朱家寧，張?jiān)娿g，葛維春，劉闖，楚帥

（1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林省 吉林市 132012；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧省 沈陽(yáng)市 110006；3.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧省 沈陽(yáng)市 110870）

0 引言

為保護(hù)生態(tài)環(huán)境、降低碳排放量，我國(guó)提出了“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)。大力發(fā)展清潔能源是加快實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的重要途徑之一[1-8]。我國(guó)具有豐富的海上風(fēng)能資源，并且海上風(fēng)電具有風(fēng)機(jī)單機(jī)容量大、年發(fā)電利用時(shí)間長(zhǎng)、不占用陸地面積等優(yōu)勢(shì)，這使得海上風(fēng)電得到迅速發(fā)展[9-12]。截至2021 年9月，我國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量為1319萬(wàn)kW，新增裝機(jī)容量為382萬(wàn)kW，發(fā)展較為迅速。根據(jù)現(xiàn)有實(shí)際運(yùn)行的工程累積經(jīng)驗(yàn)可知，風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)成本隨著水深的增加而增大，同時(shí)，技術(shù)的復(fù)雜性也在逐漸增加，因此，近些年我國(guó)的海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)項(xiàng)目主要在近海區(qū)域。但隨著科技的多領(lǐng)域結(jié)合和需求負(fù)荷的飛速增長(zhǎng)，未來(lái)的發(fā)展重心將向開(kāi)發(fā)大容量和遠(yuǎn)距離的海上風(fēng)電轉(zhuǎn)移，因此解決其電能輸送問(wèn)題是當(dāng)前的一個(gè)重要任務(wù)[13]。

目前，已有研究者對(duì)現(xiàn)有輸電方式進(jìn)行了各種性能和經(jīng)濟(jì)性的對(duì)比。文獻(xiàn)[14-15]結(jié)合目前典型的海上風(fēng)電柔性直流輸電工程，從組成結(jié)構(gòu)與應(yīng)用現(xiàn)狀等方面對(duì)柔性直流輸電系統(tǒng)中的關(guān)鍵電氣設(shè)備進(jìn)行了分析和總結(jié)，并對(duì)海上換流站、海上風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。隨著海上風(fēng)機(jī)的大型化發(fā)展、風(fēng)場(chǎng)區(qū)域的不斷擴(kuò)大以及柔性直流輸電技術(shù)的進(jìn)步，采用直流匯集與直流輸電方式的全直流海上風(fēng)電場(chǎng)成為海上風(fēng)電未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。文獻(xiàn)[16]總結(jié)分析了現(xiàn)有工程和理論研究中涉及的大規(guī)模海上風(fēng)電直流送出拓?fù)洌⑻岢隽艘环N多電壓等級(jí)混合級(jí)聯(lián)直流送出系統(tǒng)，該系統(tǒng)可改善現(xiàn)有方案運(yùn)行靈活性低的問(wèn)題。為了提高電力系統(tǒng)抵抗故障能力，文獻(xiàn)[17]研究了基于多電平變換器的柔性直流輸電技術(shù)，建立了多端多電平直流輸電系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)各換流站的控制方法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果表明：多余的電力除正常向負(fù)荷供電外，可通過(guò)多端多級(jí)柔性直流輸電系統(tǒng)送入電網(wǎng)，當(dāng)因風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量不足或系統(tǒng)故障而導(dǎo)致運(yùn)行停止時(shí)，可實(shí)現(xiàn)功率反轉(zhuǎn)，從而提高了電力系統(tǒng)抗故障的能力。文獻(xiàn)[18]選取35、66 kV這2種交流集電方案，以及串聯(lián)升壓、并聯(lián)輻射這2種直流集電方案，在典型的海上風(fēng)電條件下，比較了遠(yuǎn)海風(fēng)電大容量機(jī)組不同集電方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[19]對(duì)海上風(fēng)電送出方式(包括交流、直流、制氫技術(shù))進(jìn)行概述，并以江蘇如東海上風(fēng)電站為例進(jìn)行成本分析。為了對(duì)海上風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，文獻(xiàn)[20]根據(jù)海上風(fēng)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總結(jié)了其優(yōu)化規(guī)劃算法與模型，闡述了海上風(fēng)電場(chǎng)的位置選擇、集電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電能輸送系統(tǒng)并網(wǎng)接入方式，為海上風(fēng)電規(guī)劃發(fā)展方向提供思路與建議。海上風(fēng)電場(chǎng)向遠(yuǎn)海和大容量化發(fā)展是必然趨勢(shì)，文獻(xiàn)[21]闡述了國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電機(jī)組容量、類(lèi)型及變流器等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并分析了大容量三相和多相化海上風(fēng)電機(jī)組，及其遇到的問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)，給出了未來(lái)多相化海上風(fēng)電機(jī)組的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制策略?xún)?yōu)化方法。

以上文獻(xiàn)主要對(duì)直流輸電技術(shù)與交流輸電技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，結(jié)果表明，應(yīng)用柔性直流技術(shù)可提高電能質(zhì)量，增強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，直流系統(tǒng)的可靠性高于交流系統(tǒng)。此外，解決風(fēng)電場(chǎng)的組網(wǎng)方式、風(fēng)電機(jī)組電力的直流變換與控制等方面的問(wèn)題，可以在工程上促進(jìn)海上全直流輸電的發(fā)展。

