[DOC] 海上風(fēng)電場(chǎng)輸電方式經(jīng)濟(jì)性的比較

1、海上風(fēng)電場(chǎng)輸電方式經(jīng)濟(jì)性的比較第27卷第6期2011年l2月上海電力學(xué)院journalofshanghaiuniversityofelectricpowervo1.27,no.6dec.201l文章編號(hào):10064729(2011)06-054905海上風(fēng)電場(chǎng)輸電方式經(jīng)濟(jì)性的比較胡榮,劉彬,黃玲玲(上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院,上海200090)摘要:比較了高壓交流輸電方式和直流輸電方式的特點(diǎn),根據(jù)交直流輸電方式,風(fēng)電場(chǎng)離岸距離和電壓等級(jí)的不同,給出了海上風(fēng)電場(chǎng)輸電系統(tǒng)的多種接線方式,并對(duì)各種方式進(jìn)行了成本計(jì)算和詳細(xì)分析,得出了各種輸電方式,輸電電壓等級(jí)的適用范圍.關(guān)鍵詞:海上風(fēng)電;高壓交

2、流;高壓直流;經(jīng)濟(jì)成本中圖分類(lèi)號(hào):tm614;tm727;f064.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼:aeconomiccomparisonoftransmissionsystemofoffshorewindfarmhurong,liubin,huangling-ling(schoolofelectricpowerandautomationengineering,shanghaiuniveityofelectricpower,shanghai200090,china)abstract:thecharacteristicsofthehighvoltageacanddctransmissiontechnologies

3、arecompared.accordingtothedifferenttransmissiontechnologies,thedistancebetweentheoffshorewindfarmandthemainlandandthedifferentofvoltagelevel,differentkindsofelectricalwiringsystemareintroduced;thepowertransmissioneconomiccostsarecalculated;therangeoftransmissionsystemsandvoltagelevelareanalyzed.keyw

4、ords:offshorewindfarm;hvac;hvdc;economiccost由于海上風(fēng)能資源比陸地上豐富,風(fēng)速,發(fā)電量,風(fēng)輪轉(zhuǎn)速,以及風(fēng)能利用效率都比陸地上高,因此近幾年來(lái),海上風(fēng)電場(chǎng)技術(shù)發(fā)展迅猛j.大型風(fēng)電場(chǎng)的容量可達(dá)幾百兆瓦甚至幾千兆瓦,由于規(guī)模較大,與陸地距離也較遠(yuǎn),其對(duì)空間要求較大,對(duì)傳輸容量要求也較高,因此從經(jīng)濟(jì)成本和技術(shù)特點(diǎn)的角度看,如何選擇風(fēng)電場(chǎng)輸電系統(tǒng)的輸電方式十分重要.文獻(xiàn)2在考慮風(fēng)速模型的基礎(chǔ)上模擬風(fēng)電場(chǎng)輸出功率曲線,根據(jù)輸出功率曲線擬合了交直流輸電系統(tǒng)各設(shè)備費(fèi)用公式.文獻(xiàn)3從原理上比較了交直流輸電方式的優(yōu)缺點(diǎn).文獻(xiàn)4從電壓損耗和可靠性角度對(duì)不同容量風(fēng)電場(chǎng)的交直

5、流輸電方式進(jìn)行了比較.文獻(xiàn)5從電能損耗,電氣設(shè)備單位成本變化,電能成本計(jì)算對(duì)不同容量風(fēng)電場(chǎng)不同電壓等級(jí)的交直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比.分析已有研究發(fā)現(xiàn):對(duì)輸電方式的研究從原理,電壓,電能損耗,可靠性角度考慮得較多,而從收稿日期:20110705通訊作者簡(jiǎn)介:胡榮(1962一),女,副教授,湖北武漢人.主要研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃及配電網(wǎng)評(píng)估與改造等email:hurong62.基金項(xiàng)目:上海市教育委員會(huì)重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(j51303);上海市人才發(fā)展基金(2oo9o26).上海電力學(xué)院經(jīng)濟(jì)成本角度研究的結(jié)果較為粗略,數(shù)據(jù)較少.本文在分析高壓交流(hvac)和高壓直流(hvdc)輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

