柔性直流输电的应用领域与造价分析

1、柔性直流输电的应用领域与造价分析1发展概况与技术特点1.1柔性直流输电概况自1954年世界上第一条高压直流输电 (High Voltage DC,简称 HVDC)联络线投入商业运行以来，高压直流输电作为一项日趋成熟的技 术在远距离大功率输电、海底电缆送电、两个交流系统之间的非同步联络 等方面得到了广泛应用1。然而，由于技术和经济的原因，传统的高压直 流输电难以适用于近距离小容量的输电场合2。随着电力电子器件和控制技术的发展，换流站采用IGBT、IGCT等元 件构成电压源换流器(Voltage Source Converte，VSC )来进行直流输电 成为可能。目前，国际上关于VSC-HVDC的

2、研究，无论在工程实用化方面 还是在基础理论方面都已比较深入2 3。CIGRE和IEEE将以VSC、可关断 器件和脉宽调制(PWM)技术为基础的新一代直流输电技术正式称为 “VSC-HVDC”，即电压源换流器型直流输电”。而ABB公司则称之为轻 型直流输电(HVDC Light);西门子公司称之为HVDC Plus。2006年，我国 有关部门和专家提议将该技术的中文命名统一为柔性直流输电”。图2.1- 1给出了一个柔性直流输电系统的组成示意图。图2.1-1柔性直流输电系统组成示意图1.2技术特点由于VSC电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，所以不需要外 加的换相电压，受端系统可以是无源网络，

3、克服了传统的HVDC受端必须 是有源网络的根本缺陷，使利用HVDC为远距离的孤立负荷送电成为可能。 VSC通常采用PWM技术，开关频率相对较高，经过低通滤波后就可得到 所需交流电压，可以不用变压器，从而简化了换流站的结构，并使所需滤 波装置的容量也大大减小。柔性直流输电的重要特点之一是可以同时且独立控制有功和无功， 可以向交流系统返送或吸收无功功率，能够起到静止无功补偿器 （STATCOM）的作用，即动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线 电压。图2.1-2给出柔性直流换流站的无功和有功特性示意图可以看出，当交流系统电压降低时，柔性直流换流站发出无功的能力增强，当交流系统电压升高时，柔性直流

4、换流站吸收无功的能力增强。RectifierQ gereration (Capacitivej-1.2O consumpt RectifierQ gereration (Capacitivej-1.2O consumpt on (inductivs) ZLPO- dagramL -/J X-.1,2 I. J 21.1/ L: I：.J L I,R伊dim Use = 1,1 pu Black line: Uac = 1.0 pu Bli.此 line LJac = 0,9 puInverter图2.1-2柔性直流换流站的无功和有功特性示意图（1）与常规直流输电的对比表2.1-1给出了常规高压

5、直流和柔性高压直流的技术特点比较。柔性 直流输电具有如下技术特点2：1）适用于近距离小容量的输电场合；2）受 端系统可以是无源网络；3）可以同时且独立灵活地控制有功功率和无功功 率；4）电网故障后快速恢复控制能力良好；5）简化了换流站的结构，所需 滤波装置的容量减小，占地小；6）可构成有较高可靠性的并联多端直流系 统。柔性直流输电使得直流输电的应用范围得到扩展。（2 ）与交流输电的对比在具体项目的柔性直流的适用性分析中，需要从技术和经济的方面，对采用柔性直流输电和交流输电的不同技术方案进行比较选优。由于国内尚无实际的柔性直流输电系统投入运行，在此较多地参考了国外资料，表2.1-1表2.1-1常

6、规高压直流和柔性高压直流的技术特点比较技术项目常规高压直流柔性高压直流输送功率范围250MW以上几十550MW电压等级范围800kV300kV直流传输回路架空线（陆地）或直流电缆（水下）电缆极对数双极模块性定制性强模块性强，厂内封装换流器回路晶闸管可关断绝缘栅双极晶体管IGBT换流阀与交流系统的连接方式换流变压器串联电抗器+变压器滤波和无功补偿般采用滤波器+并联电容器由于采用脉宽调制技术，开 关频率较高，采用低通滤 波即可得到交流电压，可 不用变压器，滤波器容量 可减少直流电流的平滑平波电抗器+直流滤波器直流电容换流站之间的通讯r=f=,Ct|需要不需要较技术项目常规高压直流柔性高压直流对交流