針對(duì)海上風(fēng)電架空線路輸送技術(shù)的研究，文獻(xiàn)[22]通過(guò)計(jì)算分析了220 kV 架空線輸電、220 kV 海纜輸電、220 kV 架空-海纜混合輸電、±200 kV 架空線輸電、±200 kV 海纜輸電和±200 kV 架空-海纜混合輸電6 種不同輸電方式下的投資成本，結(jié)果表明，220 kV 的架空線路投資成本最低。與架空線路相比，海纜線路存在明顯的電容效應(yīng)，限制了傳輸容量和輸送長(zhǎng)度[23]。通過(guò)海上風(fēng)電給電池充電，并將電池運(yùn)輸至就近海岸，為風(fēng)電送出提供了一條新路徑。由于船運(yùn)具有運(yùn)輸能力強(qiáng)、運(yùn)費(fèi)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)，常作為運(yùn)輸電池的主要途徑。為保證運(yùn)輸過(guò)程的安全可靠，文獻(xiàn)[24]提出了海上運(yùn)輸電池要求，鋰離子電池在海運(yùn)的過(guò)程中必須外部提供堅(jiān)實(shí)的支撐，且必須在完全封閉的包裹內(nèi)，以防止電池發(fā)生短路。文獻(xiàn)[25]分析了海上電池運(yùn)輸?shù)陌b要求，鋰離子單獨(dú)運(yùn)輸需依據(jù)包裝條款SP188，每包裝件毛重不超過(guò)30 kg，并使用堅(jiān)固外包裝。

然而，相比于陸上風(fēng)電，由于海底地理環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致施工困難、工作條件惡劣，海上風(fēng)電建設(shè)、電能輸送并網(wǎng)、運(yùn)行維護(hù)的時(shí)間周期和相應(yīng)成本均大幅度增加，限制了深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電的大規(guī)模發(fā)展。近幾年我國(guó)海上風(fēng)電新增裝機(jī)數(shù)據(jù)主要來(lái)自近海風(fēng)電建設(shè)項(xiàng)目，隨著技術(shù)完善、成本下降，海上風(fēng)電將向大規(guī)模、深遠(yuǎn)海發(fā)展。因此，安全可靠又較為經(jīng)濟(jì)的輸電方式可有效保障整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)提高海上風(fēng)電輸送電能的利用效率，有助于實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電電能最大化利用。

本文從海上風(fēng)電電能輸送方式的角度出發(fā)，介紹了交/直流輸電系統(tǒng)、架空線路以及輪船運(yùn)輸電池的工作原理。圍繞投資成本、運(yùn)行損耗、安全程度、傳輸容量等指標(biāo)，對(duì)比了現(xiàn)有電能傳輸方式和借助電池輸送電能方式的差異。針對(duì)各種傳輸方式的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)劣勢(shì)分析，并提出未來(lái)需要重點(diǎn)研究的方向。

1 海上風(fēng)電場(chǎng)的電能輸送

1.1 海上風(fēng)電場(chǎng)概述

風(fēng)電在我國(guó)按照地理位置可分為海上風(fēng)力發(fā)電與陸上風(fēng)力發(fā)電，其中海上風(fēng)電場(chǎng)根據(jù)水位深度可分為潮間帶風(fēng)電場(chǎng)、近海風(fēng)電場(chǎng)和深海風(fēng)電場(chǎng)3 類(lèi)。潮間帶風(fēng)電場(chǎng)是指在海水漲潮至高潮線到退潮至最低潮位以下平均值在5 m 水深內(nèi)的海域進(jìn)行開(kāi)發(fā)建設(shè)的風(fēng)電場(chǎng)；近海風(fēng)電場(chǎng)是指在海水退潮到最低潮位以下平均值5～50 m水深內(nèi)的海域進(jìn)行開(kāi)發(fā)建設(shè)的風(fēng)電場(chǎng)；深海風(fēng)電場(chǎng)是指在海水退潮到最低潮位以下平均值大于50 m水深的海域進(jìn)行開(kāi)發(fā)建設(shè)的風(fēng)電場(chǎng)。深海風(fēng)電場(chǎng)是將來(lái)開(kāi)發(fā)建設(shè)的重心，因此，經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性等方面是海上風(fēng)電場(chǎng)及其輸電系統(tǒng)選擇合適輸電方式比較重要的考量因素。海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模大、成本高，所在位置環(huán)境復(fù)雜、穩(wěn)定性差，運(yùn)維難度大、周期長(zhǎng)，必須高度重視并網(wǎng)輸送方案的可靠性。輸電方式的選擇在于考慮不同風(fēng)電場(chǎng)之間的傳輸容量和距離。目前，海上風(fēng)電場(chǎng)可選擇的輸電系統(tǒng)主要為高壓直流(high voltage direct current，HVDC)輸電、高壓交流(high voltage alternating current，HVAC)輸電等方式。

1.2 高壓交流輸電系統(tǒng)

