高压特高压直流与特高压交流输电经济性比较

、高压/特高压直流与特高压交流输电的经济性比较曾庆禹中国电力科学研究院北京清河小营100192【摘要】本文调查世界各国直流输电发展状况，对比分析我国直流输电工程状况及特点，以直流输电的基本原理和实际运行数据研究直流输电的运行性能与其建设成本、功率损失率、电量损失率和运行成本之间关系。对高压/特高压直流输电和1000KV特高压交流输电在功率和电量损失、建设成本、运行成本和寿命周期成本方面做了深入比较分析。研究结果表明：架空线路直流输电不可能同时做到输电线路投资低、输电功率损失和电量损失率小。高压/特高压直流架空线路大容量远距离输电，与特高压三相交流输电相比，输电的功率和电量损失率、输电年运行成本和寿命周期成本高，运行可靠性低。为实现电网节能减排，不应继续大量建设高压/特高压直流输电工程。大容量远距离“西电东送”宜发展1000KV输电网络输电，将大规模电力分散落点，实现远距离输送和全国范围广域分配。研究经济高效、安全可靠的1000KV输电网架结构，将已有的直流输电系统纳入1000KV电网，构筑“强交弱直”的超级广域电网。。0.引言电力工业初期，发电、输电和用电全是直流电。自1891年建成第一条三相交流输电系统，三相交流网络输电取代直流输电己走过120年发展历程。由于输电的经济性，适应电源和负荷变化的灵活性和运行可靠性，三相交流输电网络己覆盖世界各国的城镇和乡村。从20世纪70年代开始，在高电压大功率晶闸管技术成熟基础上，在国外，高压直流输电在输电网建设中作为个别输电方案得到一定的应用。77.3％直流输电工程用于海底电缆输电和背靠背换流工程，22.3％用于架空线路大容量远距离输电。直流输电容量占整个输电容量比例极小，如美国，仅占0.605％的总装机容量。在国外，高压直流输电仅仅是整个输电工程的个案说明了它的经济性、可靠性和灵活性差的问题。但是，在我国，目前对直流输电特的认识不是这样。文献［1］将直流输电与交流输电从概念上进行比较后得出结论：直流输电与交流输电相比，‘当输送相同功率时，其线路造价低。线路(功率、电量)损耗率较小，线路运行费用也较省’。文献［2］认为架空线直流输电‘与交流输电相比，输送同样的功率，线路造价为交流输电的2/3，其线路损耗约为交流的2/3‘。文献［3］提出，‘一条1000KVAC线路，如果不考虑稳定性和无功功率约朿，其线路长度超过1000Km，输送容量大约3000MW。’，认为‘两条3000MW、1000KV交流线路和一条6000MW、750KV直流双极线路的可用性相当，因为如果单极发生接地故障，仅仅影响一个极的运行。从可靠性方面进行比较，一个双极HVDC输电线路与两条交流输电线路相当’。文献［4］提出‘直、交流输电费用的等价距离700Km’。国内，有专家强调：输电距离超过600Km应采用直流输电，特高压交流输电发挥作用的输电距离仅在500Km和600Km之间，“发展直流己是行业共识“。但是，在国外，文献［5］在总结各国特高压直流输电可行性研究成果基础上得出结论：‘应用现有知识和技术，建设和运行±800kV直流输电工程是可行的，但需要进一步研究直流输电的经济性和性能的充裕性（可靠性）’。文献［6］在分析了特高压直流输电关键技术后，认为‘应用±600kV以上直流输电，严格来说，处决于其经济性和功率、电量的损失成本’。国外，对待特高压直流输电技术的工程应用仍然以个别工程来处理，持谨慎观点。、目前，在我国，正在以前所未有的速度規划建设大量的大容量点对点或点对网的架空线路直流输电工程。在这种情形下，研究和分析高压/特高压架空线路直流输电的经济性、可靠性和灵活性尤有必要。本文调查世界各国直流输电发展状况，以直流输电的基本原理和直流输电工程实际运行数据进行研究，企图探讨直流输电的建设成本、功率损失率、电量损失率和运行成本之间关系，并与1000KV特高压交流输电进行比较，分析直流输电的经济性。