7、网络的依赖性要求受端具有足够的短路比 （交流系统足够强） 需要外加的换相电压，不能向 无源网络送电不需要外加的换相电压，可以向无源网络送电有功和无功功率控制调节无功需要特殊装置和额外费用可以相互独立地调节有功和无功功率，可以发出无功功率功率反向输送能力和低功率输送能力5%的最小电流传统的高压直流在潮流反转时 直流电压极性反转，而直流电 流方向不变最低零电流潮流反转时直流电流方向 反转，而直流电压极性不 变终端数目两端直流输电可实现多端直流输电1）投资：柔性直流换流站造价较高，而直流海缆投资低于相同输送容量的交流海缆投资，因此，当输电距离在一定的长度以上时，柔性直流 输电的投资低于交流输电；当输

8、电距离少于该长度时，柔性直流输电的投 资高于交流输电。2）维护费用与损耗：据ABB有关资料囹，柔性直流输电系统需要的 运性维护较少。文献11 通过研究表明：一般而言，对于长度在55 70km 以下的海上风电送出工程，交流输电的损耗比直流输电小。根据国外的运 行经验，线路和站内设备的年折旧维护费用占工程建设费用的百分数，交 流与直流大体相近。但直流输电电能损耗在导线截面相同、输送有功功率 相等的条件下，是交流输电的三分之二12。3 ）使用寿命：据ABB有关资料囹,直流输电的老化特性和生命周期 都优于交流输电。4）对环境的影响：柔性直流输电线对周围环境影响小于交流输电 线路；换流站的封闭式设计可屏

9、蔽噪音和辐射，但换流站所产生的谐波 电流会传导到交流线路，这些谐波电流产生的磁场幅值较大，需要采取 有效的滤波措施。5）可靠性和可用率：由于目前国内尚无实际的柔性直流输电系统 投入运行，很难获取第一手资料。只能将常规高压直流输电与交流输电 进行比较，作为参考。据统计13，2001-2005年全国高压直流输电工程 强迫停运次数介于7至12.6次之间，国内近年高压直流输电工程的能量 可用平均值为89.89%，低于交流输电的水平。根据ABB资料网，HVDC Light极（不含直流电缆）的典型可靠性资料如下：指标名称强迫停运率强迫不可用率计划不可用率可用率指标数值1至2次/年0.3 - 0.5%99.

10、0%（3）在海岛风电送出中的作用分析1 ）交流输电在海岛风电送出中存在的问题由于风力发电受风力资源的影响非常大，风电场的实际发电量受来 风的影响从零到总装机容量之间变化。当无风时风力发电不发电，岛上 的电力负荷全部通过海缆由大陆主电网供电，而当风力发电量大于岛上 用电量时则风电场通过海缆往大陆主电网输送电能。同时由于电缆与架 空线相比有很大的对地电容，而且沿电缆长度方向还存在分布电感，加 上负荷潮流的急剧变化，从而造成了电网电压的急剧波动。下面以山东省长岛县（庙岛群岛）风电送出工程15为例，介绍风电运 行中可能遇到的电压和无功问题。山东省长岛县（庙岛群岛）现有风电总 装机容量为60.65MW（

11、鲁能21.45MW、华能27.2MW、中能12MW）。长 岛电网通过110kV海底电缆与蓬莱侧的大陆主电网110kV长山变相连。海 底电缆投运后，长山变110kV侧的电压波动很大，最高时达到120kV，超 过国标+7%的要求。当海缆往岛上送电时，随着输送无功的增加，岛上电 缆末端电压将下降，当海缆往大陆送电时，随着输送无功的增加，岛上电 缆末端电压将升高。从蓬莱市到长岛县的110kV输电线路由三段构成，3.37km的陆上 110kV电缆，9.5km的海底电缆，5.67km的架空线，共约18.5km。长岛风电场通过110kV海缆与大陆主电网连接由于电缆的电容电感 分布参数加剧了电压的变化。当主网

