2 GW 海上風電對稱單極與對稱雙極柔直送出方案技術經濟性對比

馬向輝，張梓銘，吳冇，夏泠風，廖修譜，陳晨，許斌，胡超

（1. 中國南方電網有限責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中南電力設計院有限公司， 武漢 430000）

0 引言

與陸地風電相比，海上風電具有不占用土地、風速高、湍流強度小、年利用小時數高等優點，已成為全球清潔能源的發展方向。近年來，海上風電迎來了爆炸式發展，僅2021 年，全球新增海上風電裝機達到21.1 GW，其中中國新增裝機16.9 GW，占比達80%［1］，連續第四年位列全球海上風電新增裝機首位。截至2021 年，我國海上風電總裝機規模已達到全球海上風電近一半的比例，位居世界第一。

目前，全球多個可再生能源發展大國相繼提出了海上風電發展規劃，英國提出了2030 年前海上風電裝機容量達到40 GW 的宏偉目標，荷蘭制定了2030 年22.2 GW 風電裝機容量的發展規劃，德國海上風電裝機容量到2030 年將達到20 GW，法國、丹麥、比利時等國家都明確了海上風電產業發展方案。國家能源局印發的《“十四五”可再生能源發展規劃》提出［2］，積極推動近海海上風電規?；?、深遠海海上風電示范化發展。到2025 年廣東和江蘇兩省海上風電建設規模將達到千萬千瓦以上，全國海上風電裝機規模預計達到60 GW?？梢钥闯?，海上風電將在全球范圍內持續保持高速增長的態勢。

海上風電總體呈現“由小及大、由近及遠、由淺入深”的發展趨勢。早期海上風電離岸距離近，風機數量少，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場裝機規模提高至百兆瓦級，設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秀的技術經濟性，成為海上風電送出的首選方案。2010年，世界首個海上風電經柔性直流送出工程——德國北海BorWin1工程投運，為大規模遠海風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，直流輸送電壓等級為±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、故障隔離、可提供無功支撐能力等優勢，已成為千兆瓦級遠海海上風電送出的優選方案［3-6］。

根據直流接線方式的不同，柔性直流輸電系統可分為對稱單極和對稱雙極兩種。對稱單極系統設備少，接線簡單，海上平臺尺寸、重量相對較小，且無需金屬回線海纜，工程建設投資和難度較低。目前國內外已投運的海上風電柔性直流輸電工程均采用對稱單極接線方式［7］。

然而，對稱單極系統在可靠性方面存在一定劣勢，任意換流器或海纜發生故障都會導致直流系統全部停運，直到故障消除前將損失全部海上風電的發電量。而對稱雙極系統則可以在單極故障的情況下通過非故障極繼續持續送出電能，降低故障損失［8］。隨著海上風電場規模逐步增大至2 GW，單極故障全停帶來損失及對電網造成的沖擊不可忽視［9-10］。目前，歐洲海上風電運營商Tennet 已經開始研究應用于海上風電的對稱雙極柔性直流輸電方案。雖然對稱雙極方案初期投資高，但全壽命周期內故障損失電量少，運行階段經濟性更優［11-13］。然而，目前國內暫無針對對稱單極和對稱雙極方案全壽命周期經濟性對比的定量分析研究。

本文針對2 GW 海上風電柔性直流送出對稱單極與對稱雙極金屬回線方案進行了全壽命周期經濟性綜合比選，并提出了2 GW 海上風電柔性直流送出的推薦技術方案。

1 直流系統主要參數

海上風電柔性直流系統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。直流系統極線電流Id、閥交流側電流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 的過流關斷能力，一般橋臂額定電流不超過器件電流的70%。結合式（1）—（3）可知，當直流電壓等級為±400 kV 時需采用4.5 kV/3 kA IGBT 器件，當直流電壓等級為±500 kV 時可采用4.5 kV/3 kA IGBT器件。

