基于多参量融合 TLCC-BEP模型的海上风电送出方案经济性对比分析

3.0 2026-04-20 4 4 3.95MB 16 页 20龙币

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新型电力系统

New Type Power Systems

Vol. 2 No. 3

Aug. 2024

第 2 卷第 3 期

2024 年 8 月

基于多参量融合 TLCC-BEP 模型的海上风电

送出方案经济性对比分析

罗永捷，吕元正，王强钢，周念成，贾赞，傅司豪，汤钰

（输变电装备技术全国重点实验室(重庆大学)，重庆 400044）

Economic Comparison Analysis of Offshore Wind Power Transmission Schemes Based on

Multi-parameter Fusion TLCC-BEP Model

LUO Yongjie, LÜ Yuanzheng, WANG Qianggang, ZHOU Niancheng, JIA Zan, FU Sihao, TANG Yu

(State Key Laboratory of Power Transmission Equipment Technology, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

ABSTRACT: During the 14th Five Year Plan period, China's offshore wind power gradually entered a rapid development

period of large-scale wind turbines, large-scale wind farm connections, and deep-and-far-sea wind farm site selection. More

and more offshore wind power transmission plans have been proposed. The active commutation type high-voltage direct

current transmission system (ACC-HVDC) has attracted much attention due to its advantages of small size, light weight, and

low cost of offshore converter equipment. However, there is currently a lack of systematic economic analysis of several typical

transmission schemes in multiple scenarios. This paper improved the total life cycle cost (TLCC) model with financial

parameters, combined with the levelized cost of energy (LCOE) model for break even point analysis (BEP), and integrated

multiple parameters to establish the TLCC-BEP offshore wind power economic evaluation model; Based on the sensitivity

analysis results of the model,the cost reduction and efficiency improvement measures under various scenarios were given.;

Then, based on the actual geographical data,an improved technical and economic calculation model was adopted to analyze the

cost characteristics and profitability of four schemes, namely HVAC, FFTS, VSC-HVDC and ACC-HVDC, in multiple

scenarios. Finally, the applicability range of the four transmission schemes was obtained.

KEY WORDS: offshore wind power; TLCC; LCOE; BEP; sensitivity analysis

摘要：“十四五”期间我国海上风电逐步进入风机大型化、联结规模化、选址深远海化的快速发展期，越来越多海上

风电送出方案被提出。主动换相型直流输电(active commutation type high-voltage direct current transmission system,

ACC-HVDC)以其离岸换流设备体积小、重量轻、成本低等优势备受关注，但目前缺乏对典型送出方案在多场景下的

系统性经济分析。该文以财务参数改进全生命周期成本(total life cycle cost, TLCC)模型，结合平准化度电成本

(levelized cost of energy, LCOE)模型进行盈亏平衡分析(break even point, BEP)，将多参数进行融合建立 TLCC-BEP 海上

风电经济性评估模型；根据模型敏感性分析结果，给出了各方案多场景下的降本增效措施；以实际风场地理数据，采

用改进后的技术经济计算模型，在多场景下对高压交流、分频输电、柔性直流及主动换相直流 4种方案进行成本特性

及盈利能力分析，最终得到 4种送出方案的适用范围。

关键词：海上风电；全生命周期成本；平准化度电成本；盈亏平衡点；敏感度分析

0　引言

我国海上风能储量巨大，其中深远海风能约

占海上风能总储量的 71.4%

［1］

，我国《“十四五”

可再生能源发展规划》将推进深远海风电降本增

效、平价上网划定为新时期发展目标

［2］

，海上风电

逐步迈向深远海是大势所趋。

DOI: 10.20121/j.2097-2784.ntps.240031 文章编号：2097-2784(2024)03-0330-16 中图分类号：TM 614 文献标识码：A

罗永捷，吕元正，王强钢，等：基于多参量融合 TLCC-BEP模型的海上风电送出方案经济性对比分析第 3 期

送出系统作为连接海上风电场与陆上电网的

电力桥梁，发展尤为关键。随着海上风电向深

远海发展，海况及环境更为复杂，现有送出技术

面临挑战。目前主要海上风电送出方案包括高压

交流（high voltage alternating current transmission

system，HVAC）、分频交流（fractional frequency

transmission system，FFTS）、柔性直流（voltage

source converter based high voltage direct current

transmission system，VSC-HVDC）及主动换相直流

（active commutation type high voltage direct current

transmission system，ACC-HVDC）方案，如图 1

所示。

(b) 深远海风电经FFTS送出方案

(d) 深远海风电经ACC-HVDC送出方案

汇集海缆

高

抗

海上风机

海上升压站

高

抗

海上补偿站

高

抗

陆上集控中心

陆上电网

交流送出

海缆

50/3 Hz 50 Hz

低频设备

M3C

汇集海缆

海上风机

海上升压换流站陆上集控中心

陆上电网

直流送出海缆

50 Hz 50 Hz

0 Hz

MMC

汇集海缆

海上风机

海上升压换流站陆上集控中心

陆上电网

直流送出海缆

50 Hz 50 Hz

0 Hz

MMC

ACC 平抗

Ldc

FBSM

HBSM

FBSM

HBSM

FBSM

HBSM

FBSM

HBSM

FBSM

HBSM

FBSM

HBSM

(a) 深远海风电经HVAC送出方案

汇集海缆

高

抗

海上风机

海上升压站

高

抗

海上补偿站

高

抗

陆上集控中心

陆上电网

交流送出

海缆

50 Hz

图1　大规模深远海风电送出方案拓扑

Fig. 1　Topology of large-scale and long-range deep offshore wind power transmission schemes