在近海風(fēng)電場(chǎng)采取的輸電方式主要是高壓交流輸電。高壓交流輸電系統(tǒng)主要由風(fēng)電場(chǎng)交流線路、海上升壓站與無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備組成。在輸電線路的始端，風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的交流電經(jīng)換流變壓器升壓到35 kV 后，電能不需轉(zhuǎn)換，通過(guò)電纜匯至110 kV/220 kV的海上升壓站后，再經(jīng)線路連接至陸上升壓站，最終通過(guò)220 kV線路實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。海上風(fēng)電經(jīng)交流輸電系統(tǒng)送出拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 海上風(fēng)電經(jīng)交流輸電系統(tǒng)送出拓?fù)鋱DFig.1 Topology of offshore wind power transmission through AC system

交流輸電系統(tǒng)有以下缺點(diǎn)：1）由于交流電纜的電容效應(yīng)會(huì)增大無(wú)功損耗，因此需增設(shè)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，另外，由于遠(yuǎn)距離大容量的風(fēng)電場(chǎng)通常采用多回路電纜來(lái)滿(mǎn)足需求的傳輸容量，因此會(huì)增加經(jīng)濟(jì)成本；2）通過(guò)交流電纜來(lái)連接海上和陸地的風(fēng)電場(chǎng)，一旦發(fā)生故障會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性無(wú)法得到保障[13,26]。因此，該系統(tǒng)可靠性高，但是由于存在充電功率、電纜充電電容較大以及無(wú)功補(bǔ)償控制等問(wèn)題，常應(yīng)用在小規(guī)模潮間帶風(fēng)電場(chǎng)以及近海風(fēng)電場(chǎng)。

1.3 高壓直流輸電系統(tǒng)

1.3.1 高壓直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高壓直流輸電是在輸電線路的始端，風(fēng)電機(jī)組輸出的交流電經(jīng)升壓變壓器，再由集電系統(tǒng)至海上換流站轉(zhuǎn)換為直流，最后通過(guò)直流線路傳輸?shù)铰飞蠐Q流站轉(zhuǎn)換為符合的交流電并進(jìn)行并網(wǎng)。海上風(fēng)電機(jī)組的多相化將有效促進(jìn)全直流型海上風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)用與發(fā)展，可降低損耗、增大傳輸容量、節(jié)約材料，為風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部無(wú)功電壓提供解決方案，在未來(lái)大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)電流匯集及遠(yuǎn)距離輸電并網(wǎng)方面起到重要作用。圖2 為海上風(fēng)電經(jīng)直流輸電系統(tǒng)送出拓?fù)鋱D。目前大多在遠(yuǎn)距離、大容量類(lèi)型的海上風(fēng)電中應(yīng)用直流輸電技術(shù)，高壓交流輸電系統(tǒng)通常分為基于電網(wǎng)換相換流器的傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)(line commutated converter HVDC，LCC-HVDC)、基于電壓源換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)(voltage source converter-based HVDC，VSC-HVDC)[27]。

圖2 海上風(fēng)電經(jīng)直流輸電系統(tǒng)送出拓?fù)鋱DFig.2 Topology of offshore wind power transmission through DC system

1.3.2 傳統(tǒng)高壓直流輸電

傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)主要包括交流濾波器、直流濾波器、換流變壓器、直流線路和電容器組件等設(shè)備，此技術(shù)起步較早、較成熟。在該系統(tǒng)中，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組發(fā)出的交流電壓經(jīng)升壓為35 kV后，由35 kV 海纜匯流至送端換流站，經(jīng)轉(zhuǎn)化的直流電通過(guò)直流線路接入電網(wǎng)側(cè)的受端換流站，逆變成交流電，最終以220 kV 交流電并入電網(wǎng)。傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)比較適合傳輸大功率的風(fēng)電場(chǎng)，由于我國(guó)地理能源與需求負(fù)荷分布不均勻，因此需要建設(shè)適合遠(yuǎn)距離且大規(guī)模的直流輸電通道。但由于直流輸電存在諧波污染和成本較高等缺陷，因此該技術(shù)目前尚未在深海領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用。

采用傳統(tǒng)高壓直流輸電技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）單個(gè)變流器具有更大容量，降低了成本；2）具有事故過(guò)后快速恢復(fù)供電的能力；3）可靠性高，已擁有幾十年的實(shí)際操作運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)；4）可將更大規(guī)模、遠(yuǎn)海的海上風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行連接。海上、陸上換流站及直流輸電電纜的輸送結(jié)構(gòu)，可有效應(yīng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)大范圍頻率波動(dòng)，避免傳輸距離的約束，并降低傳輸損耗。

但采用傳統(tǒng)高壓直流輸電技術(shù)仍有以下不足：1）增加了無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備和濾波器的成本；2）諧波污染電網(wǎng)，連接交流電網(wǎng)易發(fā)生換相失??；3）不能單獨(dú)控制有功和無(wú)功功率，且不能接入無(wú)源系統(tǒng)；4）平臺(tái)占用面積較大[13]。

