海上風(fēng)電場組網(wǎng)方式的評估

王逍祎

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012)

隨著全球資源短缺和環(huán)境污染等一系列問題的出現(xiàn)，世界各國已開始加大對風(fēng)能的開發(fā)與利用［1～2］．近年來，陸上風(fēng)電開發(fā)已取得很大成就且接近飽和，海上風(fēng)能資源仍舊豐富．因此，海上風(fēng)力發(fā)電正在受到更多的關(guān)注［3～4］．

目前海上風(fēng)電工程已經(jīng)進入大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展階段，歐洲一些發(fā)達國家的海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展時期:德國在2015年海上風(fēng)機容量達到300萬kW，預(yù)計在2020年達到1500萬kW;英國目前總裝機容量超過100萬kW，并預(yù)計在2030年時達到3900萬kW的發(fā)展目標(biāo)［5］．我國近幾年發(fā)展速度也較快，根據(jù)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)監(jiān)測體系，截至2015年底，我國海上風(fēng)電累計裝機容量接近500萬kW，并計劃在2020年累計裝機容量將達到3000萬kW［6］．

海上風(fēng)電帶來高收益的同時，也給電力系統(tǒng)帶來巨大挑戰(zhàn)，隨著海上風(fēng)電的規(guī)模逐步變大，組網(wǎng)項目的投資成本和電能損耗成為制約其發(fā)展的主要因素．為了突破瓶頸尋求最優(yōu)的組網(wǎng)方式，國內(nèi)外學(xué)者對此展開研究．文獻［7］對海上風(fēng)電場內(nèi)部電氣系統(tǒng)現(xiàn)有的不同布局方案針對投資成本和故障機會成本等幾個重要參數(shù)進行經(jīng)濟性評估;文獻［8］結(jié)合東海大橋海上風(fēng)電場實例，討論其內(nèi)部不同的接線方案并分析與之關(guān)聯(lián)的有功損耗、投資成本等運行指標(biāo);文獻［9～10］總結(jié)了高壓交流輸電(HVAC)、傳統(tǒng)直流輸電(LCC－HVDC)和柔性直流輸電(VSC－HVDC)的優(yōu)缺點，研究三種輸電方式在不同規(guī)模風(fēng)電場下的損耗所占電能的百分比，提出兩種或三種輸電方式組合在一起新的并網(wǎng)方案．

對于一個既定的海上風(fēng)電組網(wǎng)工程，包括收集風(fēng)能的集電方式與傳輸風(fēng)能的輸電方式．選擇最優(yōu)方式的目的是將風(fēng)電場發(fā)出的電能最大化地送入陸上電網(wǎng)，并將投資成本降到最低．因此本文圍繞現(xiàn)有的集電方式與輸電方式在不同容量與輸送距離情況下進行比較評估，最后通過分析計算給出最優(yōu)的組網(wǎng)方式．

1 海上風(fēng)電場集電方式評估

1.1 集電方式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)的作用是將海上風(fēng)電機組發(fā)出的電能，通過一定的連接規(guī)則，匯集至匯流母線．不同的集電方式會直接影響風(fēng)電場的投資成本以及輸出功率的損耗．集電方式通常分為鏈形、環(huán)形和星形．其中環(huán)形又分為單邊環(huán)形、雙邊環(huán)形和復(fù)合環(huán)形，關(guān)注度較高的是鏈形和三種環(huán)形連接［11］．圖1為四種集電方式結(jié)構(gòu)圖．

圖1 四種集電方式結(jié)構(gòu)圖

鏈形作為基本的連接方式，將若干個風(fēng)機組成一串連接至同一條海底電纜，整個集電系統(tǒng)的電能由多條海底電纜輸送至匯流母線．其余三種環(huán)形連接均在鏈形基礎(chǔ)上增加冗余電纜，將輻射形狀拓?fù)涑森h(huán)形網(wǎng)絡(luò)［12］．三種環(huán)形差別較小，單邊環(huán)形在各串末端處增加冗余電纜，將末端風(fēng)機接回至匯流母線，雙邊環(huán)形在相鄰兩串的末端風(fēng)機間增加冗余電纜，復(fù)合環(huán)形為單邊與雙邊結(jié)合的連接方式．