目前國內已投運的陸上柔性直流工程換流閥主要參數以及采用的IGBT 器件如表1 所示。通過ZTD 和NTD 工程參數可知，當極線電壓提升至±400 kV時采用3 kA器件可以輸送2 GW。

表1 國內柔直工程主要參數表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。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。根據式（1）計算可知，2 GW直流送出的直流電壓等級應不低于476 kV。

考慮到海風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備及海纜過電壓耐受水平的情況下應適當抬高直流額定電壓，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柔直工程的標準電壓等級。根據成套設計絕緣配合的研究結論，直流電壓抬升至±525 kV時系統過電壓水平不超過直流設備和海纜的耐受水平。因此，本文海上風電柔直送出系統的直流電壓選擇為±525 kV。直流系統主要參數如表2所示。

表2 2GW柔直系統主要參數Tab. 2 Main parameters of 2GW VSC-HVDC

2 對稱單極與對稱雙極輸電方案

2.1 對稱單極方案

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

圖1 對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，每相分為上下兩個橋臂，通過柔直變壓器接于交流66 kV母線［17］。換流器每個橋臂由多個子模塊串聯構成，并有一定的冗余度，每個子模塊可以獨立控制。柔性直流換流器子模塊由IGBT、直流電容、晶閘管和旁路開關等組成，運行期間故障模塊可以被高速旁路開關隔離。

對稱單極方案海上換流站設置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尺寸，在柔直換流單元的交流側配置3 臺容量相同的三相三繞組變壓器，低壓側雙分裂，采用YNd11接線。聯接變壓器的網側套管接成YN 接線與交流系統直接相連，閥側套管形成三角形接線接入換流單元的交流側。

3 臺聯接變壓器閥側各設置一臺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連接。橋臂電抗器設置在換流單元橋臂直流側，全站共6臺橋臂電抗器。

直流系統采用對稱單極接線，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、負極母線上均裝設有直流電壓測量裝置、直流電流測量裝置及過電壓保護設備等。海上站無啟動回路、直流限流電抗器和耗能裝置。交流側66 kV 交流配電裝置采用單母線接線，共設置6 段母線。對稱單極方案主要設備參數如表3所示。

表3 對稱單極方案主要電氣設備參數Tab.3 Parameters of main electrical devices in symmetrical monopole system

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

表4 對稱單極系統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，不需要進行海拔修正。

2.2 對稱雙極方案

±525 kV/2 GW 對稱雙極系統海上換流站電氣主接線如圖2所示。

圖2 對稱雙極電氣主接線圖Fig. 2 Electric main wiring of symmetrical bipole system

對稱雙極方案柔直換流閥拓撲與對稱單極方案相同。海上側共設置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。

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

每極2 臺柔直變壓器閥側各設置一組550 kV 隔離開關、接地開關、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連接。由于對稱雙極方案柔直變閥側存在直流偏置，無法采用交流GIS 設備，而目前國內尚無成熟的±525 kV 直流GIS 設備，因此考慮采用敞開式設備。

橋臂電抗器設置在換流單元橋臂直流側，每極6臺橋臂電抗器，全站共12臺橋臂電抗器。

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

表5 對稱單極方案主要設備參數Tab.5 Parameters of main electrical devices in symmetrical bipole system

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

3 平臺設計及建設投資

3.1 對稱單極平臺設計

本節以目前國內在建的2 GW 海上直流工程QZ工程為背景開展平臺設計及工程造價分析。

海上換流站全站共1 個換流單元，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 個閥塔串聯構成?？紤]到交流側為電纜接線，換相方便，而直流場敞開式設備，換相復雜。因此，推薦換流閥橋臂相序采用“ABCCBA”相序布置［18］。同相換流閥交錯布置，并通過高壓電纜在交流側進行調整相序；換流閥直流側與橋臂電抗器相序對應，且由于同極換流閥相鄰布置，橋臂電抗器匯流后不需進行“+”極和“-”極換序，橋臂電抗器直流出線匯流簡單［19-20］。