1.3.3 柔性直流輸電

柔性直流輸電系統(tǒng)主要包括換流站、直流線路及輔助動(dòng)力系統(tǒng)等部分，其是在傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了可關(guān)斷電子器件的一種新型可換流的直流輸電技術(shù)，能夠?qū)﹄妷禾峁┓€(wěn)定的支撐，還具有可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是在大規(guī)模且遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電場(chǎng)中輸電并網(wǎng)方式的首要選擇，在大力發(fā)展遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)的當(dāng)下已逐步變?yōu)楹Ｉ喜⒕W(wǎng)的核心技術(shù)。

使用柔性直流輸電技術(shù)并入電網(wǎng)有以下優(yōu)點(diǎn)：1）系統(tǒng)不易發(fā)生換相失敗，能實(shí)現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)[28]；2）可增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不需要交流系統(tǒng)補(bǔ)充無(wú)功功率；3）可單獨(dú)控制有功和無(wú)功功率，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，提高電能質(zhì)量[29]；4）全控型器件的開(kāi)關(guān)頻率極高，僅需少量高次濾波器就可以完成過(guò)濾，可避免低次諧波對(duì)電網(wǎng)的污染；5）系統(tǒng)具備黑啟動(dòng)能力；6）可接入無(wú)源電網(wǎng)供電[30]。當(dāng)輸電系統(tǒng)因出現(xiàn)故障而停止運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)致控制直流電壓不穩(wěn)定，此時(shí)可利用柔性直流輸電系統(tǒng)來(lái)維持功率平衡，提高電壓的穩(wěn)定性。

然而，應(yīng)用柔性直流輸電技術(shù)仍有以下不足：1）直流輸電需進(jìn)行多次交直流變換，而換流器成本較高；2）海上風(fēng)電場(chǎng)不能直接對(duì)陸上交流系統(tǒng)頻率變化做出響應(yīng)、進(jìn)行主動(dòng)頻率支撐[30]；3）實(shí)際運(yùn)行工程較少，技術(shù)不成熟?，F(xiàn)有的應(yīng)用，例如，江蘇如東柔直工程采用了±400 kV直流電纜，共分為2 極，每極包括99 km 海纜和9 km 陸纜，這是目前國(guó)內(nèi)電壓等級(jí)最高、輸送距離最長(zhǎng)的柔性直流輸電電纜。

1.4 架空線路輸電

架空線路在高壓輸電系統(tǒng)中的線路選擇上具有重要地位，其跨越距離長(zhǎng)，滿(mǎn)足輸送大容量的條件，不存在電壓等級(jí)和輸送容量的限制等問(wèn)題。目前有研究將架空線路與無(wú)人機(jī)、人工智能技術(shù)相結(jié)合，為發(fā)現(xiàn)故障和排除隱患提供了更有利的條件，并且縮短了建設(shè)和維護(hù)周期。架空線路導(dǎo)線型號(hào)繁多，多與直流線路、交流線路聯(lián)合使用，隨著技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)導(dǎo)線材質(zhì)、絕緣設(shè)備的不斷深入研究，架空線路尤其在海島新能源并網(wǎng)及為海島孤立負(fù)荷提供電能等海上項(xiàng)目中展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)實(shí)際運(yùn)行的海上項(xiàng)目中，深圳大鏟島前灣LNG電廠采用220 kV線路輸出電能，經(jīng)海段架設(shè)同塔雙回線路，長(zhǎng)度約10.5 km；福建莆田L(fēng)NG電廠通過(guò)500 kV輸電線路送出，采用同塔雙回大跨越線路，海上線路長(zhǎng)約3.15 km[22]。

1.5 運(yùn)輸電池

運(yùn)輸電池是一種海上風(fēng)電輸送的新方法，利用風(fēng)電直接給儲(chǔ)能電池充電，并用輪船運(yùn)輸電池到換電站，與電纜相比，其不存在鋪設(shè)困難、傳輸距離的限制等問(wèn)題，能夠有效地解決海上風(fēng)電運(yùn)輸至陸地困難的問(wèn)題，避免了跨海域傳輸維護(hù)成本高、設(shè)備建設(shè)困難等難題。電池儲(chǔ)能可以接入電網(wǎng)提升電能質(zhì)量，同時(shí)可以為城市中電動(dòng)汽車(chē)提供能源。一般選擇鋰電池為儲(chǔ)能電池，鋰電池具有使用壽命長(zhǎng)、充放電效率高等優(yōu)點(diǎn)，且鋰離子電池的充放電效率可達(dá)70%～90%[31-32]。運(yùn)輸電池的原理如圖3 所示。船舶是海上運(yùn)輸電池的主要載體，船舶的運(yùn)行路線靈活性強(qiáng)，船身內(nèi)部容量較大，因此運(yùn)載能力較強(qiáng)，而且其不需要考慮傳輸容量，可以通過(guò)增加單次船運(yùn)數(shù)目來(lái)滿(mǎn)足需求。隨著對(duì)能源需求量的增大和技術(shù)的快速發(fā)展，將會(huì)開(kāi)拓更多的航線，其運(yùn)輸量會(huì)呈倍數(shù)增長(zhǎng)，更加有利于此方式的后續(xù)開(kāi)展，并且增加了依靠船舶運(yùn)輸電池方式的可行性。

圖3 運(yùn)輸電池原理圖Fig.3 Transport battery schematic diagram

2 海上風(fēng)電輸送方式對(duì)比

2.1 各類(lèi)電能輸送方式指標(biāo)對(duì)比

2.1.1 對(duì)比項(xiàng)

