馬向輝，張梓銘，吳冇，夏泠風(fēng)，廖修譜，陳晨，許斌，胡超

（1. 中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司電力科研院， 廣州 510663；2. 中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司， 武漢 430000）

0 引言

與陸地風(fēng)電相比，海上風(fēng)電具有不占用土地、風(fēng)速高、湍流強(qiáng)度小、年利用小時(shí)數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，已成為全球清潔能源的發(fā)展方向。近年來，海上風(fēng)電迎來了爆炸式發(fā)展，僅2021 年，全球新增海上風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到21.1 GW，其中中國新增裝機(jī)16.9 GW，占比達(dá)80%［1］，連續(xù)第四年位列全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)首位。截至2021 年，我國海上風(fēng)電總裝機(jī)規(guī)模已達(dá)到全球海上風(fēng)電近一半的比例，位居世界第一。

目前，全球多個(gè)可再生能源發(fā)展大國相繼提出了海上風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃，英國提出了2030 年前海上風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到40 GW 的宏偉目標(biāo)，荷蘭制定了2030 年22.2 GW 風(fēng)電裝機(jī)容量的發(fā)展規(guī)劃，德國海上風(fēng)電裝機(jī)容量到2030 年將達(dá)到20 GW，法國、丹麥、比利時(shí)等國家都明確了海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展方案。國家能源局印發(fā)的《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》提出［2］，積極推動(dòng)近海海上風(fēng)電規(guī)?；?、深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電示范化發(fā)展。到2025 年廣東和江蘇兩省海上風(fēng)電建設(shè)規(guī)模將達(dá)到千萬千瓦以上，全國海上風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)到60 GW?？梢钥闯觯Ｉ巷L(fēng)電將在全球范圍內(nèi)持續(xù)保持高速增長的態(tài)勢。

海上風(fēng)電總體呈現(xiàn)“由小及大、由近及遠(yuǎn)、由淺入深”的發(fā)展趨勢。早期海上風(fēng)電離岸距離近，風(fēng)機(jī)數(shù)量少，采用35 kV 集電海纜直接登陸的方式。隨著離岸距離的增加以及風(fēng)場裝機(jī)規(guī)模提高至百兆瓦級(jí)，設(shè)置海上升壓站并通過110 kV 或220 kV 海纜送出的方案憑借其優(yōu)秀的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，成為海上風(fēng)電送出的首選方案。2010年，世界首個(gè)海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流送出工程——德國北海BorWin1工程投運(yùn)，為大規(guī)模遠(yuǎn)海風(fēng)電的集中送出提供了新的解決方案。至今，全球已有10 座海上換流站投運(yùn)，直流輸送電壓等級(jí)為±150 kV～±400 kV，輸送容量為400 MW～1 200 MW。柔性直流輸電憑借其損耗低、輸電距離遠(yuǎn)、故障隔離、可提供無功支撐能力等優(yōu)勢，已成為千兆瓦級(jí)遠(yuǎn)海海上風(fēng)電送出的優(yōu)選方案［3-6］。

根據(jù)直流接線方式的不同，柔性直流輸電系統(tǒng)可分為對(duì)稱單極和對(duì)稱雙極兩種。對(duì)稱單極系統(tǒng)設(shè)備少，接線簡單，海上平臺(tái)尺寸、重量相對(duì)較小，且無需金屬回線海纜，工程建設(shè)投資和難度較低。目前國內(nèi)外已投運(yùn)的海上風(fēng)電柔性直流輸電工程均采用對(duì)稱單極接線方式［7］。

然而，對(duì)稱單極系統(tǒng)在可靠性方面存在一定劣勢，任意換流器或海纜發(fā)生故障都會(huì)導(dǎo)致直流系統(tǒng)全部停運(yùn)，直到故障消除前將損失全部海上風(fēng)電的發(fā)電量。而對(duì)稱雙極系統(tǒng)則可以在單極故障的情況下通過非故障極繼續(xù)持續(xù)送出電能，降低故障損失［8］。隨著海上風(fēng)電場規(guī)模逐步增大至2 GW，單極故障全停帶來損失及對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊不可忽視［9-10］。目前，歐洲海上風(fēng)電運(yùn)營商Tennet 已經(jīng)開始研究應(yīng)用于海上風(fēng)電的對(duì)稱雙極柔性直流輸電方案。雖然對(duì)稱雙極方案初期投資高，但全壽命周期內(nèi)故障損失電量少，運(yùn)行階段經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)［11-13］。然而，目前國內(nèi)暫無針對(duì)對(duì)稱單極和對(duì)稱雙極方案全壽命周期經(jīng)濟(jì)性對(duì)比的定量分析研究。

