全寿命周期成本在海上风电输电方式经济性评估中的应用

凌峰;汤昶烽;卫志农

【摘 要】建立了基于全寿命周期成本(LCC)的海上风电输电方式经济性评估模型,统筹考虑了海上风电输电系统的初始投入成本、运行成本、维护成本、故障成本和废弃成本,寻求在保证安全可靠下在全寿命周期内的经济性和持续性最优方案 比较了用于海上风电接入的高压交流输电、传统的高压直流输电和柔性直流输电方式,根据其特点以典型的输电工程为例,分析了不同输送距离和不同传输容量下各输电系统的LCC情况,给出了各种输电方式的LCC适用范围.算例分析表明,该方法可以克服传统评估方法的片面性,得到更科学、全面的经济性评估结果,具有很好的实用价值.

【期刊名称】《江苏电机工程》 【年(卷),期】2013(032)005 【总页数】6页(P5-9,12)

【关键词】全寿命周期成本;海上风电;高压交流输电;高压直流输电;经济性评估 【作 者】凌峰;汤昶烽;卫志农

【作者单位】江苏省电力公司电力经济技术研究院,江苏南京210008;河海大学能源与电气学院,江苏南京210098;河海大学能源与电气学院,江苏南京210098 【正文语种】中 文 【中图分类】TM721

海上风力发电凭借其所具有的比陆上风电更丰富、利用率高、对周边环境影响小等优势在世界范围内迅速发展，已成为风力发电的重要方面。欧盟计划在2020年底达到40 GW的目标，我国也将其作为近期的发展重点并于十二五内建成5 GW[1]。目前国内外针对风电接入采用的输电方式进行了不少研究，文献[2]从电能损耗、设备单位成本变化等方面对不同风电场的交直流输电系统进行了对比；文献[3]对海上风电不同输电系统采取的补偿方案进行了评估；文献[4]海上风电场电气系统开关配置进行了经济性分析；文献[5]对风电接入对输电规划的影响从评估体系建立、风电不确定性、政策市场等角度进行了评述；文献[6]以我国的上海东海大桥海上风电场为例，从传输性能、原材料消耗等几个方面说明了如果采用柔性直流输电会更为经济合理；文献[7]分析了不同输电系统用于不同风电场的损耗情况并给出了一些建议。可以看出，这些研究多从原理、技术等方面进行分别比较并说明了该方面的优缺点，由此给出一些经济性分析和建议，但不能反映实际工程建设运营的真实具体的经济性情况，缺少可推广性和实用性。对于海上风电这样规模大、运营周期长、技术要求高的工程，如果不对其整体目标和投资规划充分考虑，可能会导致其最终运营结果和最初的设计预期有很大差异，不仅不能发挥新能源的优势，反而给后期运营管理工作带来巨大经济和社会负担[8]。

基于全寿命周期成本（LCC）理论的分析评估用于对工程的全寿命周期发展过程进行协调统一的规划和管理，已在电力设计规划决策中被广泛认识和应用[9-11]。文中在分析海上风电不同类型输电系统的结构和特点的基础上，构建海上风电输电系统的LCC模型，并根据该模型评估对于距陆地不同距离和不同容量的海上风电场采用不同输电系统的全寿命经济性，以寻找最合理的海上风电接入方式，可以为相关投资规划提供科学、全面的参考。 1海上风电接入的输电方式

1.1 高压交流输电(HVAC)系统

HVAC系统是在海上风电接入中较为成熟的一种技术，具有稳定、连接简单、造价低等优点，因此迄今为止建成的大多数海上风电场都采用此系统[12]。典型的HVAC输电系统如图1所示。该系统主要由交流集电系统、海上升压站与无功补偿设备、海底电缆、陆上变电站与无功补偿设备等部分组成。海上风电场的线路从集电系统出来后汇集到海上变电站，再通过升压变压器将电能通过海底电缆输送到岸上的变电站。电缆线路的分布电容通常要远大于架空线路，因此在交流输电系统中会产生很大的电容电流，从而显著降低了电缆输送有功的能力。在实际中，需根据现场情况在电缆的一侧或两侧加装无功补偿装置[7]。 图1典型的HVAC系统

1.2 传统高压直流输电（PCC-HVDC）系统

PCC-HVDC系统也是在跨海输电中广泛应用的一种较为成熟的技术，其优点主要体现在长距离输电造价低、损耗小，运行经验也较柔性直流输电丰富。典型的PCC-HVDC系统如图2所示。 图2典型的PCC-HVDC系统

