·h)，交流系統(tǒng)年損耗費用如表8 所示。

3.4 交直流系統(tǒng)成本比較

海底交直流電纜輸電系統(tǒng)經(jīng)濟性比較采用現(xiàn)金流折現(xiàn)法，即把所有成本折算到現(xiàn)值再進行比較，這里不考慮稅收的影響。年值折算到現(xiàn)值的公式為

表8 交流海纜輸電系統(tǒng)年損耗費用Table 8 Annual loss costs of AC submarine transmission system

交直流海纜輸電系統(tǒng)年成本總和(即年維護成本+年損耗費用)如表9 所示。

表9 交直流海纜輸電系統(tǒng)年成本Table 9 Annual costs of AC/DC submarine transmission system

根據(jù)年值折算到現(xiàn)值的公式(5)，交直流海纜輸電系統(tǒng)年成本現(xiàn)值如表10 所示。

表10 交直流海纜輸電系統(tǒng)年成本現(xiàn)值Table 10 Present value of annual costs of AC/DC submarine transmission system

結(jié)合表4(設(shè)備投資成本)和表10(維護成本和損耗費用)，得到交直流海纜輸電系統(tǒng)的總成本比較(現(xiàn)值)，如表11 所示。

表11 交直流海纜輸電系統(tǒng)總成本比較Table 11 Total cost comparison of AC/DC submarine transmission system

將25/50/75 km 距離下的交直流海纜輸電系統(tǒng)成本制成坐標圖進行比較，其中橫軸為輸電距離，縱軸為成本值，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 交直流海纜輸電系統(tǒng)成本比較圖Fig.2 Cost comparison of AC/DC submarine transmission system

從比較結(jié)果可以看出，對于該輸電工程，當(dāng)輸電距離較短時，交流海纜輸電系統(tǒng)成本低于直流海纜輸電系統(tǒng);當(dāng)輸電距離高于臨界值時，直流海纜輸電系統(tǒng)成本低于交流海纜輸電系統(tǒng)。其臨界值大約為57 km。

對于輸電距離為50 km 的直流海纜輸電系統(tǒng)和交流海纜輸電系統(tǒng)，成本各部分構(gòu)成如表12 所示。

直流海纜輸電系統(tǒng)和交流海纜輸電系統(tǒng)各部分成本構(gòu)成柱形圖分別如圖3 和圖4 所示。

交直流海纜輸電系統(tǒng)各部分成本比較如圖5 所示。

表12 交直流海纜輸電系統(tǒng)成本構(gòu)成Table 12 Cost composition of AC/DC submarine transmission system 萬元

圖3 直流海纜輸電系統(tǒng)各部分成本構(gòu)成柱形圖Fig.3 Cost composition of DC submarine transmission system

圖4 交流海纜輸電系統(tǒng)各部分成本構(gòu)成柱形圖Fig.4 Cost composition of AC submarine transmission system

從成本構(gòu)成柱形圖可以看出，對于直流海纜輸電系統(tǒng)，成本主要集中在換流站成本上，并占絕大部分。此外換流站損耗費用相對較高，而電纜線路成本較低。

對于交流海纜輸電系統(tǒng)，變電站成本不高，而電纜線路成本很高，此外線路損耗費用同樣很高，同時交流系統(tǒng)多了并聯(lián)電抗器組無功補償設(shè)備的成本，而直流系統(tǒng)不包括這部分。

圖5 交直流海纜輸電系統(tǒng)各部分成本比較Fig.5 Cost comparison of AC/DC submarine transmission system

通過比較交直流海纜輸電系統(tǒng)的成本，可以看出換流站成本遠高于變電站，換流站損耗費用也要高于變電站的損耗費用，交流系統(tǒng)電纜成本較直流電纜成本高，且交流系統(tǒng)線路損耗費用也要高于直流系統(tǒng)線路損耗費用。所以當(dāng)線路距離較短時，由于換流站成本較高，直流海纜輸電系統(tǒng)的成本高于交流海纜輸電系統(tǒng)，但隨著線路距離的增大，直流海纜輸電系統(tǒng)線路成本低的優(yōu)勢以及線路損耗費用少的優(yōu)勢逐漸體現(xiàn)出來。當(dāng)線路距離超過某一個臨界值后(該距離約為57 km)，直流海纜輸電系統(tǒng)相對于交流海纜輸電系統(tǒng)更具有經(jīng)濟性。

4 結(jié) 論

本文給出了海底交直流電纜輸電系統(tǒng)經(jīng)濟性比較方法，從設(shè)備投資成本、維護成本和損耗費用3個方面對海底交直流電纜輸電系統(tǒng)的成本進行了計算，在不同輸電距離下對交流海纜輸電系統(tǒng)和直流海纜輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟性進行了比較。研究表明:直流海纜輸電系統(tǒng)的換流站成本在總成本中占很大比例，交流海纜輸電系統(tǒng)的電纜成本和損耗費用較高。當(dāng)輸電距離較短時，交流海纜輸電系統(tǒng)總成本低，而當(dāng)輸電距離超越臨界值時，直流海纜輸電系統(tǒng)更具有經(jīng)濟性。海底交直流電纜輸電系統(tǒng)經(jīng)濟性比較對于實際工程中海底電纜交直流輸電方式的選擇具有參考意義。

［1］浙江大學(xué)發(fā)電教研組直流輸電科研組．直流輸電［M］． 北京:水利電力出版社，1985．

［2］Eeckhout B V． The economic value of VSC HVDC compared to HVAC for offshore wind farms［D］． Katholieke Universiteit Leuven，2008．

［3］Lazaridis L P． Economic comparison of HVAC and HVDC solutions for large offshore wind farms under special consideration of reliability［D］． Royal Institute of Technolgoy，2005．

［4］Chondrogiannis S，Barnes M，Atent M． Modeling and GB grid code compliance studies of offshore wind farms with doubly-fed induction generators［D］． University of Manchester，School of Electrical and Electronic Engineering．

［5］孫興哲，張立獻． 海纜敷設(shè)工程中的定額分析［J］． 電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(2):116-122．

［6］電力規(guī)劃設(shè)計總院． 電網(wǎng)工程限額設(shè)計控制指標(2011年水平)［M］．北京:中國電力出版社，2012．

［7］羅振平．對直流輸電線路線損的分析和建議［J］． 電力建設(shè)，2005，26(11):35-40．

［8］徐政，李普明，黃瑩，等． 換流變壓器短路阻抗與換流站損耗的關(guān)系［J］． 高科技與產(chǎn)業(yè)化，2009(6):78-81．