海上风电场组网方式的评估

王逍祎

(东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012)

随着全球资源短缺和环境污染等一系列问题的出现，世界各国已开始加大对风能的开发与利用［1～2］．近年来，陆上风电开发已取得很大成就且接近饱和，海上风能资源仍旧丰富．因此，海上风力发电正在受到更多的关注［3～4］．

目前海上风电工程已经进入大规模商业化发展阶段，欧洲一些发达国家的海上风电产业正处于高速发展时期:德国在2015年海上风机容量达到300万kW，预计在2020年达到1500万kW;英国目前总装机容量超过100万kW，并预计在2030年时达到3900万kW的发展目标［5］．我国近几年发展速度也较快，根据海上风电产业监测体系，截至2015年底，我国海上风电累计装机容量接近500万kW，并计划在2020年累计装机容量将达到3000万kW［6］．

海上风电带来高收益的同时，也给电力系统带来巨大挑战，随着海上风电的规模逐步变大，组网项目的投资成本和电能损耗成为制约其发展的主要因素．为了突破瓶颈寻求最优的组网方式，国内外学者对此展开研究．文献［7］对海上风电场内部电气系统现有的不同布局方案针对投资成本和故障机会成本等几个重要参数进行经济性评估;文献［8］结合东海大桥海上风电场实例，讨论其内部不同的接线方案并分析与之关联的有功损耗、投资成本等运行指标;文献［9～10］总结了高压交流输电(HVAC)、传统直流输电(LCC－HVDC)和柔性直流输电(VSC－HVDC)的优缺点，研究三种输电方式在不同规模风电场下的损耗所占电能的百分比，提出两种或三种输电方式组合在一起新的并网方案．

对于一个既定的海上风电组网工程，包括收集风能的集电方式与传输风能的输电方式．选择最优方式的目的是将风电场发出的电能最大化地送入陆上电网，并将投资成本降到最低．因此本文围绕现有的集电方式与输电方式在不同容量与输送距离情况下进行比较评估，最后通过分析计算给出最优的组网方式．

1 海上风电场集电方式评估

1.1 集电方式拓扑结构

海上风电场集电系统的作用是将海上风电机组发出的电能，通过一定的连接规则，汇集至汇流母线．不同的集电方式会直接影响风电场的投资成本以及输出功率的损耗．集电方式通常分为链形、环形和星形．其中环形又分为单边环形、双边环形和复合环形，关注度较高的是链形和三种环形连接［11］．图1为四种集电方式结构图．

图1 四种集电方式结构图

链形作为基本的连接方式，将若干个风机组成一串连接至同一条海底电缆，整个集电系统的电能由多条海底电缆输送至汇流母线．其余三种环形连接均在链形基础上增加冗余电缆，将辐射形状拓扑成环形网络［12］．三种环形差别较小，单边环形在各串末端处增加冗余电缆，将末端风机接回至汇流母线，双边环形在相邻两串的末端风机间增加冗余电缆，复合环形为单边与双边结合的连接方式．

1.2 集电方式有功损耗评估

集电方式的有功损耗主要在于风电场内部的海底集电电缆，不同集电方式所需的电缆长度不同，因此各方式的有功损耗存在差异．为了对各集电方式的有功损耗进行评估，将海上风电场集电系统电压等级定为35 kV，集电电缆选为三芯交联聚乙烯绝缘电缆(35 kV，300 mm2)，电缆电阻、电导分别为0．049 Ω/km、3*10－5S/km，单台风机额定容量为5 MW，风机机端为690 V，各台风机均经过0．69/35 kV变压器接入35 kV集电系统(未在图中显示)，变压器阻抗为j6*10－3Ω，每串风机数量为10台，相邻风机之间与相邻串之间的电缆均为单位长度1 km．使用PSASP软件搭建如图1－图4所示各集电方式的模型，并加入上述参数通过仿真计算得出各方式在风电场不同容量下的有功损耗如表1所示．所用电气设备参数价格均源于英国电网公司与ABB公司．

表1 风电场采用不同集电方式的有功损耗

由表1看出，随着风电场容量的增加，单边环形的功率损耗最低，其次为双边环形和复合环形，损耗最高的为链形连接，四种集电方式在不同风电场条件下的输出功率损耗均不超过风电场额定容量的1%，各集电方式的损耗比较接近．

1.3 集电方式投资成本评估

海上风电组网项目的投资成本主要包括电气设备成本费用与设备安装维护费用，由于目前安装维护费用没有统一标准，因此本文涉及的投资成本均只考虑各自所需电气设备的成本费用．不同集电方式所需电气设备的差别主要在于集电电缆长度不同及开关设备数量不同，为了突出在不同容量下各集电方式的经济差别，仅就这二者对四种集电方式的成本进行评估．即

式中:Ccs为集电方式投资成本;Ccsca为集电电缆成本;Csw为开关设备成本．

为了对四种集电方式的投资成本进行比较评估，将单台风电机额定容量定为5 MW，每串风机数量定为10台，相邻风机间距与相邻串间隔均定为1 km．链形连接采取的是传统开关配置方案:开关设备安装在集电电缆接入汇流母线入口处;三种环形连接采取的是完全开关配置方案:风机之间均安装开关设备．各集电方式均采用三芯交联聚乙烯绝缘电缆(35 kV、300 mm2)，价格约为 0．53 ￡m/km，35 kV 开关设备价格约为0．08￡m/unit，根据式(1)得出各集电方式的投资成本对比情况如图2．