该系统主要由滤波器、换流变压器、晶闸管换流阀、电容器组件、直流电缆等部分组成。其中交流滤波器用来吸收换流变压器所产生的谐波，减少谐波对交流系统的影响，同时向换流站提供无功。电容器组件和电压器并联用于提供换流阀工作时所需要的无功。直流电缆有充油电缆，不滴流电缆以及交联聚乙烯电缆等几种，其中充油电缆可以用于较高电压等级和较大功率的传输，但长度很难超过100 km，且可能会出现绝缘油外泄污染环境的危险。 1.3 柔性直流输电(VSC-HVDC)系统

VSC-HVDC系统是以电压源型换流器（VSC）、可关断器件和脉宽调制（PWM）技术为基础的新一代直流输电技术，由于其在运行控制上可对两端交流系统的有功

无功功率进行独立调节，还能有效改善低电压穿越能力[13]，在风电并网上有着较大的优势和前景。德国已经将其用于距离内陆125 km的400 MW海上风电场接入并网，并于2009年运行，还有3个总计达2 176 MW的工程将于2013年投入运行。我国建设的上海南汇风电场并网的VSC-HVDC工程也已经投入运行。典型的VSC-HVDC系统如图3所示。 图3典型的VSC-HVDC系统

该系统主要由海上换流站和直流电缆组成。换流站的核心是高频绝缘栅双极型晶体管（IGBT）开关器件，其工作在500～2 000 Hz之间，通过控制PWM脉冲，其输出电压可根据系统需要自动调节。IGBT开关器件在换流器上的应用消减了系统谐波并改善了电能质量，但高频同时也带来较高的系统损耗[14]。与传统直流输电相比，其换流站的占地面积和总重量都小很多，一个550 MW换流站的体积只有传统直流输电换流站的1/8，可以明显降低需要搭建海上平台的海上风电接入的施工难度和建设成本。VSC-HVDC电缆目前主要使用的是聚合物挤包绝缘电缆，具有体积小、柔韧性强、重量轻、弯曲半径小、绝缘水平优越、环保易铺设等特点，使电缆在恶劣的海底条件和深水条件下更易于敷设，且耗材也比常规直流输电要少。 2海上风电输电系统的LCC模型 2.1 LCC模型简介

输电工程的LCC模型是从工程的全寿命周期出发，综合考虑从设计到退役期间的各个环节，将项目论证规划、生产建设、运行维护、故障检修、改造报废等各方面因素折算为统一标准下的等效费用进行评价[10]。此种评价方法可以把方案的经济性评价、可靠性评价、安全性评价、持续性评价结合起来，克服传统评价中或简单根据前期投资或片面追求可靠性的矛盾，体现了经济效益、社会效益和环境效益最大化的原则，使投资决策方案更为科学合理。

一般输电工程的全寿命周期成本CLCC主要由初始投入成本CI、运行成本CO、维护成本CM、故障成本CF和废弃成本CD5个主要部分组成：根据LCC理论，由于初始投入成本是一次性的成本属于现值，而运行成本、维护成本、故障成本是每年均会发生的成本，废弃成本虽为一次性成本但不属于现值。由于资金具有时间价值，因此需要进行折算。折算主要有2种方法：一是将所有的成本都折算为现值进行比较，二是将所有的成本均折算为年费用进行比较。文中采用折算为现值进行比较：

式中：r为折现率；n为工程寿命周期；t为年份。 2.2海上风电输电系统LCC模型的建立

以LCC理论为基础，结合海上风电接入输电工程实际情况，建立海上风电输电系统的LCC模型。 2.2.1初始投入成本CI

初始投入成本即基本建设的成本，一般包括设备的购置费用、建筑工程费用、安装费用和其他动态费用等，这一成本发生在寿命周期初期，属于一次性投入。海上风电接入的输电系统的初始投入成本为：

式中：Csub为变电站成本；Ccab为电缆成本；Cins为安装成本；Ccom为补偿设备成本；Crig为海上平台建造成本；Cland为海上用地成本。 2.2.2年运行成本COt

年运行成本主要为系统运行损耗费用，可表示为： COt= β·S·TO·u （4）

式中：β为损耗率；S为系统的输送容量；TO为年最大运行时间；u为售电价。其中风电输电的损耗率β可以通过如下公式计算求得[15]：?