331

新型电力系统第 2 卷

HVAC 方案如图 1（a）所示，在近海风电送出

场景下被广泛采用。海上风电经汇集海缆接入海

上升压站后通过多回送出缆并入陆上电网，该方

案构造简单且成本较低，但远海送出时受海缆充

电功率制约

［3］

，需建设海上补偿站以提高送出

距离。

与HVAC 方案相似，FFTS 方案其风场、汇集

及送出系统部分设备需低频改造且受端需加装

M3C 变频器，如图 1（b）所示。该方案以低频化提

高海缆送出距离，避免建设大量海上补偿站；但

其离岸端风机及设备低频化带来的体积重量上升，

整体造价有所提高

［4-5］

，目前已在台州进行试点

应用。

VSC-HVDC 方案如图 1（c）所示，其离岸端采

用MMC 型换流器，文献［6］分析了江苏如东海上

风场柔直并网的可行性。该方案具有控制灵活、

可黑启动等诸多技术优势，但随着送出容量上升

其离岸端平台成本急剧增加。

ACC-HVDC 方案其系统拓扑与 VSC 相似，并

将其应用于海上风电，如图 1（d）所示，离岸端采

用主动换相电流源型换流器，该方案兼具低成本

与控制灵活的优势，但受制于大功率逆阻型器件

发展水平

［7］

。文献［8-9］针对 ACC 系统的稳态及暂

态特性进行了分析，验证了在海上风电领域应用

的可行性。

深远海送出下风场离岸距离远、场址水域深、

传输功率大、联结风场数多，上述各方案的技术

经济价值难以准确评估，场景适用性不明确

［10］

。

众多学者对 HVAC、FFTS 及VSC 进行了技术经济

性分析，但少有研究将 ACC 方案纳入讨论。文献

［11］对比分析了 ACC 与MMC 型换流阀的体积和

重量，但计算方案成本时仅考虑建设及损耗成本，

分析不全面。文献［12-13］采用成本调研法分析了

HVAC 及VSC 方案的经济性，指出离岸距离

100 km 外柔直方案最优，70 km 内交流方案最优，

但采用成本调研法使得结论存在较高的区间误差。

文献［14］综合考虑了 HVAC、FFTS 及VSC 方案，

采用全生命周期成本（total life cycle cost，TLCC）

模型，定性分析得出了几种方案在规模化送出场

景下的成本特性，文献［15］在文献［14］的基础上，

采用等年值全生命周期成本法重新测定了 3种方案

的经济区间，但算例场景为小规模送出，大规模

送出下方案经济性不明晰。文献［16］将平准化度

电成本（levelized cost of energy，LCOE）与全生命

周期成本结合来构成直流输电工程经济度量指标，

但忽略了模型的盈亏平衡点（break even point，

BEP），未能将 LCOE 的内在特性充分利用。综上

所述，现有经济性模型水深参数不可动态调节，

解算目标单一，且评估体系内缺乏成本效益、盈

亏平衡等指标，难以实现不同海上风电送出方案

的成本精细化对比分析；同时缺乏对四种送出方

案在多场景下的系统性对比，评估各方案最优经

济区间所采用的模型不统一。

本文首先建立基于多参量融合的改进式

TLCC-BEP海上风电送出系统经济性评估模型；其

次对模型进行参数敏感性分析，得到各方案经济

性模型主参量及降本增效措施；最后在 MATLAB

中对送出方案在典型场景下进行成本及盈利算例

分析，得到各方案适应性分布区间。

1　海上风电送出方案经济性精算模型

针对海上风电送出系统经济性模型评估参数

不全及解算目标单一的问题，本章将财务指标、

离岸距离、规模化、水深参数等融合总体及分部

模型，提出基于多参量融合的改进式 TLCC-BEP

海上风电送出系统经济性评估模型。

1.1　改进 TLCC-BEP 经济性评估总模型

采用现值法计算的计及资金时间价值的 TLCC

模型如式（1）所示：

CLCC =CI+

( )

1+rY-1

( )

1+rY

(

CO+CM+CF

)

( )

1+rYCD

(1)