本文針對(duì)2 GW 海上風(fēng)電柔性直流送出對(duì)稱單極與對(duì)稱雙極金屬回線方案進(jìn)行了全壽命周期經(jīng)濟(jì)性綜合比選，并提出了2 GW 海上風(fēng)電柔性直流送出的推薦技術(shù)方案。

1 直流系統(tǒng)主要參數(shù)

海上風(fēng)電柔性直流系統(tǒng)輸送容量的主要限制因素是柔直換流閥和直流海纜［14］。

柔直換流閥的輸送能力主要受橋臂電流均方根有效值和IGBT（insulated gate bipolar transistor）額定電流控制。直流系統(tǒng)極線電流Id、閥交流側(cè)電流Iac和閥橋臂電流均方根值Irms如式（1）—（3）所示。

式中：SN為直流系統(tǒng)輸送功率；Udc為直流極線電壓；ST為柔直變壓器額定容量；Uav為柔直變壓器閥側(cè)額定電壓；I2ac為二倍頻電流分量，一般取Iac的0.3倍。

目前廣泛用于大容量柔直換流閥的IGBT 型號(hào)多為壓接型4.5 kV/2 kA 和4.5 kV/3 kA 兩種，考慮故障工況下IGBT 的過流關(guān)斷能力，一般橋臂額定電流不超過器件電流的70%。結(jié)合式（1）—（3）可知，當(dāng)直流電壓等級(jí)為±400 kV 時(shí)需采用4.5 kV/3 kA IGBT 器件，當(dāng)直流電壓等級(jí)為±500 kV 時(shí)可采用4.5 kV/3 kA IGBT器件。

目前國內(nèi)已投運(yùn)的陸上柔性直流工程換流閥主要參數(shù)以及采用的IGBT 器件如表1 所示。通過ZTD 和NTD 工程參數(shù)可知，當(dāng)極線電壓提升至±400 kV時(shí)采用3 kA器件可以輸送2 GW。

表1 國內(nèi)柔直工程主要參數(shù)表Tab. 1 Main paramerters of Chinese VSC-HVDC projects

另一方面，與陸上直流工程多采用架空線不同，海上柔直工程通過直流海纜送出，其載流量與海纜截面及場址所在地的水文氣象條件有關(guān)。目前直流海纜最大截面為2 500 mm2，在廣東海域登陸段最大載流量約為2 100 A。根據(jù)式（1）計(jì)算可知，2 GW直流送出的直流電壓等級(jí)應(yīng)不低于476 kV。

考慮到海風(fēng)柔直工程輸送功率的主要限制因素為海纜載流量，通常在滿足電氣主設(shè)備及海纜過電壓耐受水平的情況下應(yīng)適當(dāng)抬高直流額定電壓，降低主回路電流。目前，歐洲Tennet 公司正在開展±525 kV/2 GW 輸電方案研究，±525 kV 有望成為下一階段海風(fēng)柔直工程的標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)。根據(jù)成套設(shè)計(jì)絕緣配合的研究結(jié)論，直流電壓抬升至±525 kV時(shí)系統(tǒng)過電壓水平不超過直流設(shè)備和海纜的耐受水平。因此，本文海上風(fēng)電柔直送出系統(tǒng)的直流電壓選擇為±525 kV。直流系統(tǒng)主要參數(shù)如表2所示。