式中：Pli为系统在风速为i时的有功损耗；Pgi为机组在风速为i时发出的有功功率；n为风速的等级划分；pi为风速为i的概率。 2.2.3年维护成本CMt

维护成本主要包括各年维护检修过程的材料和人工等费用，一般根据历史平均检修情况估算或由工程经验根据建造成本折算得到，考虑到海上风电接入数据搜集较为困难，文中采用根据初始投入成本折算：

式中：fm为工程维护率。 2.2.4年故障成本CFt

故障成本指由于故障对电网以及用户造成的经济损失，主要与停电的发生时间、持续时间、停电频率以及用户类型有关，可以表示为：

式中：λ为系统的不可用率。 2.2.5废弃成本CD

废弃成本指设备退废时可回收的残余价值。海底输电电缆由于敷设范围广，拆除成本高，废弃成本通常认为与报废处置费用相抵消。变压器等设备属材料密集型产品，其残值收入需要在模型中考虑，可表示为：

式中：Cied为废弃设备i所耗费的费用；Cier为该设备的残值，根据不同设备的原值采用折算系数折算得到。 3不同输电系统的LCC比较 3.1不同输送距离的LCC比较

海上风电场一般至少需要距离海岸5 km以上，少数发达国家规定在30 km以上。

目前投运的海上风电场多数还是以近海风电场为主，由于远海风电场的风能更充足且对环境的影响更小，正在向远海发展，德国即将投运的两座均距离海岸达200 km。而不同输送距离下各输电系统的经济性会有较大差异，以往的经济性比较认为，一般跨海输电的等价距离为24～48 km，即当输电距离大于该距离时采用直流输电更为经济。

对300 MW风电场在不同输送距离下的全寿命周期成本进行比较，电压等级均取150 kV。不同系统初始投入成本的主要价格如表1所示[16]。 表1不同输电系统的初始投入成本价格注：M 为兆欧元，k为千欧元。

HVACPCC-HVDC VSC-HVDC Csub/M 10 30 45 Ccab/（k ·km-1） 1 500 720 600 Cins/（k ·km-1） 340 250 215 Ccom/k 270 130 0 Crig/M 13 32 24 Cland/k 50 180 125

系统的最大运行时间可根据风电场的年利用小时得到，一般海上风电场较陆上风电场高，可达3 000 h以上。若假设风速符合瑞利分布模型，并根据上海东海大桥风电场90 m高度年均风速8.4 m/s可得年利用小时数大致为3 200 h。300 MW的输电系统损耗率随着输送距离的变化情况大致如图4所示。 图4不同输电系统的损耗率

系统的不可用率根据可靠性数据[2]，考虑到直流输电用于海上风电的可靠性还有待进一步研究，而由于风电出力的不确定性，当相同容量的风电场代替常规机组会使停电期望上升55%左右[17]，由此综合考虑得到 300 MW 风电 HVAC、PCC-HVAD、VSCHVDC系统的不可用率分别为0.61%，2.41%，0.96%。其余参数为：售电价采用德国海上风电的专门上网电价0.15 /（kW·h），工程维护率电力行业通常均取1.8%，残值系数取30%，报废系数1%，折现率取8%，工程寿命周期均为 30年[10，14]。

根据海上风电输电系统的LCC模型，计算的LCC结果如表2所示。可以看出，如

果仅根据初始投入成本比较，当海上风电场距离陆地为45 km时采用HVAC系统已经是最不经济的选择，这也符合一般跨海输电的等价距离。但如果根据全寿命周期的分析结果，此时采用HVAC系统仍最为经济。当距离超过70 km后，直流输电的优势才逐渐体现出来。对于VSC-HVDC系统，部分研究从损耗角度认为只有对超远距离的海上风电场才合适，而从LCC比较来看，尽管年运行成本在150 km内都比另2种输电系统高，但超过80 km后的全寿命周期成本已经比HVAC系统经济，超过120 km后会成为最经济的选择。

表2不同距离下各输电系统的LCC比较 M输送距离/km输电系统 CI CO CM CF CD CLCC 15 HVAC 50.92 21.50 10.32 9.88 -1.47 91.16 PCCHVDC 76.86 25.62 15.57 39.07 -2.22 154.91 VSCHVDC 81.35 60.21 16.48 15.56 -2.34 171.26 45 HVAC 106.12 28.94 21.50 9.88 -3.06 163.39 PCCHVDC105.96 28.88 21.47 39.07 -3.05 192.33 VSCHVDC105.80 63.90 21.44 15.56 -3.05 203.66 70 HVAC 152.12 37.06 30.83 9.88 -4.38 225.51 PCCHVDC130.21 31.60 26.39 39.07 -3.75 223.51

VSCHVDC126.18 66.98 25.57 15.56 -3.64 230.65 120 HVAC 244.12 60.80 49.47 9.88 -8.63 357.24 PCCHVDC178.71 37.03 36.21 39.07 -5.99 285.87 VSCHVDC166.93 73.15 33.83 15.56 -5.52 284.65 3.2不同传输容量的LCC比较