本文對(duì)傳統(tǒng)輸送海上風(fēng)電電能的方式(高壓直流輸電、高壓交流輸電和架空線路輸電)與借助電池儲(chǔ)存電能再通過(guò)輪船運(yùn)輸輸送電能的方式進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1 所示，對(duì)比項(xiàng)包括投資成本、運(yùn)行費(fèi)用、維護(hù)成本、損耗費(fèi)用、應(yīng)用情況、安全程度和傳輸容量。

表1 各類(lèi)電能輸送方式的指標(biāo)對(duì)比Tab.1 Comparison of indexes of various electric energy transmission modes

2.1.2 投資成本

運(yùn)輸電池的投資成本主要考慮輪船的租賃或建造費(fèi)用和電池的造價(jià)，船舶的成本由變動(dòng)成本和固定成本2 部分組成，其中，變動(dòng)成本包括人工成本、折舊費(fèi)、修理費(fèi)等；固定成本包括燃油費(fèi)用和港口使費(fèi)[39]。相比于需要平臺(tái)建設(shè)的電纜，運(yùn)輸電池的輸電成本更低，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。高壓直流輸電系統(tǒng)設(shè)備投資成本包括換流站成本、電纜線路成本、電纜線路敷設(shè)安裝成本；高壓交流輸電系統(tǒng)設(shè)備投資成本包括變電站成本、電纜線路成本、電纜敷設(shè)安裝成本、無(wú)功補(bǔ)償成本。交流和直流輸電方式的投資費(fèi)用會(huì)隨著輸電距離的增加而提高，其中當(dāng)輸電長(zhǎng)度增加到一個(gè)臨界值時(shí)，2 種輸電方式的費(fèi)用相同。各輸電方式的輸送距離與成本的關(guān)系如圖4所示。

從圖4 可以看出，在輸送相等功率、電壓等級(jí)相同的條件下，交流輸電系統(tǒng)的變電站投資成本低于直流輸電系統(tǒng)的換流站投資成本，采用交流輸電比直流輸電更經(jīng)濟(jì)；隨著輸電距離增加到等價(jià)距離，2 種輸電方式的投資成本相同，當(dāng)輸電距離超過(guò)臨界值時(shí)，采用直流輸電較為經(jīng)濟(jì)。雖然交、直流輸電系統(tǒng)的容量和電壓等級(jí)不同會(huì)影響等價(jià)距離的數(shù)值，但通常交流線路與直流線路的等價(jià)距離在50～80 km范圍內(nèi)，交流架空線路與直流架空線路的等價(jià)距離在500～800 km 范圍內(nèi)。隨著電力電子技術(shù)快速發(fā)展，裝置成本不斷降低，交、直流輸電可進(jìn)一步縮短等價(jià)距離。運(yùn)輸電池的成本費(fèi)用遠(yuǎn)低于其他3種輸電方式。

圖4 各輸電方式的輸送距離和成本關(guān)系示意圖Fig.4 Schematic diagram of relationship between transmission distance and cost of each transmission mode

2.1.3 運(yùn)行費(fèi)用及維護(hù)成本

運(yùn)輸電池的運(yùn)行費(fèi)用主要是輪船的燃料費(fèi)用和人工費(fèi)用，近距離運(yùn)輸成本較低，比較有優(yōu)勢(shì)。架空線路的損耗主要是在電阻上。當(dāng)輸送同等容量時(shí)，直流輸電系統(tǒng)損耗只達(dá)到交流輸電系統(tǒng)損耗的2/3。交流海纜的損耗構(gòu)成較復(fù)雜，需要考慮絕緣損耗、纜線線芯的交流電阻損耗、金屬套和鎧裝層的損耗，而直流海纜損耗相較于交流海纜損耗構(gòu)成更單一。因此，全交流海底電纜線路的年運(yùn)行費(fèi)用最高[22]。

架空線路由于本身絕緣部位的材料等問(wèn)題，在雷雨天氣易遭受雷擊，從而損壞絕緣線路；鳥(niǎo)類(lèi)在高速飛行時(shí)架空線路易遭受撞擊而造成短路。因此架空線路的穩(wěn)定性較差，維護(hù)成本占比較高；但由于架空線路的投資成本遠(yuǎn)低于電纜線路，所以架空線路的總維護(hù)成本相對(duì)較低。交、直流海底電纜輸電系統(tǒng)年維護(hù)成本分別占總投資成本的1.2%、0.5%，由于交流輸電系統(tǒng)與直流輸電系統(tǒng)在投資成本上存在等價(jià)距離，在等價(jià)距離兩側(cè)2種輸電方式的投資成本關(guān)系不同，交流輸電系統(tǒng)與直流輸電系統(tǒng)的維護(hù)成本也與輸送距離有關(guān)。運(yùn)輸電池的維護(hù)成本主要在于輪船的維護(hù)，包括人工修理費(fèi)用，運(yùn)行維護(hù)成本系數(shù)為0.05 元/(kW?h)，相較于其他運(yùn)輸方式費(fèi)用較低[41]。以裝機(jī)容量為300 MW、離岸距離為50 km 的海上風(fēng)電場(chǎng)為例，4種輸送方式的年維護(hù)成本對(duì)比如圖5所示。