12、往风电场送电并且输送的无功较小 时需要补偿感性无功以补充电缆的充电电容，而风电场往主网送电时在 风电场处需补偿容性无功。补偿的容量和补偿的特性（感性或容性）随着 负荷情况和风电出力的变化而变化。要解决电压波动的问题，理想的方案是实现无功自动补偿，如静止 无功补偿器（SVC 静止同步补偿器（STATCOM）等动态无功补偿设 备。2）柔性直流输电在海岛风电送出中的作用与交流电缆不同，直流电缆没有对地交流电容，可以减少对系统感性 无功补偿的需要。柔性直流输电的电压源换流器相当于一个静止同步补 偿器（STATCOM）,可以灵活地控制发出和吸收的无功。基于柔性直流输电系统的风力发电场并网技术不仅能为风力

13、发电场 提供动态无功补偿，解决并网风力发电场对电网稳定安全性、电能质量 方面的负面影响，而且还能够显著提高并网风力发电场的输送容量、风 电场的最大接入容量，灵活实现风电潮流的控制。文献16 研究指出：不同类型的风电机组引起不同的电压波动，变 速恒频风电机组引起的电压波动强度只是恒速恒频风电机组的1/4。如 果风电机单机并网运行，利用变速恒频等类型风电机功率因数可调的功 能来抑制电压波动既经济又有效17，而对于大规模风电场并网系统，除 了采用功率因数可控的变速恒频风电机组以外，结合使用SVG等无功功 率补偿设备来解决电压问题将更加有效18,19。对于“短路比”较大的 风电场，采用交流接入可能带来

14、较大的系统稳定性问题和电能质量问 题，适合于采用具有动态无功补偿功能的柔性直流输电。为了解决大规模风力发电场并网带来的系统稳定性问题和电能质量 问题，同时解决风力发电输送容量受限制的问题，目前国外已经有2套 风力发电的交流/柔性直流混合并网工程投入运行20,21，分别是Gotland岛风电接入工程和Tjaereborg风电接入试验工程。2优势领域与适用场合2.1实际应用工程自1997年第一条柔性直流输电工程投入工业试验运行以来，至今已 有9个柔性直流输电工程投入商业运行。这些柔性直流输电工程全部由 ABB公司制造，主要应用于风力发电、电力交易、电网互联、海上钻井平 台供电等领域。表2.2-1列

15、出了这些投运工程的主要技术指标和应用领 域。柔性直流输电实际工程中与海岛供电相关的项目有美国的 Cross Sound Cable工程和挪威的Troll入工程，下面对其进行介绍。 美SCross Sound Cable 互联工程2002年7月投运的美国Cross Sound Cable工程将纽约长岛与 Connecticut电网非同步联网，直流线路采用2x42km海底电缆，两端交 流系统电压分别为345和138kV，工程额定容量330MW，直流电压土 150kV,直流电流1175A。选择VSC-HVDC主要是考虑到电力交易和长 距离的海底电缆输电。该工程在2003年8月美国东北部大停电后的电网

16、恢 复中起到了积极作用。挪威Troll隔油平台供电工程2005年10月投运的挪威Troll VSC-HVDC工程，用于向海上天然气 钻井平台上的用电设备供电额定功率2x45MW，两端交流电压132/56kV，直流电压60kV，直流电流350A，输电线路为4x70km海底电缆。 该工程采用VSC-HVDC技术主要考虑到长距离海底电缆输电和环境保 护要求。表2.2-1已投的HVDC LightX程概况一序号项目名称国家长度/km直流电压/kV容量/MW投运时间主要目的1Hellsjon试验工程瑞典101031997.3柔性高压直流输电试验, 使两父流电网互联2Gotland Light瑞典2 x7

17、080601999.12风力发电3Direct-Link澳大利亚6 x 59803 x 602000.6交流电网非同步互联及电力市场交易4Tjaereborg丹麦2 x4.3982000.9小型风力发电5Eagle Pass美国背靠背 式15.9362000.12交流电网间非同步互联6Murray Link澳大利亚2 x 1801502002002.10南澳洲电网与维多利亚州电网互联7Cross - SoundCable美国2 x 401503302002.7通过海底电缆实现电网互联8Troll A挪威67602 x 412005石油平台供电9ESTLINK爱沙尼亚2 x 1051503502