1.2 集電方式有功損耗評估

集電方式的有功損耗主要在于風(fēng)電場內(nèi)部的海底集電電纜，不同集電方式所需的電纜長度不同，因此各方式的有功損耗存在差異．為了對各集電方式的有功損耗進行評估，將海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)電壓等級定為35 kV，集電電纜選為三芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜(35 kV，300 mm2)，電纜電阻、電導(dǎo)分別為0．049 Ω/km、3*10－5S/km，單臺風(fēng)機額定容量為5 MW，風(fēng)機機端為690 V，各臺風(fēng)機均經(jīng)過0．69/35 kV變壓器接入35 kV集電系統(tǒng)(未在圖中顯示)，變壓器阻抗為j6*10－3Ω，每串風(fēng)機數(shù)量為10臺，相鄰風(fēng)機之間與相鄰串之間的電纜均為單位長度1 km．使用PSASP軟件搭建如圖1－圖4所示各集電方式的模型，并加入上述參數(shù)通過仿真計算得出各方式在風(fēng)電場不同容量下的有功損耗如表1所示．所用電氣設(shè)備參數(shù)價格均源于英國電網(wǎng)公司與ABB公司．

表1 風(fēng)電場采用不同集電方式的有功損耗

由表1看出，隨著風(fēng)電場容量的增加，單邊環(huán)形的功率損耗最低，其次為雙邊環(huán)形和復(fù)合環(huán)形，損耗最高的為鏈形連接，四種集電方式在不同風(fēng)電場條件下的輸出功率損耗均不超過風(fēng)電場額定容量的1%，各集電方式的損耗比較接近．

1.3 集電方式投資成本評估

海上風(fēng)電組網(wǎng)項目的投資成本主要包括電氣設(shè)備成本費用與設(shè)備安裝維護費用，由于目前安裝維護費用沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此本文涉及的投資成本均只考慮各自所需電氣設(shè)備的成本費用．不同集電方式所需電氣設(shè)備的差別主要在于集電電纜長度不同及開關(guān)設(shè)備數(shù)量不同，為了突出在不同容量下各集電方式的經(jīng)濟差別，僅就這二者對四種集電方式的成本進行評估．即

式中:Ccs為集電方式投資成本;Ccsca為集電電纜成本;Csw為開關(guān)設(shè)備成本．

為了對四種集電方式的投資成本進行比較評估，將單臺風(fēng)電機額定容量定為5 MW，每串風(fēng)機數(shù)量定為10臺，相鄰風(fēng)機間距與相鄰串間隔均定為1 km．鏈形連接采取的是傳統(tǒng)開關(guān)配置方案:開關(guān)設(shè)備安裝在集電電纜接入?yún)R流母線入口處;三種環(huán)形連接采取的是完全開關(guān)配置方案:風(fēng)機之間均安裝開關(guān)設(shè)備．各集電方式均采用三芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜(35 kV、300 mm2)，價格約為 0．53 ￡m/km，35 kV 開關(guān)設(shè)備價格約為0．08￡m/unit，根據(jù)式(1)得出各集電方式的投資成本對比情況如圖2．

由圖2所示，在風(fēng)電場容量擴大的同時，鏈形投資成本增加的速率與其余三種環(huán)形相比較慢，且處于最低，原因是環(huán)形連接較鏈形需要較多的開關(guān)設(shè)備及冗余電纜．環(huán)形連接雖然增加集電系統(tǒng)的可靠性，但同時也加劇了投資成本．目前在海上風(fēng)電組網(wǎng)項目實施的制約條件中，經(jīng)濟因素仍占主導(dǎo)地位，因此結(jié)合有功損耗和投資成本來看，現(xiàn)階段鏈形連接是最優(yōu)的集電方式．

圖2 四種集電系統(tǒng)投資成本與風(fēng)電場容量的關(guān)系

2 海上風(fēng)電場輸電方式評估

2.1 輸電方式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

海上風(fēng)電場離岸距離通常在10 km及以外的海域，需要采取輸電方式將風(fēng)電場發(fā)出的電能送至陸上電網(wǎng)［13］．目前主要有HVAC和VSC－HVDC兩種輸電方式，傳統(tǒng)的HVAC輸電技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟，有較優(yōu)的運行操作經(jīng)驗，VSC－HVDC是一種基于電力電子技術(shù)的新型輸電技術(shù)，具有隔絕兩端故障，且能獨立控制有功和無功功率等優(yōu)點［14］．兩種輸電方式結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3、圖4所示．

圖3 HVAC輸電方式

圖4 VSC－HVDC輸電方式

2.2 輸電方式有功損耗評估

HVAC輸電方式的有功損耗主要在于海底交流電纜，未來海上輸電距離將會進一步擴大，長距離的輸電線路必須考慮線路的分布參數(shù)等特性，與集電系統(tǒng)內(nèi)部短電纜不同的是，HVAC采用的長距離海底交流傳輸電纜需將電纜的總電阻、電抗、電導(dǎo)和電納分別乘以適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)進行修正，修正系數(shù)如下:

式中:kr、kx、kg、kb分別為電阻、電抗、電導(dǎo)和電納的修正系數(shù);r、x、g、b 分別為單位長度的電阻、電抗、電導(dǎo)和電納;l為線路的長度．