由图2所示，在风电场容量扩大的同时，链形投资成本增加的速率与其余三种环形相比较慢，且处于最低，原因是环形连接较链形需要较多的开关设备及冗余电缆．环形连接虽然增加集电系统的可靠性，但同时也加剧了投资成本．目前在海上风电组网项目实施的制约条件中，经济因素仍占主导地位，因此结合有功损耗和投资成本来看，现阶段链形连接是最优的集电方式．

图2 四种集电系统投资成本与风电场容量的关系

2 海上风电场输电方式评估

2.1 输电方式拓扑结构

海上风电场离岸距离通常在10 km及以外的海域，需要采取输电方式将风电场发出的电能送至陆上电网［13］．目前主要有HVAC和VSC－HVDC两种输电方式，传统的HVAC输电技术结构简单、技术成熟，有较优的运行操作经验，VSC－HVDC是一种基于电力电子技术的新型输电技术，具有隔绝两端故障，且能独立控制有功和无功功率等优点［14］．两种输电方式结构示意图，如图3、图4所示．

图3 HVAC输电方式

图4 VSC－HVDC输电方式

2.2 输电方式有功损耗评估

HVAC输电方式的有功损耗主要在于海底交流电缆，未来海上输电距离将会进一步扩大，长距离的输电线路必须考虑线路的分布参数等特性，与集电系统内部短电缆不同的是，HVAC采用的长距离海底交流传输电缆需将电缆的总电阻、电抗、电导和电纳分别乘以适当的修正系数进行修正，修正系数如下:

式中:kr、kx、kg、kb分别为电阻、电抗、电导和电纳的修正系数;r、x、g、b 分别为单位长度的电阻、电抗、电导和电纳;l为线路的长度．

VSC－HVDC输电方式的有功损耗主要在于VSC换流站和海底直流电缆，换流站中的损耗包括电压源换流器损耗、联结变压器损耗、滤波器损耗、电抗器损耗等［15］，分步计算难度较大，通常认为整个换流站的有功损耗与额定功率成正比，目前比例系数最低可以降至 1．6%［16］．与交流电缆相比，直流电缆的损耗比较单一，主要是由其中电阻造成，其余杂散损耗均较小，可以忽略．

为了评估在海上风电场不同容量下的两种输电方式有功损耗情况，将HVAC输电系统电压等级定为220 kV，VSC－HVDC输电系统电压等级定为±200 kV，变压器阻抗为0．788+j27．39Ω，各输电方式采用的电缆均为三芯交联聚乙烯绝缘电缆，其参数如表2，并指出电缆在通常情况不易发生电晕，可假设电导为0．使用PSASP软件搭建如图3、图4的模型，将表2各电缆参数根据式(2)修正后加入模型中，通过仿真计算给出二者的有功损耗情况如图5．

由图5可知，当风电场容量低于200 MW时，HVAC在输电距离300 km以内的损耗均较低，VSCHVDC只有在更远的输电距离中才有优势;当风电场容量超过200 MW时，两种输电方式有功损耗临界距离随着容量增加而减小，在大容量下VSC－HVDC短距离输电损耗低的优势更明显．

2.3 输电方式投资成本评估

对于HVAC采用的海底交流电缆，其成本价格较高且含有较大充电电容，远距离传输电能过程中将产生大量容性无功功率，当无功严重增多时，需要在线路装无功补偿装置［17］．VSC－HVDC输电方式所用海底直流电缆成本较低且不存在较大电容，不会出现容性无功激增的现象，但VSC－HVDC系统通常需要2根直流电缆传输电能［18］，并且其所特有的VSC换流站价格同样昂贵．另外两种输电方式均需在海上为其电气设备搭建平台，同样增加了其投资成本．

二者的投资成本为所需电气设备的成本价格之和，即

表2 各输电方式输送不同容量采用的电缆参数

图5 两种输电方式的有功损耗临界曲线

式中:Cacts、Cdcts分别为HVAC和VSC － HVDC输电系统的总投资成本;Cacca、Cdcca、Ct、Ctp、Crpc、Ccon、Cconp分别为交流电缆、直流电缆、变压器、变压器平台、无功补偿装置、VSC换流站、换流站平台的成本价格．选取风电场额定容量分别为100 MW、200 MW和300 MW，各输电方式在三种规模下所需电气设备的型号和单价如表3，由式(3)得出不同容量下两种输电方式的投资成本如图6．

表3 三种规模下各输电方式所需电气设备型号与单价

由图6看出，100 MW容量下二者的经济临界距离约为210 km，200 MW容量下二者的经济临界距离约为170 km，300 MW容量下二者的经济临界距离约为140 km，随着海上风电场容量增加，二者的经济临界距离逐渐缩小．对于上述3种容量的风电场，HVAC输电方式均采用1根交流电缆输电，当容量超过300 MW时，由于交流电缆存在载流量限制的问题，将需要2根或多根电缆同时输送电能，使HVAC系统的成本将会进一步增大，二者的经济临界距离会以更快的速度缩减［19］．

图6 不同容量下两种输电方式投资成本与输电距离的关系

3 结 论

对现有的风电场集电方式而言，链形集电方式优于各环形集电方式．当风电场容量处于200MW－250 MW之间，输电距离约为130 km～150 km时，HVAC与VSC－HVDC两种输电方式的有功损耗与投资成本基本相同，低于临界值时，采用HVAC更为合适，高于临界值时，采用VSC－HVDC的优势更加明显，因此HVAC适合于小容量近距离的并网，VSC－HVDC适合大容量远距离的并网．

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