表2 2GW柔直系統(tǒng)主要參數(shù)Tab. 2 Main parameters of 2GW VSC-HVDC

2 對(duì)稱單極與對(duì)稱雙極輸電方案

2.1 對(duì)稱單極方案

±525 kV/2 GW 對(duì)稱單極系統(tǒng)海上換流站電氣主接線如圖1所示［15-16］。

圖1 對(duì)稱單極電氣主接線圖Fig. 1 Electric main wiring of symmetrical monopole system

VSC（voltage source converter）換流器采用半橋模塊化多電平換流器，換流器由三相組成，每相分為上下兩個(gè)橋臂，通過柔直變壓器接于交流66 kV母線［17］。換流器每個(gè)橋臂由多個(gè)子模塊串聯(lián)構(gòu)成，并有一定的冗余度，每個(gè)子模塊可以獨(dú)立控制。柔性直流換流器子模塊由IGBT、直流電容、晶閘管和旁路開關(guān)等組成，運(yùn)行期間故障模塊可以被高速旁路開關(guān)隔離。

對(duì)稱單極方案海上換流站設(shè)置1 組換流器，單換流器容量為2 GW，直流額定電壓為±525 kV，采用4 500 V/2 000 A壓接型器件。

為縮減海上換流站平臺(tái)尺寸，在柔直換流單元的交流側(cè)配置3 臺(tái)容量相同的三相三繞組變壓器，低壓側(cè)雙分裂，采用YNd11接線。聯(lián)接變壓器的網(wǎng)側(cè)套管接成YN 接線與交流系統(tǒng)直接相連，閥側(cè)套管形成三角形接線接入換流單元的交流側(cè)。

3 臺(tái)聯(lián)接變壓器閥側(cè)各設(shè)置一臺(tái)550 kV 交流斷路器，接入交流匯流母線后，通過2回500 kV 高壓電纜與柔直換流器交流側(cè)連接。橋臂電抗器設(shè)置在換流單元橋臂直流側(cè)，全站共6臺(tái)橋臂電抗器。

直流系統(tǒng)采用對(duì)稱單極接線，雙極額定輸送功率為2 GW，直流電壓為±525 kV，極線直流電流為1 905 A。柔性直流換流單元直流正、負(fù)極母線上均裝設(shè)有直流電壓測量裝置、直流電流測量裝置及過電壓保護(hù)設(shè)備等。海上站無啟動(dòng)回路、直流限流電抗器和耗能裝置。交流側(cè)66 kV 交流配電裝置采用單母線接線，共設(shè)置6 段母線。對(duì)稱單極方案主要設(shè)備參數(shù)如表3所示。

表3 對(duì)稱單極方案主要電氣設(shè)備參數(shù)Tab.3 Parameters of main electrical devices in symmetrical monopole system

根據(jù)柔性直流輸電的特點(diǎn)，確定換流站內(nèi)避雷器的配置方案，分析可能存在的故障工況，在PSCAD 中建立仿真模型進(jìn)行過電壓仿真計(jì)算研究，對(duì)稱單極直流系統(tǒng)過電壓水平及空氣凈距取值如表4所示。

表4 對(duì)稱單極系統(tǒng)過電壓水平及空氣凈距Tab.4 Over-voltage level and air clearance of symmetrical monopole system

換流站直流空氣凈距取決于避雷器參數(shù)選擇及其在換流站的配置，海上換流站站址海拔高度均低于1 000 m，不需要進(jìn)行海拔修正。

2.2 對(duì)稱雙極方案

±525 kV/2 GW 對(duì)稱雙極系統(tǒng)海上換流站電氣主接線如圖2所示。

圖2 對(duì)稱雙極電氣主接線圖Fig. 2 Electric main wiring of symmetrical bipole system

對(duì)稱雙極方案柔直換流閥拓?fù)渑c對(duì)稱單極方案相同。海上側(cè)共設(shè)置2 組換流器，單換流器容量為1 GW，直流額定電壓為±525 kV，采用4.5 kV/2 kA壓接型器件。

在每個(gè)柔直換流單元的交流側(cè)配置2 臺(tái)容量相同的三相雙繞組變壓器，采用Yd11接線，全站共4臺(tái)。柔直變壓器的網(wǎng)側(cè)套管接成Y 接線與交流系統(tǒng)直接相連，閥側(cè)套管形成三角形接線接入換流閥交流側(cè)。

