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海上风电低频送出系统的经济性与可靠性分析

2025-04-11 43 上传者：管理员

摘要：随着全球对可再生能源的需求持续增长，以及人们的环保意识逐步提升，海上风电逐步成为人们能源获取过程中关注的重点。海上风电是一种清洁程度较高，且可再生的能源形式，同时海洋环境中风能资源十分丰富和稳定，对这一能源形式的利用将极大地降低能源压力和减少温室气体的排放。但同时海上风电项目在发展过程中也面临经济性和可靠性的挑战，本文针对当前海上风电低频送出系统运行的经济性与可靠性进行了分析，期望为后续的海上风电开发提供参考。

关键词：
低频送出系统
海上风电
经济性与可靠性
输电成本
输电技术
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海上风电利用领域,柔性低频交流输电技术的应用前景十分广阔,这种技术可以充分地解决当前深远海上风电送出中,对长距离输送技术的需求,同时其自身的输电成本也相对较低,系统整体稳定性和可靠性较高｡正因如此,在目前的工作之中加大对海上风电低频送出系统的研究与分析,对当前海上风电的发展具有重要现实意义｡

1、海上风电低频送出系统

海上风电低频送出系统所指的是利用柔性低频交流输电技术,将海上风电场产生的低频电能通过海底电缆输送至陆上电网的技术,该技术在应用过程中需要进行输电频率的降低,如将输电频率降低至<50Hz,即可减小海缆的充电功率,提升电缆的载流量,从而实现对能源的长距离､大容量输送[1]｡相比于传统的工频交流输电､柔直流输电技术而言,低频输电系统具有一定的经济性优势,首先是该技术下可以显著地减少对海缆的投资成本,原因是该技术在应用过程中可选择截面积更小的电缆,并在此基础上实现相同功率和相同距离的电能传输｡其次,采取低频送出系统也不用进行海上换流站的建设与维护,这种特征之下即可将输电系统的整体运维成本降低[2]｡

2、海上风电低频送出系统的经济性分析

2.1低频送出系统的成本构成

海上风电输送过程中,相关的成本构成主要包括初期投入成本､运营成本､维护成本､故障成本等多个组成部分｡在初期投入成本方面,成本主要为线缆的采购､基础设施的建设｡运行成本则主要为在系统投入使用之后,所产生的各类元器件､线缆的损耗等问题｡维护成本的构成以人工成本为主,故障成本在涵盖系统投入使用之后因为故障而造成的损失､设备残值等｡海上风电低频送出系统在设备构成方面主要包括整流器､逆变器､变压器和集电海缆等,在陆上平台方面,则主要为路上变频站[3]｡将其与高压交流(HVAC)输电系统的构成情况对比,可了解到其整体的构成情况相对较为类似(详见表1),其区别在于海上平台的采用中,HVAC需采取工频海上升压站,陆上平台需采用陆上集控中心等｡而从实际情况来看,低频变压器在体积､质量等方面相对工频海变压器而言,均会更大,这种情况可能会导致LFAC系统在建设成本方面高于传统HVAC系统｡

2.2经济电流密度及导线截面积分析

建设初期的成本投入是影响海上风电送出系统选择的重要一环,但其并非是决定性因素｡对经济电流密度进行分析,将可以为海上风电输出系统选出运行维护成本更小､经济性更强的方案｡对经济电流密度进行把握的意义主要体现在如下:①降低导线成本｡通过分析经济电流密度,将可以明确最佳的导线截面积,从而避免采用更大的导线材料而造成成本｡从输电方案选择角度来看,经济电流密度的把握显然可以帮助选择导线截面积更小的输电方案[4];②提高输电的效率｡经济电流密度下进行输电,有助于提升电能的传输效率,即在相关输电过程中采取更加合理的导线截面积,电能在输送过程中的损耗率也将得到降低,从而有助于提高系统的整体经济性和应用性能｡经济电流密度计算公式如下:

其中J为经济电流密度,K为综合经济系数,Δθ是允许温升,R0为导体在0℃的电阻率,α为电阻温度系数,ρ为导体材料密度｡以某100MW装机容量海上风电场的实际情况为例,其在进行风电送出系统建设过程中,综合经济系数为1.2,允许温升为40℃,所采用的输电系统为铜,电阻温度系数0.00393｡基于经济电流密度计算公式计算如下:

该结果意味着在进行风电输出系统方案选择的过程中,该海上风电项目需要让所采用的方案导线截面积在电流密度上,尽可能与这一数据接近,从而保证输电活动的经济性提升｡基于对该项目的经济电流密度,可进行不同方案所需的导线截面积计算,从而评估其经济性｡对于HVAC系统而言,在采取220kV电压输电,且经济电流密度JHVAC=5.15A/mm2的情况下,其导线截面积的计算如下:

从结果可以了解到在采取高压交流输电的时候,为了保证其能够符合经济电流密度JHVAC=5.15A/mm2的需求,其导线截面积至少需要达到88.26mm2｡相对而言,低频送出系统在应用过程中具有一定的优势,这种情况与低频送出系统的物理特性息息相关｡对于低频送出系统而言,因为其频率的降低,会带来电磁效应的减弱,从而可以减少导线导致的损耗,这种特性也让低频送出系统可以在相同的导线截面积下,进行更大的电流输送,从而能够让相关单位在电力送出系统设计的过程中,选择截面积更小的导线[5]｡以本项目的情况为例,由于低频送出系统所具备的优势,在实际应用过程中可以将其电流密度提升至120%左右,在此前提下其经济电流密度为:

根据上述计算可发现在低频送出系统下其电流密度为6.18A/mm2,意味着低频送出系统同等条件下的电力输送效率更高,其经济性也必然优于HVAC系统｡进一步对该条件下低频送出系统的导线截面积计算,结果如下:

即在该项目中采取低频送出系统则其导线的截面积将能够降低至73.55mm2,显著低于传统的HVAC系统,详见表2｡

表2100MW海上风电项目送出系统导线截面积对比

2.3线路损耗分析

在送电系统建设的过程中,其经济性的考量除了直观的导线截面积变化之外,其带来的线路损耗也是成本考量的关键因素｡线路损耗导致的直接影响就是电能的巨大浪费,这种情况会导致供电过程的运营成本大大增加,对于大型输电系统来说,线路损耗在其运营成本之中占据了相当大的比例｡正因如此,在实际工作之中采取措施尽可能降低线路损耗是保证送电系统运行经济效益增加,经济性得到体现的关键途径｡在经济成本之外,线路损耗还会带来较为突出的环境影响,在当前的社会环境中,送出系统的环保性也被作为成本考量的重要一环[6]｡而为了降低损耗,在输电过程中采取与实际需求更为适合的方案,对于提升经济性而言意义重大｡仍然以100MW海上风电项目为例,该项目距离负荷区域较远,属于深远海域风电项目,其输电距离为100km左右｡在项目设计过程中可供选择的送出方案包括低频送出系统,送出频率为20Hz;以及高压交流输电系统,工频50Hz｡通过对电流的经济性分析,已经了解到低频送出系统在同等导线截面积的情况下,其输电的效率高于工频输电系统,而在同等导线截面积的情况下,该系统的损耗也会低于传统方案｡项目线路损耗计算的过程中可采取如下公式:

其中Ploss为线路损耗,R为电阻,I为电流,S为导线截面积,L为输电距离｡对于低频送出系统来说,因为其输送电的频率较低,因此电磁效应相对更弱,这种情况会促进其线路损耗的减少,从既往的一些实际应用中可以了解到其对线路损耗的降低大约在10%~15%左右｡而在该项目中,以选择相同的88.26mm2截面积导线计算,则两种方案的电流计算结果如下:

表3海上风电低频送出与工频送出的可靠性对比

由此可见,在采取相同导线截面积的前提下,应用低频送出系统在线路损耗方面会低于采取HVAC方案｡通过这种方法,也可以对采取73.55mm2截面积导线下,低频送出系统的线路损耗情况进行计算,其结果为40.8MW｡原因是在输电过程中线路损耗的产生与导线截面积相关,当导线截面积减小,则将导致电阻增大,从而促进线路损耗的增加,但从结果中也可以发现,即便采取更小截面积的导线,采取低频送出系统的线路损耗程度,仍然低于工频输电,由此也可以了解到这一方案所具有的经济性程度更高,更加适宜在海上风电长距离送出需求下进行应用｡

3、海上风电低频送出系统的可靠性

3.1影响海上风电送出系统可靠性的因素

海上风电送出过程中不仅需要考虑系统的经济性,同时也需要考虑其发生故障的风险,以及因为风险而带来的损失等问题｡只有当相关系统在经济性､可靠性两个方面均处于相对较为平衡的状态,其才能作为当前海上风电送出的优先选择方案｡海上风电送出系统的可靠性主要受到如下结果方面情况的影响:①设备故障｡设备故障是海上风电可靠性降低的重要原因,就低频送出系统而言,其在投入生产过程中所面对的故障包括换流器故障等现象｡低频送出系统中换流器主要负责电压和电流的转换,是实现低频输电的关键设备,当其发生故障之后将可能导致电压的稳定性､电流均出现异常,从而对送出系统运行的整体稳定带来影响｡除了换流器之外,电压控制模块､电流控制模块等也存在故障的风险,导致电力输送的中断[7];②海缆故障｡无论是采取工频输电还是低频输电,海缆故障都是对送出系统安全性形成影响最为严重的因素之一｡海缆是输送电系统信号､电力传输的媒介,其破损是系统最常见的故障类型之一,而导致其发生故障的因素则包括人为､地震､海啸等多种因素,并因此造成海缆破损､信号中断､电力传输失败等｡海缆故障还可表现为绝缘故障,当绝缘层发生破损之后其会造成导体材料与海水的直接接触,并引发短路或旁路故障,造成电能传输质量的降低;③海洋环境因素｡海洋风电场所处的位置通常远离陆地,从而让其十分容易受到海洋气候条件的影响,如风浪､潮汐､盐雾等恶劣的天气条件,均可能导致送出系统的设备发生腐蚀､磨损等,并增加故障风险[8]｡

3.2低频送出系统的可靠性分析

基于各类影响因素,结合低频送出系统与工频送出的特征,可以对其可靠性进行一定程度的分析,从而为实际的应用提供参考｡从系统结构的层面来看,低频送出系统应用的技术相对更为先进,这一系统的核心设备包括了电力电子换流器和低频电缆｡电力电子换流器的主要作用是将工频电能转换为低频电能,以及将低频电能转换至工频电力,从而实现与电网的连接[9]｡电力电子换流器一般采用绝缘栅双极性晶体管(IGBT)或者是碳化硅(SiC)功率半导体｡低频电缆则是适用于低频输电需求的材料,其通常具有更强的绝缘层和特殊的屏蔽结构,这种特征可以较大程度减少低频输电过程中的损耗和电磁干扰,也可以一定程度增强线缆对环境变化的抵抗能力,从而让其在应用中具有更强的安全性和稳定性｡整体而言,因为对先进电力电子技术和新型设备的应用,低频送出系统在送出的稳定性和可靠性方面会更高,同时低频输电本身对于减少输电损耗十分有利,由于这种特征的存在也可以降低对电网的冲击和干扰,因此对整个电力系统的运行安全和稳定可以形成保障作用[10]｡(表3)

表3海上风电低频送出与工频送出的可靠性对比

4、结论

海上风电已经成为当前全社会共同关注的新能源类型,对其的有效开发和利用将极大地促进社会能源结构的优化,实现经济与环境的双重发展,因此意义重大｡而随着目前各类海上风电项目的建设,其电能送出系统的选择也成为热点话题,海上风电送出既需要考虑海洋环境中电能送出的经济性,又需要考虑系统在和建设和完善之后其是否可以稳定可靠地运行｡

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文章来源:罗啸远,鲍杰利,叶烨,等.海上风电低频送出系统的经济性与可靠性分析[J].价值工程,2025,44(10):23-25.