18、006两国交流电网间非同步互联2.2 优势领域与适用场合交流输电和直流输电是两种不同的基本输电方式，在海岛供电领 域中都有采用。目前我国大部分海岛供电中采用交流输电，直流海岛 供电工程较少，主要有浙江舟山直流试验工程和浙江嵊泗直流输电工 程。与交流输电相比，常规的直流输电技术的优点和适用范围2223如 下：（1）由于通过换流技术将不同频率的交流电都转化为直流，而 且没有系统稳定问题，因此可以作为系统间联络线，用于实现不同步 或不同频率的两个交流系统的互联；（2）由于能对自身电流进行快速控制，因此可用于限制互联系 统的短路容量；（3）由于直流线路在投资、运行费用、长距离传输不需要添加 补偿设备等

19、方面相对于交流线路具有优势，因此在输电距离大于“经济等价距离23”，尤其是隔海输电的场合下，直流输电方案的技 术经济指标往往优于交流输电方案。就输电方式而言，柔性直流输电属于直流输电的范畴。但与常规 的直流输电技术相比，柔性直流输电具有一系列新特点：适用于近距 离小容量的输电场合、受端系统可以是无源网络、可以同时且独立灵 活地控制有功功率和无功功率等新特点。柔性直流输电的优势领域包括：（1）电力系统互联，包括：不同步或不同频率的两个交流系统 的互联，其中受端系统可以是无源小型网络；需要限制短路容量的交 流系统互联。（2）电网向远距离的小规模负荷供电，包括海岛供电、海上平 台供电、陆地偏远负荷供

20、电。在一定的输电距离以上，柔性直流输电 方案的技术经济指标往往优于交流输电方案。此外，柔性直流输电技术在下列场合也具有较强适用性：（1）连接小规模发电厂到电网，如风能发电、太阳能发电、潮 汐发电、小水电厂、以及海上钻井平台的气体涡轮发电等，柔性直流 输电技术允许发电机工作在不同于电网的频率甚至是变频率方式。（2）需要有效、灵活地控制有功功率和无功功率的输电场合， 比如风力发电的接入。风电场出力增大过程中，升压变电站主变压器 的无功损耗的增大可能对系统电压稳定产生不利影响24，要提高接入 风电场的地区电网的电压稳定性及增加风电场的最大接入容量，可以 考虑采用等动态无功补偿设备3。柔性直流系统具有

21、这一功能，其无 功调节能力和电压控制策略可以将电压稳定在常数值。（3）改善配网电能质量、构筑城市直流输配电网。采用柔性直 流输电向城市中心区域供电可能成为未来城市增容的方法之一、柔性直流输电技术是未来改善配网电能质量的有效措施。3工程造价分析3.1国外工程造价资料（1）电缆线路造价参阅国外有关论文资料由，电缆造价估算采用Lunberg模型：Cost = 0.286+ 0.00969x P（2-1）其中P是电缆额定功率（单位：MW）,Cost是电缆造价（单位: 百万瑞典克朗）。可见单位长度的双回电缆线路设备投资随着电缆额 定功率的增大而增大。根据式（2-1），可得出典型额定功率情况下对应 的双回

22、电缆造价情况，示于表2.3-1。敷设双回电缆投资按照20万 欧元/公里考虑7。参考ESTLINKT程闷 该工程于2006年投运，350MW，L50kV，150公里海缆+60公里地缆，电缆总造价110百万欧元。电缆单位长度投资约52.3万欧元/公里。额定功率（MW）110220350500双回电缆造价 （白万欧元/公 里）0.15760.303770.44530.6086表2.3-1双回电缆线路造价估算回（2）换流器造价参阅ABB有关资料9,容量为370MW的换流站造价为5100 万美元其单位造价为13.78万美元/MW约合110万人民币/MW。 对于容量相对较小的工程，其换流站单位投资会略有增大。参考美国纽约Cross-Sound Cable工程四，该工程于2002年 投运，330MW，L50kV，80公里海缆，设备投资总约120百万