閥廳布置于平臺的下層，由于短軸跨距較大，不增加結構轉換層時，需在閥廳中間設置一排結構柱。閥廳兩側布置水工、暖通、消防等輔助設備間。平臺上層主要布置電纜夾層、直流場、柔直變、GIS 和站用電相關設備。綜合各配電裝置區域，±525 kV/2 GW 對稱單極方案平臺上部組塊總體尺寸為80 m（長）×69 m（寬）×40.5 m（高，凈空），平臺上層局部區域采用凸字形設計。對稱單極平臺斷面圖如圖3所示。

圖3 對稱單極平臺斷面圖Fig. 3 Section of symmetrical monopole platform

海上換流站主體結構分為上部組塊和下部結構兩部分。上部組塊采用整體安裝和浮托法施工，導管架預留浮托法船舶進出的無干涉區域。

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、撐桿與主梁交點處管節點用鋼材DH36-Z35加強。

上部組塊主體鋼結構結構重量約為13 050 t，其中設備重量約為7 270 t，舾裝重量約為1 280 t，上部組塊總重量約為21 600 t。導管架重量約為10 520 t，樁基礎約為5 240 t 。對稱單極海上換流站主體結構如圖4所示。

圖4 對稱單極平臺主體結構圖Fig. 4 Main structure diagram of symmetrical monopole platform

3.2 對稱雙極平臺設計

對稱雙極海上換流站全站共2 個換流單元，每個換流單元包含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 個閥塔串聯構成。與對稱單極方案相同，采用交流側換相。

閥廳布置于平臺的下層，由于短軸縮短，可以考慮不設置閥廳中部的結構柱以降低寬度方向尺寸。閥廳兩側布置水工、暖通、消防等輔助設備間。

平臺上層主要布置電纜夾層、直流場、柔直變室、閥側設備室和站用電相關設備。柔直變閥側采用敞開式設備，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品［21-22］。因此，柔直變網側采用電纜出線或與GIS 母線直連，閥側采用敞開式套管接線。每臺柔直變閥側設置1 組單接地隔離開關、1組避雷器，匯流后設置1組CT、1組PT，并通過直流電纜接入閥廳。

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

圖5 對稱雙極平臺斷面圖Fig. 5 Section of symmetrical bipole platform

對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、撐桿與主梁交點處管節點用鋼材DH36-Z35加強。

上部組塊主體鋼結構重量約為18 430 t，其中設備重量約為8 930 t、舾裝重量約為1 940 t、上部組塊總重量約為29 300 t、導管架重量約為7 320 t、樁基礎約為8 180 t。對稱雙極海上換流站主體結構如圖6所示。

圖6 對稱雙極平臺主體結構圖Fig. 6 Main structure diagram of symmetrical bipole platform

3.3 海纜設計

本文以廣東海域水文氣象參數為例，結合附近已建、在建海底電纜工程經驗開展設計，本工程直流海底電纜敷設的環境參數如表7所示。

表7 海纜設計環境參數Tab.7 Environmental parameters for submarine cable design

目前國內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）。

交聯聚乙烯絕緣高壓直流電纜結構具有輕便、彎曲半徑小、電氣性能優良、耐熱性能好、允許運行溫度高、載流量大、安裝方便、附件制作簡單、無漏油風險、可靠性較高、造價較低等優點，推薦采用。對稱單極全線采用導體截面為1×2 500 mm2的單芯±525 kV 直流海底電纜。對稱雙極全線采用導體截面為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滿足單極運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 工程建設投資估算