每極2 臺(tái)柔直變壓器閥側(cè)各設(shè)置一組550 kV 隔離開關(guān)、接地開關(guān)、避雷器，接入交流匯流母線后，通過2回單芯500 kV 高壓直流電纜與柔直換流閥交流側(cè)連接。由于對(duì)稱雙極方案柔直變閥側(cè)存在直流偏置，無法采用交流GIS 設(shè)備，而目前國內(nèi)尚無成熟的±525 kV 直流GIS 設(shè)備，因此考慮采用敞開式設(shè)備。

橋臂電抗器設(shè)置在換流單元橋臂直流側(cè)，每極6臺(tái)橋臂電抗器，全站共12臺(tái)橋臂電抗器。

直流系統(tǒng)采用對(duì)稱雙極接線，柔性直流換流單元極1、極2 極母線和中性母線上均裝設(shè)有直流電壓測量裝置、直流電流測量裝置及過電壓保護(hù)設(shè)備等。兩極中性線通過套管連接，并設(shè)置隔離開關(guān)和鉗位接地點(diǎn)，通過直流海纜終端與金屬回線海纜連接。對(duì)稱雙極方案主要設(shè)備參數(shù)如表5 所示。對(duì)稱雙極直流系統(tǒng)過電壓水平及空氣凈距取值如表6所示。

表5 對(duì)稱單極方案主要設(shè)備參數(shù)Tab.5 Parameters of main electrical devices in symmetrical bipole system

表6 對(duì)稱雙極直流系統(tǒng)過電壓水平及空氣凈距Tab.6 Over-voltage level and air clearance of symmetrical bipole DC system

3 平臺(tái)設(shè)計(jì)及建設(shè)投資

3.1 對(duì)稱單極平臺(tái)設(shè)計(jì)

本節(jié)以目前國內(nèi)在建的2 GW 海上直流工程QZ工程為背景開展平臺(tái)設(shè)計(jì)及工程造價(jià)分析。

海上換流站全站共1 個(gè)換流單元，包含1 套±525 kV/2 GW 柔直換流閥，換流閥由3相上橋臂和3 相下橋臂組成，每相橋臂由3 個(gè)閥塔串聯(lián)構(gòu)成?？紤]到交流側(cè)為電纜接線，換相方便，而直流場敞開式設(shè)備，換相復(fù)雜。因此，推薦換流閥橋臂相序采用“ABCCBA”相序布置［18］。同相換流閥交錯(cuò)布置，并通過高壓電纜在交流側(cè)進(jìn)行調(diào)整相序；換流閥直流側(cè)與橋臂電抗器相序?qū)?yīng)，且由于同極換流閥相鄰布置，橋臂電抗器匯流后不需進(jìn)行“+”極和“-”極換序，橋臂電抗器直流出線匯流簡單［19-20］。

閥廳布置于平臺(tái)的下層，由于短軸跨距較大，不增加結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層時(shí)，需在閥廳中間設(shè)置一排結(jié)構(gòu)柱。閥廳兩側(cè)布置水工、暖通、消防等輔助設(shè)備間。平臺(tái)上層主要布置電纜夾層、直流場、柔直變、GIS 和站用電相關(guān)設(shè)備。綜合各配電裝置區(qū)域，±525 kV/2 GW 對(duì)稱單極方案平臺(tái)上部組塊總體尺寸為80 m（長）×69 m（寬）×40.5 m（高，凈空），平臺(tái)上層局部區(qū)域采用凸字形設(shè)計(jì)。對(duì)稱單極平臺(tái)斷面圖如圖3所示。

圖3 對(duì)稱單極平臺(tái)斷面圖Fig. 3 Section of symmetrical monopole platform

海上換流站主體結(jié)構(gòu)分為上部組塊和下部結(jié)構(gòu)兩部分。上部組塊采用整體安裝和浮托法施工，導(dǎo)管架預(yù)留浮托法船舶進(jìn)出的無干涉區(qū)域。

上部組塊共分上、下兩層，組塊由立柱、甲板、梁和斜撐組成。上部組塊梁采用H 型鋼，立柱采用鋼管，甲板采用厚鋼板，在立柱、撐桿與主梁交點(diǎn)處管節(jié)點(diǎn)用鋼材DH36-Z35加強(qiáng)。

