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1、第33卷第11期Vol.33No.112009年6月10日June10,2009海上风电场内部电气系统布局经济性对比王建东,李国杰(清华大学电机系电力系统国家重点实验室,北京市100084)摘要:海上风电场内部电气系统布局方案是近年来研究的热点,不同的布局方案直接影响风电场的投资成本和输出电能的可靠性等风电场经济运行指标。在已有4种布局基础上提出了多边环形布局,并在综合考虑投资成本和故障机会成本(由于海底电缆故障所损失的应得发电收益)这2个因素后对5种布局方案的总成本进行了评估,对影响总成本的几个重要参数进行
2、了灵敏度分析。关键词:海上风电场;内部电气系统布局;经济性;故障机会成本;灵敏度分析中图分类号:TM614[425]0引言点关注的是放射形布局和环形布局。放射形布局是已建风电场普遍采用的内部连接方法,其特点对海上风电的研究和开发始于20世纪90年是结构简单,投资成本较低,如图1(a)所示。环形代,经过10多年的发展,海上风电技术正日趋成熟,布局比放射形需要较高的投资成本,但能够实现一并开始进入大规模开发阶段。目前全世界海上风电定程度的冗余,可靠性较高。环形布局可具体分为总装机容量已达900MW,其中丹麦、英国
3、、爱尔兰、[122]单边环形、双边环形以及由二者结合衍生出的复合瑞典和荷兰等国家发展较快。海上风电场的优环形3种,分别如图1(b)、(c)、(d)所示。另外,本点是不占用土地资源,不受地形影响,风能资源更为文提出一种基于复合环形的布局———多边环形,如丰富,风速更平稳,风电机组单机容量更大,年利用图1(e)所示。小时数更高。但是由于海上风电机组支撑结构要求1)放射形布局苛刻,电能需要铺设昂贵的海底电缆输送,且建设和如图1(a)所示,将若干风力发电机连接在同一维护工作需要使用专业船只和设备,所以海上风电[123
4、]条中压海底电缆上,整个风电场的电能通过若干个的建设成本一般是陆上风电的2倍至3倍。中压海底电缆输送到中压汇流母线上,海底电缆的海上风电场内部电气系统包括风电场内部所有额定功率须大于所连接风机的最大功率。该布局的设备的连接,如中压(一般30kV左右)海底电缆、开关设备、风机端变压器等[2],内部电气系统将每台优点是操作简单、投资成本较低;缺点是可靠性不风力发电机发出的电能按照一定的方式集中到风电高,如果电缆的某处发生故障,那么整条电缆都将被场出口的中压汇流母线上,其成本约为海上风电场迫切除,与其相连的所有风机
5、都将停运。建设总成本的5%[122]。本文对内部电气系统布局2)单边环形布局的经济性进行了对比研究。由于在电缆单一故障的如图1(b)所示,在放射形布局的基础上,通过情况下,所有的环形布局都能够依靠冗余电缆来保一条冗余的电缆将电缆末端的风机连回到汇流母线证供电的可靠性,即故障机会成本为0。在多重故上。如果电缆某处发生故障,可以通过加装在电缆障的情况下,环形布置中不同位置的故障的确能引上的开关设备切除,保证风机正常运行。该布局的起不同的故障机会成本。本文考虑多重故障同时发优点是可提高内部电气系统的可靠性;缺点是操
6、作生的概率很小,因此没有涉及。比较复杂,投资成本较高。3)双边环形布局1海上风电场内部电气系统布局设计如图1(c)所示,在放射形布局的基础上经一条目前,海上风电场内部电气系统布局设计分为冗余的电缆将两条相邻电缆末端的风机相连。因电放射形、环形和星形3种形式,其中能够引起人们重缆连接的风机数量加倍,故电缆额定功率也需要加倍。该布局的优缺点与单边环形布局基本相同。收稿日期:2009201214;修回日期:2009203212。4)复合环形布局国家自然科学基金资助项目(50823001);BPAlternative
7、如图1(d)所示,将单边环形与双边环形进行结Energy资助项目。合,将相邻几条电缆末端的风机互连,然后经一条冗—99—2009,33(11)余的电缆将末端的风机连回到汇流母线上。该布局5)多边环形布局相比单边环形可以减少冗余电缆的数量,相比双边由以上几种布局可以看到,环形布局提高可靠环形可以降低电缆的额定容量。性的途径有提供冗余和增加互连2个。本文根据这一原则提出多边环形布局,如图1(e)所示。该布局将所有电缆末端的风机用电缆连在一起,以增加风机互连。该布局要求电缆的额定容量比放射形布局中电缆的额定容量稍大
8、,以满足某一电缆故障处下游风机通过其余电缆输送电能。该布局与复合环形相比不需要冗余电缆,但是所需电缆的额定容量稍大。2投资成本评估根据丹麦海上风电场建设经验,海上风电场的建设成本在120万欧元/MW～270万欧元/MW之[1]间,海上风电场成本构成如下:风机占49%,海上变电站和输电通道占16%,中压海底电缆占5%,海底基建占21%,项目管理占6%,环境分析等占3%。海底基建、中压海底电缆、海上变电