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

表8 建設投資對比Tab.8 Comparison of construction investment億元

4 全壽命周期收益分析

對于對稱單極系統，單臺柔直變壓器故障將導致系統輸送容量33%的損失，換流閥及直流系統其他設備發生故障均將導致直流系統停運，系統將損失全額容量。而對于對稱雙極系統，海上站單臺柔直變壓器故障將導致系統輸送容量25%的損失，單極設備故障將導致系統容量50%的損失，大部分的設備故障將會導致單極停運而不會造成雙極系統整體跳閘，非故障極仍能繼續維持系統50%的功率傳輸能力。各類設備故障停運概率、檢修所需時間及損失的能量見表9，直流系統計劃檢修停運時間見表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 計劃檢修停運要求Tab.10 Shutdown requirements for planned maintenance

結合各設備故障概率、停運范圍及檢修時間，可以根據式（4）計算出全壽命周期系統可用率，根據式（5）計算等效年利用小時數。

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

由于目前海上風電已經采用競價上網模式，近期海上風電項目的上網電價基本已達到平價上網的水平。因此，風電上網電價按火電標桿電價，取0.453 元/kWh，運行壽命取30 a，根據式（4）—（5）可得，對稱雙極系統的高可靠性所帶來的的額外發電收益約16.42億元。

綜合考慮建設投資和全壽命周期內發電盈利，±525 kV/2 GW 海上風電經對稱單極系統和對稱雙極系統的經濟性對比如表11 所示?？梢钥闯?，雖然對稱雙極系統降低了運行期間的故障損失，但其高昂的初期建設成本導致總體經濟性略遜于對稱單極方案。

表11 全壽命周期投資對比Tab.11 Comparison of life cycle investment億元

考慮到海纜價格以及海上風電上網電價對方案經濟性影響較大，可能會影響經濟比較的結論。一方面，海纜價格受原材料價格漲跌影響較大，尤其是金屬銅，在國際銅價超過8 萬元/t 時，海纜單價普遍上漲10%。預計遠期直流海纜價格中的研發費用部分將有所降低，原材料成本仍具有一定的波動性。當海纜費用降低時對稱雙極方案初期投資的劣勢會進一步縮小，但是隨著海上風電上網電價的不斷下降，其全壽命周期發電量的優勢也在進一步縮小。針對不同海纜成本和上網電價邊界條件，對兩種方案的經濟性進行了分析，如表12所示。

表12 不同邊界條件下的經濟性對比Tab.12 Economical comparison under different boundary conditions億元

表12 中海上風電上網電價考慮低于、等于、高壓平價上網電價3 種工況，海纜費用降低系數基準值為前文算例中采用的廠家報價1 200 萬元/km（含敷設費），表中數據為各種工況下對稱單極投資與對稱雙極投資之差?？梢钥闯?，當海上風電平價上網時海纜費用需降低近50%，對稱雙極方案經濟性才具有優勢。

5 結論

本文針對±525 kV/2 GW 海上風電柔直對稱雙極與對稱單極送出系統，統籌考慮工程設計與成套設計各環節，從系統主接線、運行方式、一次設備、系統可靠性、電氣布置、平臺設計等全過程開展方案設計和技術經濟比較，得到以下結論。

1）對稱雙極系統相較于對稱單極系統，由于需要3 根直流海纜，且海上換流站一次設備更多，海上換流平臺的尺寸及質量較大，其初期投資遠高于對稱單極方案。

2）對稱雙極系統輸電可靠性更高，雖然其設備更多，單體設備故障概率更大，但是單個設備故障工況下系統還能持續輸送一半功率。在海上風電全壽命周期內可以實現更多的發電盈利。

3）本文以0.453元/kWh 電價及30 a運行壽命為輸入參數，綜合考慮初期建設投資和全壽命周期發電盈利，對稱單極經濟性仍然略優于對稱雙極方案。同時對不同海纜價格及上網電價情況下的經濟比較進行了靈敏性分析，當海上風電平價上網時海纜費用需降低近50%，才能實現對稱雙極方案經濟性更優。

4）考慮到對稱單極和對稱雙極投資差異并不大，隨著未來直流GIS 等新型設備的應用，對稱雙極海上換流站的投資有進一步降低的空間，經濟性對比的結論可能會發生變化，這將是后續研究的重點方向之一。