上部組塊主體鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)重量約為13 050 t，其中設(shè)備重量約為7 270 t，舾裝重量約為1 280 t，上部組塊總重量約為21 600 t。導(dǎo)管架重量約為10 520 t，樁基礎(chǔ)約為5 240 t 。對(duì)稱單極海上換流站主體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 對(duì)稱單極平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)圖Fig. 4 Main structure diagram of symmetrical monopole platform

3.2 對(duì)稱雙極平臺(tái)設(shè)計(jì)

對(duì)稱雙極海上換流站全站共2 個(gè)換流單元，每個(gè)換流單元包含1套±525 kV/1 GW 柔直換流閥，換流閥組由3 相上橋臂和3 相下橋臂組成，每相橋臂由2 個(gè)閥塔串聯(lián)構(gòu)成。與對(duì)稱單極方案相同，采用交流側(cè)換相。

閥廳布置于平臺(tái)的下層，由于短軸縮短，可以考慮不設(shè)置閥廳中部的結(jié)構(gòu)柱以降低寬度方向尺寸。閥廳兩側(cè)布置水工、暖通、消防等輔助設(shè)備間。

平臺(tái)上層主要布置電纜夾層、直流場、柔直變室、閥側(cè)設(shè)備室和站用電相關(guān)設(shè)備。柔直變閥側(cè)采用敞開式設(shè)備，目前變壓器電纜出線套筒尚無具有承受直流偏置能力的成熟產(chǎn)品［21-22］。因此，柔直變網(wǎng)側(cè)采用電纜出線或與GIS 母線直連，閥側(cè)采用敞開式套管接線。每臺(tái)柔直變閥側(cè)設(shè)置1 組單接地隔離開關(guān)、1組避雷器，匯流后設(shè)置1組CT、1組PT，并通過直流電纜接入閥廳。

綜合各配電裝置區(qū)域，±525 kV/2 GW 對(duì)稱雙極方案平臺(tái)上部組塊總體尺寸為120 m（長）×91 m（寬）×45.5 m（高，凈空），平臺(tái)上層局部區(qū)域可采用凸字形設(shè)計(jì)。對(duì)稱雙極平臺(tái)斷面圖如圖5所示。

圖5 對(duì)稱雙極平臺(tái)斷面圖Fig. 5 Section of symmetrical bipole platform

對(duì)稱雙極方案上部組塊梁采用H 型鋼，立柱采用鋼管，甲板采用厚鋼板，在立柱、撐桿與主梁交點(diǎn)處管節(jié)點(diǎn)用鋼材DH36-Z35加強(qiáng)。

上部組塊主體鋼結(jié)構(gòu)重量約為18 430 t，其中設(shè)備重量約為8 930 t、舾裝重量約為1 940 t、上部組塊總重量約為29 300 t、導(dǎo)管架重量約為7 320 t、樁基礎(chǔ)約為8 180 t。對(duì)稱雙極海上換流站主體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 對(duì)稱雙極平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)圖Fig. 6 Main structure diagram of symmetrical bipole platform

3.3 海纜設(shè)計(jì)

本文以廣東海域水文氣象參數(shù)為例，結(jié)合附近已建、在建海底電纜工程經(jīng)驗(yàn)開展設(shè)計(jì)，本工程直流海底電纜敷設(shè)的環(huán)境參數(shù)如表7所示。

表7 海纜設(shè)計(jì)環(huán)境參數(shù)Tab.7 Environmental parameters for submarine cable design

目前國內(nèi)外使用的高壓直流海底電纜主要有3種：充油電纜（oil filled cable，OF）、交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜（cross-linked polyethylene cable，XLPE）和粘性浸漬紙絕緣電纜（mass impregnated cable，MI）。