从直流输电原理和实际运行情况表明：大容量远距离架空线路直流输电不可能同时做到输电线路投资低、输电功率损失和电量损失率小；在相同输送功率情况下，直流输电要达到三相交流输电相同的功率损失率，建设成本高于1000KV交流输电；直流输电的年运行成本和寿命周期成本高于1000KV交流输电。1.高压/特高压直流输电基本原理直流输电系统由整流站、直流输电线路和逆变站三部份组成。整流站用晶闸管（可控硅整流器）将三相交流电整流转换为直流电。它通过直流输电线路被输送到受电端逆变站。逆变站用晶闸管逆变将直流再转换为三相交流电。基于晶闸管的直流输电，无论在整流站，还是在逆变站都要有足够的三相交流电源容量的支撑，以保证。換流站交直流电压和电流的正常稳定变換。整流站和逆变站通常称为换流站，均由交流开关场和直流换流场。两直流换流场的主电路结构完全相同，由交流开关、换流变压器、可控硅整流器组成的换流阀、平波电抗器、直流滤波器、中性点接地极、交流滤波器和无功补偿设备及相应的控制保护系统构成。整流站通过控制晶闸管触发角将交流电压转换成直流电压，其极线对地直流电压Ud1为：1111131.35cosdrdUNKUXI(1)逆变站通过控制晶闸管触发角将直流电压转换成交流电压，其极线对地直流电压Ud2为：2222231.35cosdrdUNKUXI(2)2222231.35cosdrdUNKUXI（3）式中：N1，N2—整流站和逆变站每极中的6脉动换流阀数，通常为2，±800kV为4；1U，2U—整流站和逆变站换流变压器交流电网母线线电压有效值（kV）；K1，K2--整流站和逆变站换流变压器变比；1rX，2rX—整流站和逆变站每相的换相电抗（Ω）；，—整流阀和逆变阀的触发角（度）；—逆变器的关断角（度）。直流线路的输电电流Id由两换流站间电压和线路电阻决定，其表达式为：12ddddUUSUIRl(4)式中：S—导线总截面(mm2)，—导线材料的电阻率(Ω·mm2/km)，L—输电线路长度(Km)。从上列各式可知，直流输电是：以控制整流阀晶闸管触发角和逆变阀晶闸管触发角、或关断角，调节直流线路两端电压Ud1和Ud2，从而改变dU值，调节直流电流Id，实现直流输电系统功率调节和整定。直流输电系统输送的功率是亊先確定的，属定制控制。直流输电系统采用定功率控制，先按照受端或送端系统给定的功率要求，调节Ud1,Ud2之间差值，产生达到功率要求值的Id，然后交由控制系统实現定功率控制要求。直流线路电压损失率和功率损失率Kd表达式为：222222ddddddddURIPKUUIP(5)从式(5)可知，直流线路电压损失率等于功率损失率。直流输电系统输送功率Pd表达式为：22222dddddKSUPUIl(6)由式（6）可知，直流输电线路输送的功率与导线截面、电压损失率和电压平方乘积成正比，与输电距离成反比。在我国Ud2=94%Ud~95%Ud，Ud为额定电压。，直流输电系统输送功率Pd分别为额定功率的88%~90%。输送功率与输送距离之乘积关係为：PdL=2KdSUd22/=Bc.Ud22(7)式中Bc=2KdS/-称为线路运行成本系数，反映线路建设成本和功率损失成本之积。由于在电压给定情况下输电功率与距离的乘积是一个定数，选择小的导线截面，必然是功率损失大，而选择大的导线截面，必然线路建设成本高。在输送功率和距离给定情况下，直流输电线路的运行成本可以说也是给定的，选择大截面导线增加建设成本，但可减少功率损失成本。相反，减少导线截面以减少建设成本，但将增加功率损失成本。选用小导线截面来增加输电距离必然导致增加功率损失成本。直流输电系统的稳态额定输送功率处决于换流阀的晶闸管额定电流，受热稳定限制。在额定电流给定情况下，不同分裂导线截面对应不同的输电距离和功率损失率。以±800kV，4KA直流输电系统为例，表1列出了不同分裂导线参数与输电距离和输电功率损失率的相互关系。