6、的基礎(chǔ)上,考慮交直流輸電的不同電氣接線方案,根據(jù)交直流輸電方式,風(fēng)電場(chǎng)離岸距離和電壓等級(jí)的不同,給出了海上風(fēng)電場(chǎng)輸電系統(tǒng)的多種接線方式,并對(duì)各種方式進(jìn)行實(shí)際成本計(jì)算,制,不需補(bǔ)充電纜油,維護(hù)方便,且載流能力和承受短路電流能力較強(qiáng),應(yīng)用廣泛.1.2海上變電站和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備海上風(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)升壓變壓器將電能輸送到岸上的變電站.為了降低線路損耗并提高輸送能力,風(fēng)電場(chǎng)通常會(huì)配置海上升壓站,其變電站的容量配置要與風(fēng)電場(chǎng)的容量相匹配.交流輸電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置(如svc裝置)可安裝在電纜兩側(cè)或一側(cè)引.通常電纜線路的分布電容要遠(yuǎn)大于架空線路,在交流輸電系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生很大的

7、電容電流,從而明顯降低電纜輸送有功功率的能力,因此交流系統(tǒng)適合小容量,短距離的電力傳輸.2hvdc輸電系統(tǒng)隨著現(xiàn)代hvdc技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展,根據(jù)運(yùn)行原理可將換流器分為兩大類(lèi):一是需要交流系統(tǒng)提供換相電壓,即傳統(tǒng)的pcc換流器;二是不需要交流系統(tǒng)支持換相的自換相換流器,它克服了傳統(tǒng)換流器的許多缺點(diǎn),具備其自身的優(yōu)勢(shì).按照直流電路的設(shè)計(jì),自換相換流器可進(jìn)一步分為電流源型換流器(currentsourceconverter,csc)和電壓源型換流器(voltagesourceconverter,vsc)e7.海上直流輸電系統(tǒng)主要由直流電纜,換流站及其輔助設(shè)備構(gòu)成,如圖2所示.海上決漱,刪叫=

8、l=巾畝浦e3-,-1_呻l因/匝夔囤一-十l.j圖2傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)2.1直流電纜直流電纜目前有充油電纜,不滴流電纜,以及交聯(lián)聚乙烯電纜等.在vsc系統(tǒng)中使用的是聚合物擠包絕緣電纜,這是一種擠壓式單極電纜,具有體積小,強(qiáng)度高,重量輕,傳輸容量大,絕緣水平優(yōu)越,環(huán)保易鋪設(shè)等特點(diǎn),解決了傳統(tǒng)電纜由于絕緣體中空間電荷導(dǎo)致的局部高電場(chǎng)引起絕緣擊穿,以及溫度敏感引起的壓力分配不均勻?qū)е陆^緣體外部過(guò)應(yīng)力等問(wèn)題,使電纜在惡劣的海底條件和深水條件下都可以敷設(shè)j.2.2換流站換流站包括換流器,換流變壓器,換流電抗器,諧波濾波器,以及直流電容.這些設(shè)備的功能如下:換流變壓器為換流器提供適當(dāng)大小和相位的換相電

9、壓,在直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí),其阻抗還起限制短路電流,避免換流器損壞的作用;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)功功率,而直流濾波器用于吸收直流側(cè)的諧波;平波電抗器能夠平抑直流線路中的諧波電流,減少逆變器的換相失敗,防止輕載時(shí)的電流不連續(xù),在直流線路短路時(shí)限制換流器的峰值電流;電容器組件是和電壓器并聯(lián)的一系胡榮,等:海上風(fēng)電場(chǎng)輸電方式經(jīng)濟(jì)性的比較551列電容器組,用于提供換流閥工作時(shí)所需要的無(wú)功功率.在vsc系統(tǒng)中,vsc由igbt閥橋,換流控制器,換流電抗器,直流電容和交流濾波器組成.其主要設(shè)備大為減少,并實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì),被稱(chēng)為輕型直流輸電