交聯(lián)聚乙烯絕緣高壓直流電纜結(jié)構(gòu)具有輕便、彎曲半徑小、電氣性能優(yōu)良、耐熱性能好、允許運(yùn)行溫度高、載流量大、安裝方便、附件制作簡單、無漏油風(fēng)險(xiǎn)、可靠性較高、造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)，推薦采用。對(duì)稱單極全線采用導(dǎo)體截面為1×2 500 mm2的單芯±525 kV 直流海底電纜。對(duì)稱雙極全線采用導(dǎo)體截面為1×2 500 mm2的單芯±525 kV 直流海底電纜，金屬回線海纜載流量應(yīng)滿足單極運(yùn)行直流額定電流要求，截面與極線海纜一致，但其絕緣水平較低。選擇一根截面為1×2 500 mm2的66 kV 單芯回流線。

3.4 工程建設(shè)投資估算

±525 kV/2 GW 對(duì)稱單極及對(duì)稱雙極方案總靜態(tài)投資如表8 所示?？梢钥闯觯捎趯?duì)稱雙極方案海上換流站電氣設(shè)備多、尺寸重量大，且多一回金屬回線海纜，其初期工程建設(shè)總投資大幅高于對(duì)稱單極方案。

表8 建設(shè)投資對(duì)比Tab.8 Comparison of construction investment億元

4 全壽命周期收益分析

對(duì)于對(duì)稱單極系統(tǒng)，單臺(tái)柔直變壓器故障將導(dǎo)致系統(tǒng)輸送容量33%的損失，換流閥及直流系統(tǒng)其他設(shè)備發(fā)生故障均將導(dǎo)致直流系統(tǒng)停運(yùn)，系統(tǒng)將損失全額容量。而對(duì)于對(duì)稱雙極系統(tǒng)，海上站單臺(tái)柔直變壓器故障將導(dǎo)致系統(tǒng)輸送容量25%的損失，單極設(shè)備故障將導(dǎo)致系統(tǒng)容量50%的損失，大部分的設(shè)備故障將會(huì)導(dǎo)致單極停運(yùn)而不會(huì)造成雙極系統(tǒng)整體跳閘，非故障極仍能繼續(xù)維持系統(tǒng)50%的功率傳輸能力。各類設(shè)備故障停運(yùn)概率、檢修所需時(shí)間及損失的能量見表9，直流系統(tǒng)計(jì)劃檢修停運(yùn)時(shí)間見表10。

表9 各類故障概率及能量損失Tab.9 Probabilities of various types of faults and energy losses

表10 計(jì)劃檢修停運(yùn)要求Tab.10 Shutdown requirements for planned maintenance

結(jié)合各設(shè)備故障概率、停運(yùn)范圍及檢修時(shí)間，可以根據(jù)式（4）計(jì)算出全壽命周期系統(tǒng)可用率，根據(jù)式（5）計(jì)算等效年利用小時(shí)數(shù)。

式中：i為海上換流站電氣主設(shè)備類型；f(i)為第i類設(shè)備故障概率；t（i）為檢修時(shí)間；Ni為第i類設(shè)備的數(shù)量；k為故障損失的功率比例；Pav為直流輸電系統(tǒng)可用率；teq為不記及送出系統(tǒng)故障影響下的風(fēng)電場年利用小時(shí)數(shù)；Teq為記及送出系統(tǒng)故障后的風(fēng)電場年利用小時(shí)數(shù)。

由于目前海上風(fēng)電已經(jīng)采用競價(jià)上網(wǎng)模式，近期海上風(fēng)電項(xiàng)目的上網(wǎng)電價(jià)基本已達(dá)到平價(jià)上網(wǎng)的水平。因此，風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)按火電標(biāo)桿電價(jià)，取0.453 元/kWh，運(yùn)行壽命取30 a，根據(jù)式（4）—（5）可得，對(duì)稱雙極系統(tǒng)的高可靠性所帶來的的額外發(fā)電收益約16.42億元。

綜合考慮建設(shè)投資和全壽命周期內(nèi)發(fā)電盈利，±525 kV/2 GW 海上風(fēng)電經(jīng)對(duì)稱單極系統(tǒng)和對(duì)稱雙極系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比如表11 所示。可以看出，雖然對(duì)稱雙極系統(tǒng)降低了運(yùn)行期間的故障損失，但其高昂的初期建設(shè)成本導(dǎo)致總體經(jīng)濟(jì)性略遜于對(duì)稱單極方案。