圖5 各輸電系統(tǒng)年維護(hù)成本Fig.5 Annual maintenance cost of each transmission system

2.1.4 損耗費(fèi)用

輸送電池的損耗費(fèi)用包括輪船和電池的損耗，電池受溫度和濕度的影響較大，使用壽命會(huì)減少，但總體來(lái)說(shuō)此方式損耗費(fèi)用還是低于其他方式。直流輸電的年損耗費(fèi)用主要由直流線路損耗成本和換流站損耗成本組成，輸電距離每增加25 km，線路的損耗費(fèi)用約增加4萬(wàn)元[38]。

交流海纜輸電系統(tǒng)損耗主要分為變電站損耗和交流電纜線路損耗2 部分。變電站損耗率為0.8%，對(duì)于交流線路造成的損耗，本文只考慮導(dǎo)體損耗、護(hù)套和鎧裝層損耗。輸電距離每增加25 km，護(hù)套的損耗約增加4 MW，鎧裝層的損耗約增加2 MW，交流線路的損耗費(fèi)用隨著輸電距離每增加25 km，費(fèi)用約增加3萬(wàn)元[38]。因此，交流系統(tǒng)電纜線路損耗成本比直流系統(tǒng)電纜線路損耗成本會(huì)更高。

當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)容量未超過(guò)200 MW 時(shí)，高壓交流輸電在輸電距離300 km范圍內(nèi)的損耗均較低，而柔性直流輸電在遠(yuǎn)距離輸電中更能體現(xiàn)出其經(jīng)濟(jì)性；當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)容量高于200 MW 時(shí)，高壓交流輸電與柔性直流輸電的有功損耗臨界距離隨著風(fēng)電場(chǎng)容量增加而縮短，大容量柔性直流輸電相比于高壓交流輸電具有短距離輸電損耗少的明顯優(yōu)勢(shì)[42]。

2.1.5 應(yīng)用情況

高壓交流輸電系統(tǒng)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、起步較早、成本低廉、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)輸送距離大于100 km時(shí)，交流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)降低，海底交流電纜受充電電流的影響程度會(huì)隨電容增大而更嚴(yán)重，傳輸容量受限，輸電損耗增加。因此，高壓交流輸電比較適合處于傳輸距離不超過(guò)100 km近海區(qū)域以及小規(guī)模的風(fēng)電場(chǎng)，同時(shí)系統(tǒng)中配置的無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)能跟隨系統(tǒng)需求的變化而進(jìn)行改變。直流輸電需要裝設(shè)許多無(wú)功補(bǔ)償和濾波裝置，成本較高，因此在實(shí)際案例中大多適用于規(guī)模較大且離岸距離較遠(yuǎn)的大型風(fēng)電場(chǎng)[30]。1985 年投運(yùn)的加拿大納爾遜河多端直流項(xiàng)目額定電壓可達(dá)±500 kV，在特高壓直流輸電中可以達(dá)到傳輸有功功率幾千兆瓦以上。海上架空線路前期在水深大于50 km 的深海風(fēng)電場(chǎng)的桿塔本體設(shè)計(jì)和施工是一個(gè)難題，風(fēng)速較高，需裝設(shè)的桿塔尺寸大、樁基深、施工難度高、建設(shè)周期長(zhǎng)，因此，海上架空線路適用于各種類(lèi)型風(fēng)電場(chǎng)，通常與交流或直流輸電方式組合應(yīng)用。通過(guò)輪船運(yùn)輸電池的方式輸送電能目前還只是提出的一種新的可能性，未有應(yīng)用實(shí)例。

2.1.6 安全程度

電池的安全程度較高，但輪船行駛受海上環(huán)境因素影響較大，因此輪船運(yùn)輸電池的方式受未知因素干擾較多，總體上安全程度較低。與海纜線路相比，直接暴露在空氣中的架空線路容易受雷擊和因大氣污染積污而發(fā)生短暫性故障，根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)施方案，可通過(guò)加強(qiáng)絕緣裝置實(shí)現(xiàn)線路抗雷擊和防污能力的提升。對(duì)海纜線路的安全造成威脅的因素(如船只拋錨的外部機(jī)械損傷)多數(shù)為不可修復(fù)性故障，維護(hù)頻率較高。因?yàn)槟壳皼](méi)有合適的直流斷路器可以抑制直流側(cè)的故障電流，而從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上來(lái)看，柔性直流輸電不能完全通過(guò)絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)器件來(lái)阻斷故障電流，直流側(cè)無(wú)法自動(dòng)清除故障[43]，所以一旦在直流側(cè)發(fā)生短路故障，必須切斷交流斷路器，關(guān)閉整個(gè)直流系統(tǒng)。但總體來(lái)看，相比于傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)，柔性直流輸電系統(tǒng)具有較高的容錯(cuò)性和可靠性。