VSC－HVDC輸電方式的有功損耗主要在于VSC換流站和海底直流電纜，換流站中的損耗包括電壓源換流器損耗、聯(lián)結(jié)變壓器損耗、濾波器損耗、電抗器損耗等［15］，分步計算難度較大，通常認(rèn)為整個換流站的有功損耗與額定功率成正比，目前比例系數(shù)最低可以降至 1．6%［16］．與交流電纜相比，直流電纜的損耗比較單一，主要是由其中電阻造成，其余雜散損耗均較小，可以忽略．

為了評估在海上風(fēng)電場不同容量下的兩種輸電方式有功損耗情況，將HVAC輸電系統(tǒng)電壓等級定為220 kV，VSC－HVDC輸電系統(tǒng)電壓等級定為±200 kV，變壓器阻抗為0．788+j27．39Ω，各輸電方式采用的電纜均為三芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜，其參數(shù)如表2，并指出電纜在通常情況不易發(fā)生電暈，可假設(shè)電導(dǎo)為0．使用PSASP軟件搭建如圖3、圖4的模型，將表2各電纜參數(shù)根據(jù)式(2)修正后加入模型中，通過仿真計算給出二者的有功損耗情況如圖5．

由圖5可知，當(dāng)風(fēng)電場容量低于200 MW時，HVAC在輸電距離300 km以內(nèi)的損耗均較低，VSCHVDC只有在更遠(yuǎn)的輸電距離中才有優(yōu)勢;當(dāng)風(fēng)電場容量超過200 MW時，兩種輸電方式有功損耗臨界距離隨著容量增加而減小，在大容量下VSC－HVDC短距離輸電損耗低的優(yōu)勢更明顯．

2.3 輸電方式投資成本評估

對于HVAC采用的海底交流電纜，其成本價格較高且含有較大充電電容，遠(yuǎn)距離傳輸電能過程中將產(chǎn)生大量容性無功功率，當(dāng)無功嚴(yán)重增多時，需要在線路裝無功補償裝置［17］．VSC－HVDC輸電方式所用海底直流電纜成本較低且不存在較大電容，不會出現(xiàn)容性無功激增的現(xiàn)象，但VSC－HVDC系統(tǒng)通常需要2根直流電纜傳輸電能［18］，并且其所特有的VSC換流站價格同樣昂貴．另外兩種輸電方式均需在海上為其電氣設(shè)備搭建平臺，同樣增加了其投資成本．

二者的投資成本為所需電氣設(shè)備的成本價格之和，即

表2 各輸電方式輸送不同容量采用的電纜參數(shù)

圖5 兩種輸電方式的有功損耗臨界曲線

式中:Cacts、Cdcts分別為HVAC和VSC － HVDC輸電系統(tǒng)的總投資成本;Cacca、Cdcca、Ct、Ctp、Crpc、Ccon、Cconp分別為交流電纜、直流電纜、變壓器、變壓器平臺、無功補償裝置、VSC換流站、換流站平臺的成本價格．選取風(fēng)電場額定容量分別為100 MW、200 MW和300 MW，各輸電方式在三種規(guī)模下所需電氣設(shè)備的型號和單價如表3，由式(3)得出不同容量下兩種輸電方式的投資成本如圖6．

表3 三種規(guī)模下各輸電方式所需電氣設(shè)備型號與單價

由圖6看出，100 MW容量下二者的經(jīng)濟臨界距離約為210 km，200 MW容量下二者的經(jīng)濟臨界距離約為170 km，300 MW容量下二者的經(jīng)濟臨界距離約為140 km，隨著海上風(fēng)電場容量增加，二者的經(jīng)濟臨界距離逐漸縮小．對于上述3種容量的風(fēng)電場，HVAC輸電方式均采用1根交流電纜輸電，當(dāng)容量超過300 MW時，由于交流電纜存在載流量限制的問題，將需要2根或多根電纜同時輸送電能，使HVAC系統(tǒng)的成本將會進一步增大，二者的經(jīng)濟臨界距離會以更快的速度縮減［19］．

圖6 不同容量下兩種輸電方式投資成本與輸電距離的關(guān)系

3 結(jié) 論

對現(xiàn)有的風(fēng)電場集電方式而言，鏈形集電方式優(yōu)于各環(huán)形集電方式．當(dāng)風(fēng)電場容量處于200MW－250 MW之間，輸電距離約為130 km～150 km時，HVAC與VSC－HVDC兩種輸電方式的有功損耗與投資成本基本相同，低于臨界值時，采用HVAC更為合適，高于臨界值時，采用VSC－HVDC的優(yōu)勢更加明顯，因此HVAC適合于小容量近距離的并網(wǎng)，VSC－HVDC適合大容量遠(yuǎn)距離的并網(wǎng)．

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