表11 全壽命周期投資對(duì)比Tab.11 Comparison of life cycle investment億元

考慮到海纜價(jià)格以及海上風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)對(duì)方案經(jīng)濟(jì)性影響較大，可能會(huì)影響經(jīng)濟(jì)比較的結(jié)論。一方面，海纜價(jià)格受原材料價(jià)格漲跌影響較大，尤其是金屬銅，在國際銅價(jià)超過8 萬元/t 時(shí)，海纜單價(jià)普遍上漲10%。預(yù)計(jì)遠(yuǎn)期直流海纜價(jià)格中的研發(fā)費(fèi)用部分將有所降低，原材料成本仍具有一定的波動(dòng)性。當(dāng)海纜費(fèi)用降低時(shí)對(duì)稱雙極方案初期投資的劣勢會(huì)進(jìn)一步縮小，但是隨著海上風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)的不斷下降，其全壽命周期發(fā)電量的優(yōu)勢也在進(jìn)一步縮小。針對(duì)不同海纜成本和上網(wǎng)電價(jià)邊界條件，對(duì)兩種方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，如表12所示。

表12 不同邊界條件下的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比Tab.12 Economical comparison under different boundary conditions億元

表12 中海上風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)考慮低于、等于、高壓平價(jià)上網(wǎng)電價(jià)3 種工況，海纜費(fèi)用降低系數(shù)基準(zhǔn)值為前文算例中采用的廠家報(bào)價(jià)1 200 萬元/km（含敷設(shè)費(fèi)），表中數(shù)據(jù)為各種工況下對(duì)稱單極投資與對(duì)稱雙極投資之差。可以看出，當(dāng)海上風(fēng)電平價(jià)上網(wǎng)時(shí)海纜費(fèi)用需降低近50%，對(duì)稱雙極方案經(jīng)濟(jì)性才具有優(yōu)勢。

5 結(jié)論

本文針對(duì)±525 kV/2 GW 海上風(fēng)電柔直對(duì)稱雙極與對(duì)稱單極送出系統(tǒng)，統(tǒng)籌考慮工程設(shè)計(jì)與成套設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)，從系統(tǒng)主接線、運(yùn)行方式、一次設(shè)備、系統(tǒng)可靠性、電氣布置、平臺(tái)設(shè)計(jì)等全過程開展方案設(shè)計(jì)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，得到以下結(jié)論。

1）對(duì)稱雙極系統(tǒng)相較于對(duì)稱單極系統(tǒng)，由于需要3 根直流海纜，且海上換流站一次設(shè)備更多，海上換流平臺(tái)的尺寸及質(zhì)量較大，其初期投資遠(yuǎn)高于對(duì)稱單極方案。

2）對(duì)稱雙極系統(tǒng)輸電可靠性更高，雖然其設(shè)備更多，單體設(shè)備故障概率更大，但是單個(gè)設(shè)備故障工況下系統(tǒng)還能持續(xù)輸送一半功率。在海上風(fēng)電全壽命周期內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)更多的發(fā)電盈利。

3）本文以0.453元/kWh 電價(jià)及30 a運(yùn)行壽命為輸入?yún)?shù)，綜合考慮初期建設(shè)投資和全壽命周期發(fā)電盈利，對(duì)稱單極經(jīng)濟(jì)性仍然略優(yōu)于對(duì)稱雙極方案。同時(shí)對(duì)不同海纜價(jià)格及上網(wǎng)電價(jià)情況下的經(jīng)濟(jì)比較進(jìn)行了靈敏性分析，當(dāng)海上風(fēng)電平價(jià)上網(wǎng)時(shí)海纜費(fèi)用需降低近50%，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)稱雙極方案經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

4）考慮到對(duì)稱單極和對(duì)稱雙極投資差異并不大，隨著未來直流GIS 等新型設(shè)備的應(yīng)用，對(duì)稱雙極海上換流站的投資有進(jìn)一步降低的空間，經(jīng)濟(jì)性對(duì)比的結(jié)論可能會(huì)發(fā)生變化，這將是后續(xù)研究的重點(diǎn)方向之一。