2.1.7 傳輸容量

高壓交流輸電作為最早開(kāi)始發(fā)展的輸電方式，其技術(shù)較為成熟，但對(duì)海底電纜的絕緣要求較為嚴(yán)格，交流電纜存在的電容效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致大量無(wú)功損耗，且傳輸距離越遠(yuǎn)，傳輸容量越低，因此需要根據(jù)傳輸距離和容量來(lái)增設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置。舟山工程分別在定海、岱山、衢山、洋山和泗礁新建了5個(gè)±200 kV柔性直流換流站，各換流站容量分別為400、300、100、100、100 MW[44]。目前柔性直流輸電工程的輸送容量普遍不高，柔性直流輸電目前設(shè)計(jì)最高輸送有功功率為1 000 MW，現(xiàn)階段處于從理論到實(shí)際的過(guò)渡階段。不同容量的海上風(fēng)電場(chǎng)所采用的柔性直流輸電系統(tǒng)對(duì)應(yīng)不同的電壓等級(jí)，容量與電壓等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系一般是：容量100～300 MW，電壓等級(jí)±80 kV；容量300～500 MW，電壓等級(jí)±150 kV；容量500～1 100 MW，電壓等級(jí)±320 kV[45]。架空線路不受輸送容量和傳輸距離的限制，同時(shí)其建設(shè)成本較低、充電功率較小。

鋰電池的傳輸容量在0～80 MW，文獻(xiàn)[46]中的算例場(chǎng)景中，風(fēng)電場(chǎng)的總額定裝機(jī)容量為100 MW，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定容量為63 MW·h；文獻(xiàn)[47]中與風(fēng)電場(chǎng)配合運(yùn)行的電池儲(chǔ)能容量為100 MW/80 MW·h，存儲(chǔ)電量下限為16 MW·h。電池傳輸容量受外在因素干擾較大。有研究[48]表明：鋰電池的容量和壽命隨溫度的變化會(huì)產(chǎn)生較大的改變，溫度變化會(huì)導(dǎo)致電池的內(nèi)阻和電壓發(fā)生改變；溫度每升高1 ℃，電池壽命約減少60 d，溫度過(guò)低對(duì)電池性能的影響更大，導(dǎo)致電池內(nèi)阻增大，容量減小約8%。但運(yùn)輸電池相較于其他輸送方式更靈活，電池?cái)?shù)量可隨著需求的變化而改變，因此在這方面運(yùn)輸電池更具有優(yōu)勢(shì)。

2.2 各類(lèi)電能輸送方式經(jīng)濟(jì)性分析

以某離岸距離200 km、總裝機(jī)容量為400 MW的深遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)為例，對(duì)高壓交流輸電、高壓直流輸電、架空線路輸電與運(yùn)輸電池4 種電能輸送方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。交流輸電系統(tǒng)采用35 kV 交流匯集海纜，220 kV 輸電海纜采用截面積為1 600 mm2的工頻海纜；直流輸電系統(tǒng)采用35 kV 交流匯集海纜，直流輸電電壓為±200 kV，輸電海纜采用截面積為1 000 mm2的XLPE絕緣直海纜；架空線路輸電系統(tǒng)采用220 kV 架空線路；船舶運(yùn)輸電池按每天運(yùn)輸1趟計(jì)算，配備1艘船舶來(lái)進(jìn)行運(yùn)輸，載質(zhì)量為153 t。各類(lèi)電能輸送方式經(jīng)濟(jì)性參數(shù)[23,33-34]如表2所示。

表2 各類(lèi)電能輸送方式經(jīng)濟(jì)性參數(shù)Tab.2 Economic parameters of each transmission mode

海上風(fēng)電經(jīng)電池存儲(chǔ)通過(guò)海運(yùn)方式運(yùn)輸至陸地，由于電池存放在集裝箱中，船舶運(yùn)輸電池?fù)p耗忽略不計(jì)。但船舶存在燃油費(fèi)用，船舶耗油量約54.53 L/km，柴油價(jià)格按7元/L計(jì)算。各線路輸電系統(tǒng)的成本主要集中在固定資產(chǎn)成本上，維護(hù)成本較小，運(yùn)行成本可忽略不計(jì)，因此本算例只對(duì)總投資成本進(jìn)行分析，忽略維護(hù)成本和運(yùn)行成本。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以計(jì)算出各輸電方式的總投資成本，如圖6 所示?？梢钥闯觯航涣鬏旊娤到y(tǒng)的投資成本最高，通過(guò)船舶運(yùn)輸電池的投資成本最小。在交流輸電系統(tǒng)中，交流電纜投資成本較高，由于該電能輸送距離大于交、直流線路的等價(jià)距離，交流線路的投資成本高于直流輸電系統(tǒng)。直流輸電系統(tǒng)中直流輸電電纜投資成本較低，而其換流站建設(shè)成本高昂，在總成本中占比較高，降低了直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。架空線路的成本遠(yuǎn)低于海纜線路，但受桿塔建設(shè)困難、物理環(huán)境等外在因素的影響，不適用于深遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)的輸電系統(tǒng)。運(yùn)輸電池?zé)o需敷設(shè)線路，減少了海上平臺(tái)建設(shè)費(fèi)用與線路投資成本，并節(jié)省了海上空間資源，具有良好的發(fā)展前景。