式中：CI为初始建设成本，万元；CO为运行损耗

成本，万元；CM为维护成本，万元；CF为故障成

本，万元；CD为废弃成本，万元；r为折现率；Y

为风电场全生命周期运行年限，年。

在考虑财务指标的影响下，运维、故障成本

作为税前费用需要去除所得税、增值税的影响，

332

罗永捷，吕元正，王强钢，等：基于多参量融合 TLCC-BEP模型的海上风电送出方案经济性对比分析第 3 期

同时资产折旧因其非现金支出而具有“税盾”作

用，实际等同于收益，这部分财务指标对 TLCC 模

型的影响不可忽视。因此对 TLCC 模型进行改进，

计及税金及折旧后将式（1）改进为式（2）。

CELCC =CI+

( )

1+rY-1

( )

1+rY

(

CO+CM+CF

)

( )

1+rYCD-

( )

1+rY-1

( )

1+rY

(

CO+CM+CF

)

(

1-rvat

)

rit -

( )

1+rY-1

( )

1+rY

(

CDEP ×rit

)

(2)

式中：CDEP 为折旧成本，万元；rvat 为增值税税率；

rit为所得税税率。

相较于式（1），式（2）中第 2部分为剔除增值税

后运维净成本的税盾，第 3部分为固定资产折旧税

盾，折旧一般采用直线折旧法，即认为生命周期

末固定资产残值为零计算年折旧率。引入折旧和

税率后总模型将更贴合实际，改进后模型总体-分

部构造如图 2所示。

LCOE 作为衡量上网电价盈亏平衡点的重要指

标，将 TLCC 与发电收入相联系，给出了不同场景

下的最低可接受电价，是评估方案盈亏平衡点的

重要指标之一，结合改进 TLCC 模型的 BEP 计算

公式如下。

( )

1+rY-1

( )

1+rY

(

PG×pLCOE

)

(

1-rit

)

=CLCC (3)

式中：PG为年发电量，MWh；pLCOE 为平准化度电

成本，万元/MWh。

1.2　初始建设成本

初始建设成本只发生在风电场建设初期，且

仅发生一次，包含设备的采购安装及调试费用以

及土建费用，通式如式（4）所示：

CI=Cplat +Ctrans +Ccable +Csub +Ccomp +Cpri +Cconv (4)

式中：Cplat 为海上平台成本，万元；Ctrans 为变压器

成本，万元；Ccable 为海缆成本，万元；Csub 为陆上

集控中心成本，万元；Ccomp 为高抗补偿成本，万

元；Cpri 为其他设备成本，万元；Cconv 为换流器成

本，万元。

1.2.1　海上平台与陆上集控中心成本

海上平台包括升压、补偿及换流平台，其建

设成本与水深正相关，目前对平台成本计算大多

仅与传输功率有关，在深远海送出下缺乏适用性。

因此，本文对平台成本进行拆分，上部以交流升

压站为基准，采用体积法浮动计算

［17］

，浮动程度

与站内设备体积有关，柔直较交流方案上部体积

增大约 85%，ACC 型换流器因体积小，较柔直降

低约 41.1%

［11］

，保守取 ACC 方案海上换流站上部

体积为交流的 1.1~1.2 倍；下部桩基导管架成本依

据收资数据，以水深为变量进行拟合。平台建设

成本如式（5）所示，详细推导见附录 A1。

Cplat =AP +Ceβd+D(5)

式中：P为总传输功率，MW；d为平台水深，m；

A，C，D，β为对应成本系数。系数见表 1。

陆上集控中心建设成本依据调研数据进行拟

合，各送出方案采用的集控中心成本函数相同，

如式（6）所示。

Csub =4.59P+994.43 (6)

1.2.2　海缆成本

文献［18］指出交流海缆受充电功率影响，传

输距离存在临界值，超过临界值后有功传输限值

迅速下降，临界距离如式（7）所示：

LCrit =1

γartanh

(

3Icab Zc

)

»3Icab

ωC0U(7)

式中：γ为海缆传播系数；Icab 为海缆载流量，kA；

Zc为海缆波阻抗，Ω；U为送端电压，kV；ω为系统

改

进

全

生

命

周

期

成

本

模

型

初始建设成本

运维成本

故障成本

废弃成本

运行损耗成本

维护成本

折旧成本税盾

运维、故障成本

税盾

图2　改进 TLCC 经济性评估模型

Fig. 2　Improved total life cycle cost model

表1　海上平台成本系数

Table 1　Cost coefficient of offshore platforms

平台类型

海上交流平台

海上柔直平台

海上ACC 平台

21.416

38.548

27.841

323.472

507.877

688.529

682.805

0.019 89

333

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新型电力系统NewTypePowerSystemsVol.2No.3Aug.2024第2卷第3期2024年8月基于多参量融合TLCC-BEP模型的海上风电送出方案经济性对比分析罗永捷，吕元正，王强钢，周念成，贾赞，傅司豪，汤钰（输变电装备技术全国重点实验室(重庆大学)，重庆400044）EconomicComparisonAnalysisofOffshoreWindPowerTransmissionSchemesBasedonMulti-parameterFusionTLCC-BEPModelLUOYongjie,LÜYuanzheng,WANGQianggang,ZHOUNiancheng,...

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