10、.與pcc輸電相比,vsc在技術(shù)上有了很大改進(jìn),其經(jīng)濟(jì)成本也有較大程度的降低.3輸電系統(tǒng)電氣接線方案本文根據(jù)交,直流輸電方式,風(fēng)電場(chǎng)離岸距離及電壓等級(jí)的不同,給出了海上風(fēng)電場(chǎng)輸電系統(tǒng)的多種接線方案,并對(duì)各種方案進(jìn)行了成本計(jì)算.為了能夠?qū)Ψ桨傅慕?jīng)濟(jì)性進(jìn)行可靠評(píng)估,本文的價(jià)格是在查閱大量文獻(xiàn)及資料,并考慮了金屬價(jià)格的漲落的基礎(chǔ)上給出的,但未考慮各電氣設(shè)備運(yùn)行及維護(hù)的費(fèi)用.3.1成本計(jì)算模型及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)3.1.1交流輸電系統(tǒng)投資成本cacccab+csub+ccom(1)式中:cc電纜成本;cs變電站價(jià)格;c.m無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備價(jià)格.ccab=c+ci(2)式中:c海底電纜購(gòu)買(mǎi)費(fèi)用;ci海底電纜安裝費(fèi)用.

11、本文在交流電纜成本的計(jì)算中,電纜的單位購(gòu)買(mǎi)費(fèi)用是根據(jù)不同型號(hào)的電纜來(lái)計(jì)算的,電纜的單位安裝費(fèi)用為275m_./kml】.在變電站成本的計(jì)算中,由于海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速變化的波動(dòng)性,風(fēng)電場(chǎng)在實(shí)際出力中為40%左右,其輸出功率達(dá)不到100%,故變電站容量是按風(fēng)電場(chǎng)的全部裝機(jī)容量來(lái)考慮的,單位價(jià)格為130ke/mw,價(jià)格包括了變電站安裝,設(shè)計(jì)和土建費(fèi)用.考慮到電壓等級(jí)和輸送距離的因素,無(wú)功補(bǔ)償容量大小是按照表1來(lái)選取的j.表1不同電壓等級(jí)交流電纜所需無(wú)功補(bǔ)償容量3.1.2直流輸電系統(tǒng)投資成本cdc=ccab+ccov(3)式中:c.換流站價(jià)格.本文在直流電纜成本的計(jì)算中,海底電纜的單位安裝費(fèi)用為250kc

12、_./km.換流站的容量與交流變電站的容量相同,是按風(fēng)電場(chǎng)的全部裝機(jī)容量來(lái)考慮的,由于有關(guān)150kv和土300kv換流站單位價(jià)格的信息很少,考慮到濾波器,電抗器,以及igbt模塊的因素,假定300kv換流站價(jià)格比4-150kv高10%,故150kv和300kv換流站單位價(jià)格分別為250k:/mw和300ke/mw.3.2影響輸電系統(tǒng)接線方案成本的因素3.2.1距離及交直流不同輸電方式的對(duì)比假設(shè)風(fēng)電場(chǎng)與岸上距離為20km,交流輸電和直流輸電系統(tǒng)通過(guò)150kv電纜向岸上輸送電能,其系統(tǒng)示意如圖3和圖4所示.海e風(fēng)電場(chǎng)圖3200mw風(fēng)電場(chǎng)150kv交流輸電系統(tǒng)海風(fēng)e乜場(chǎng)圖4200mw風(fēng)電場(chǎng)150kv

13、直流輸電系統(tǒng)當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)距岸上為20km時(shí),參照表1,無(wú)功補(bǔ)償裝置容量為20mw.海上變電站容量為200mw,選用3芯截面為800mm的電纜,電纜載流量為916a,單位價(jià)格0.582mc_./km.對(duì)于直流輸電系統(tǒng),換流站容量為200mw,選用雙極直流輸電,電纜截面面積為400mm,載流量為808a,單552上海電力學(xué)院位價(jià)格0.143me/km.其投資成本見(jiàn)表2.交直流輸電方式隨距離變化的成本對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖5.表2200mw風(fēng)電場(chǎng)150kv交直流輸電投資成本m芑(ill禱圖5交直流輸電方式隨距離變化的成本對(duì)比3.2.2交流輸電系統(tǒng)不同電壓等級(jí)因素假設(shè)風(fēng)電場(chǎng)與岸上的距離為20krn,分析了交流輸電系