随着5 MW风电机组的投入使用，海上风电场规划的容量也日益增大，从早期的100 MW到数个800 MW的风电场群正在建设。对不同距离下不同容量风电场输电系统的LCC进行比较，输送距离为70 km，120 km，150 km不同容量的输电系统LCC如图（5—7）所示，其中120 km的LCC计算结果如表3所示。 图5 70 km不同容量下各输电系统的LCC

可以看出，对于距离陆地100 km以内的大型风电场，采用交流输电仍然较为经

济，且随着容量上升优势更为明显；但是超过110 km之后，交流输电在可靠性、变电站造价低等方面的优势已经不足以弥补运行成本、输电线路成本等方面的劣势，更适合采用直流输电。在2种直流输电中，传统直流输电适合于大规模风电场，而柔性直流输电对于容量小的风电场更经济，但是随着距离的增加，柔性直流输电的优势会逐步增大。

图6 120 km不同容量下各输电系统的LCC 图7 150 km不同容量下各输电系统的LCC

表3不同容量下各输电系统的LCC比较 M输送容量/MW 100 300 500 800输电系统 CI CO CM CF CD CLCC HVAC 228.72 18.24 46.38 9.91 -6.59 296.65 PCCHVDC137.26 12.61 27.81 39.06 -3.96 212.78

VSCHVDC120.84 23.98 24.54 15.54 -3.48 181.41 HVAC 244.12 60.80 49.47 9.88 -8.63 357.24 PCCHVDC178.71 37.03 36.21 39.07 -5.99 285.87 VSCHVDC166.93 73.15 33.83 15.56 -5.52 284.65 HVAC 259.32105.23 52.55 65.12 -7.47 474.74 PCCHVDC220.16 60.70 44.61 119.15 -6.35 438.29 VSCHVDC213.01122.70 43.16 74.57 -6.14 447.30 HVAC 282.27185.48 57.20 233.87 -8.13 750.69 PCCHVDC282.34 94.07 27.21 320.33 -8.14 745.83 VSCHVDC282.13199.75 57.17 236.04 -8.13 766.96

根据120 km时的LCC计算结果可以看出，随着容量的增大，初始投入成本占全寿命周期成本的比重逐步下降，100 MW时占到75%以上，而800 MW时只占到不到40%，运行成本和故障成本的影响越来越大，这是规划大型海上风电场应当注意的一个问题。 4适用范围分析

由不同传输距离和不同传输容量的LCC变化情况，可以得出对于不同的海上风电

场，适宜采用的输电方式，如图8所示。 图8不同输电系统的适用范围

（1）HVAC系统适合短距离、大容量的海上风电场。对于30 km以内的近海风电场均采用HVAC较为合适，30 km至100 km根据装机容量的大小来选择，对500 MW以上的大规模海上风电场仍建议采用HVAC。（2）PCC-HVDC系统适合于中远距离、大容量的海上风电场。对于100 km以上超过800 MW的超大规模风电场其优势较为明显。（3）VSC-HVDC系统适合远距离、中小容量的海上风电场，距离越远其优势越明显，适宜的传输容量范围越大。

HVAC的经济性主要受到电缆成本和输电损耗的限制；PCC-HVDC由于工作原理会加重谐波的污染，其能否确保风电稳定可靠的接入是经济性提高的主要方面；目前而VSC-HVDC由于在风电并网方面的优势，从长远来看VSC-HVDC的适用范围会越来越大，其经济性的提高有待于技术逐步成熟和器件价格的下降，以使换流站的造价和损耗能够进一步降低。 5结束语

构建了海上风电输电系统的LCC成本模型，并根据海上风电接入的3种不同输电方式的技术特点，对不同距离、不同容量的海上风电场输电系统进行经济性比较，得出以下结论：（1）不同输电方式的经济性随着传输距离和传输容量的不同而变化，HVAC系统适合短距离、大容量的海上风电场，PCC-HVDC输电系统适合于中远距离、大容量的海上风电场，

VSC-HVDC系统适合远距离、中小容量的海上风电场；（2）由LCC比较结果可以看出，初始投入成本最优或损耗最低的方案在全寿命周期内未必是最优的方案，基于LCC的评估会比传统方法更科学、全面，具有较高的实用价值。随着海上风电的进一步发展和输电技术水平的提高，在投资规划时根据项目的实际条件采用该方法评估选择最优的输电方式具有很好的实践和推广意义。

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