表1分裂导线参数、功率损失率与输电距离关系Kd(％)L(Km)234566X720mm25838741166148717726X800mm26509751299162419496X1000mm28301245166020752490由表1可知，直流输电距离的增加意味着功率损失率增加，节能要求或功率损失率要求制约直流输电的距离；直流输电的距离隨分裂导线截面的加大即建设成本的增大而增加。2.我国与国外高压直流输电比较状况分析2.1.我国与国外直流输电工程現状根据文献［7］和有关方面统计，国外运行的和计划2010年投运的直流输电工程计75项，其中：A.架空线直流输电17项，B.跨海电缆直流输电31项，C.背靠背直流27项。我国运行的和2010年建成直流输电工程共计14项，其中：A.架空线直流输电12项，C.背靠背、直流2项。国外，总计直流换流（输电）额定容量59762MW。我国，总计直流换流（输电）额定容量42410MW，为国外直流換流（输电）总容量的71％。我国架空线路直流输电额定总容量为国外的1.45倍以上。至2010年，我国和国外直流输电工程現状如表2所示。表2国外和我国直流输电工程现状表从表可以看出：国外，单项直流工程平均换流（输电）容量为797MW。我国直流工程平均换流（输电）容量为3029MW，为国外的3.8倍。2.2.我国和国外主要大电网架空线直流输电总容量占总装机容量比较至2010年，我国和国外主要大电网架空线直流输电总容量占总装机容量比较，如表3所示。表3主要大电网直流输电工程数和运行容量比较表电网名称装机总容量（GW）架空线直流输电工程数输电总容量（MW）输电容量占装机容量％备注中国电网95012（A）384004.04美国电网10784（A）65200.605UCTE电网646000与外网有跨海直流联网俄罗斯独联体电网337000日本电网238.02000有跨海直流在全世界超过200GW的大电网中，有3个无架空线路直流输电工程。我国架空线路直流输电总容量占总装机容量的百分比为美国电网的6.68倍。2.3我国与国外架空线路直流输电工程现状至2010年，全世界±400KV及以上大容量远距离架空线路高压直流输电工程，如表4所示。表4全世界±400KV及以上架空线路高压直流输电工程国别项目名称线路长度(km)电压（kV）电容量（MW）投运时间（年）美国Pacific-Intertie1362±50031001970*&**加拿大NelsonRiver1895±45016201971*美国CU710±40010001979类别额定容量（MW）占总容量比例（％）工程项目数占总工程项目比例（％）国外A2640144.181722.67国外B2238237.453141.33国外C1097918.372736.00中国A3840090.541285.71中国C40109.45214.29、莫桑比克-南非Cabora-Bassa1420±53319201979扎伊尔Inga-Shaba1700±5005601984巴西HVDCItaipu1785±60031501984巴西HVDCItaipu2805±60031501984加拿大NelsonRiver1937±50018001985美国Intermountoun785±50019201986加拿大Quebec-NewEngland1100±45020001991印度HVDCRihand-Delhi814±50015001992印度Chandrapur-padghe900±50015001997印度East-South21450±50020002002印度Ballia-Bhiwadi780±50025002010中国葛洲坝-上海1040±50012001989中国天生桥-广东960±50018002002中国三峡-广东940±50030002004中国三峡-常州860±50030002005中国贵州-广东1194±50030002005中国三峡-上海1041±5