14、統(tǒng)采用不同輸電電壓(150kv和220kv)對(duì)成本的影響.當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)與岸上距離為20km時(shí),150kv交流輸電系統(tǒng)海上變電站容量為200mw,無(wú)功補(bǔ)償容量為20mw,選用3芯截面為800mm的電纜,電纜載流量為916a,單位價(jià)格0.582m琶/km;220kv交流輸電系統(tǒng)變電站容量為200mw,無(wú)功補(bǔ)償容量為70mw,選用3芯截面為400mm的電纜,電纜載流量為675a,單位價(jià)格0.569m_/km.其投資成本見(jiàn)表3.表3200mw風(fēng)電場(chǎng)不同電壓交流輸電成本比較3.2.3直流不同電壓等級(jí)因素考慮到不同距離下,直流輸電系統(tǒng)采用不同輸電電壓(150kv和300kv)對(duì)成本的影響,其接線方式見(jiàn)圖4,1

15、50kv和300kv直流輸電系統(tǒng)成本對(duì)比見(jiàn)圖6.當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)與岸上距離為50km時(shí),150kv直流輸電系統(tǒng)換流站為400mw,選用雙極直流輸電,選用截面為1000mm的電纜,電纜載流量為1410a,單位價(jià)格0.221me/km;.-1-300kv直流輸電系統(tǒng)換流站為400mw,其單位價(jià)格考慮選用雙極直流輸電,選用截面為300l-tim的電纜,電纜載流量為699a,單位價(jià)格0.175me/km.其投資成本見(jiàn)表4.表4400mw風(fēng)電場(chǎng)不同電壓直流輸電成本比較圖6150kv和300kv直流輸電系統(tǒng)成本對(duì)比4經(jīng)濟(jì)性分析由以上分析可知,對(duì)于交流輸電系統(tǒng)來(lái)說(shuō),電纜費(fèi)用占到了總成本的40%左右,所以若要降低交流

16、系統(tǒng)的成本,應(yīng)當(dāng)從減少電纜費(fèi)用著手,如采用新型電纜材料,減少有色金屬的使用;對(duì)于直流輸電系統(tǒng)來(lái)說(shuō),換流站費(fèi)用占到了總成本的80%左右,所以要想降低直流系統(tǒng)的成本,應(yīng)當(dāng)從降低換流站費(fèi)用人手,如采用輕型高壓直流輸電,將換流站設(shè)備模塊化,集成化處理.離岸距離,交直流輸電方式和電壓等級(jí)的選取對(duì)輸電系統(tǒng)的影響具體分析如下.(1)60km內(nèi)的風(fēng)電場(chǎng)其高壓直流輸電方式成本比高壓交流輸電方式高,且風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模越大,差價(jià)也越高.因此對(duì)于近海風(fēng)電場(chǎng),更適合采用交流輸電方式,對(duì)于深海風(fēng)電場(chǎng),更適合采用直流輸電方式.(2)高壓交流輸電系統(tǒng)采用220kv比l5okv經(jīng)濟(jì)成本略高,高壓交流輸電系統(tǒng)適用于小容量近距離傳輸.這主要是因?yàn)楦邏褐绷鲹Q流站設(shè)備多,體積大,安裝及敷設(shè)費(fèi)用較高.對(duì)不同電壓等級(jí)的交流輸電來(lái)說(shuō),高電壓等級(jí)的絕緣成本,保護(hù)費(fèi)用,以及控制設(shè)備復(fù)雜程度,無(wú)功功率的補(bǔ)償胡榮,等:海上風(fēng)電場(chǎng)輸電方式經(jīng)濟(jì)性的比較553(上接第548頁(yè))統(tǒng)的觸發(fā)邏輯的測(cè)試驗(yàn)證方法,為非能動(dòng)安全系統(tǒng)進(jìn)一步的集成調(diào)試驗(yàn)證奠定了基礎(chǔ).參考文獻(xiàn):1】林誠(chéng)格.非能動(dòng)安全先進(jìn)核電廠apio00m.北京:原子能出版社,2008:395-423.2歐陽(yáng)予.世界核電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及第三代核電技術(shù)的定位j.發(fā)電設(shè)備,2007(5):325-331.3】45