圖6 各輸送方式總投資成本Fig.6 Total investment cost of each transportation mode

3 海上風(fēng)電輸送方式的優(yōu)劣勢(shì)分析

高壓交流輸電技術(shù)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富，但容易被海底交流電纜充電電容所影響，從而限制了其傳輸容量，因此不適用于輸送遠(yuǎn)距離、大容量的電能。高壓直流輸電系統(tǒng)的線路安裝費(fèi)用隨著電壓等級(jí)的升高而增加，需對(duì)材料進(jìn)行深入研究并通過(guò)增加單座的容量來(lái)減少成本的損耗。此外，傳統(tǒng)高壓直流輸電技術(shù)需加強(qiáng)大規(guī)模能源通過(guò)弱電網(wǎng)的送出能力，研究更完善的直流輸電設(shè)備來(lái)提高系統(tǒng)的靈活性，并加強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力。柔性直流輸電技術(shù)需對(duì)換流器進(jìn)行優(yōu)化控制，提升電網(wǎng)接納新能源的能力，并提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性[49]，對(duì)于直流風(fēng)電場(chǎng)的控制策略、直流斷路器、系統(tǒng)的故障保護(hù)以及多相化機(jī)組的新型拓?fù)?，還需更進(jìn)一步的研究[50-51]。架空線路成本低廉，不受傳輸容量的限制，但在暴雨、大風(fēng)天氣，線路的桿塔容易倒塌、傾斜，電線極易被扯斷，從而造成斷路或短路；此外，在雷雨天氣易遭受雷擊，架空線路的安全運(yùn)行受環(huán)境因素影響較大。

船舶運(yùn)輸電池具有以下優(yōu)勢(shì)[52]：

1）運(yùn)費(fèi)低廉。船舶航道是自然組成的，船舶交通量大，港口設(shè)備一般由政府建設(shè)。由于所用的船舶經(jīng)久耐用、節(jié)省燃料，因此單位能源運(yùn)輸成本相對(duì)較低。

2）投資成本低。由于海底環(huán)境復(fù)雜，相比于在陸地，電纜建設(shè)施工難度呈幾何性地增加。然而，通過(guò)船舶運(yùn)輸無(wú)需敷設(shè)管道，不僅降低了作業(yè)難度，而且減少了前期投入成本。

3）增加運(yùn)輸能源的種類(lèi)。有些能源受到可運(yùn)輸方式的限制，最優(yōu)選擇通常是借由輪船運(yùn)輸，因此，除了運(yùn)輸電池，輪船還能同時(shí)運(yùn)輸其他不易運(yùn)輸?shù)哪茉?，以此降低成本?/p>

盡管運(yùn)輸電池較其他輸電方式具有諸多優(yōu)勢(shì)，但是輪船作為海上運(yùn)輸工具不可避免地存在一些缺陷，如航運(yùn)所遭受的自然氣候及其季節(jié)性的影響較大。綜上可知，4 種輸電方式各有利弊，海上風(fēng)電送出不能僅依賴(lài)某種方式，應(yīng)結(jié)合多種方式共同完成。

4 結(jié)論

海上風(fēng)電可緩解沿海地區(qū)高用電負(fù)荷需求，風(fēng)電發(fā)展戰(zhàn)略、并網(wǎng)系統(tǒng)的逐漸演變等因素加快了風(fēng)電機(jī)組的大型化發(fā)展，推進(jìn)了電能生產(chǎn)和輸送容量快速增長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)比分析海上風(fēng)電主要輸電方式性能指標(biāo)及其經(jīng)濟(jì)性，得到如下結(jié)論：

1）高壓交流輸電技術(shù)相對(duì)成熟，但易受輸送距離與傳輸容量限制；柔性直流輸電技術(shù)的組網(wǎng)方式加強(qiáng)了陸上各區(qū)域的交流電網(wǎng)和海上風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)功率潮流控制，可完成大容量傳輸?shù)哪繕?biāo)，是實(shí)現(xiàn)未來(lái)海上大容量風(fēng)電場(chǎng)匯集及遠(yuǎn)距離輸電并網(wǎng)的重要支柱；架空線路適合和其他輸電方式聯(lián)合使用；輪船運(yùn)輸電池具有方式靈活、成本價(jià)格低、運(yùn)費(fèi)低廉等優(yōu)勢(shì)，在海上風(fēng)電電能運(yùn)輸方面具有良好的發(fā)展前景。

2）輪船運(yùn)輸電池方式可有效降低海上風(fēng)電投資成本并提高海上風(fēng)電利用效率，有利于海上風(fēng)電的開(kāi)發(fā)與利用，并提升新能源消納能力。此外，電能通過(guò)電池儲(chǔ)存便于安放，可以在負(fù)荷需求時(shí)靈活地使用電能，降低供電成本與配電損耗，有利于提高電網(wǎng)的靈活調(diào)節(jié)能力與安全運(yùn)行保障水平。

3）輪船運(yùn)輸電池方式可有助于航運(yùn)行業(yè)的發(fā)展。船舶運(yùn)輸時(shí)間靈活，不受固定軌道限制，可通過(guò)和線路輸電互補(bǔ)使用，為海上風(fēng)電傳輸電能提供新的思路，有利于航運(yùn)的大規(guī)模、綠色和低碳發(fā)展，并促進(jìn)航運(yùn)行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和生產(chǎn)制造。