王華昕，薛天水

(上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，上海 200090)

近年來，我國(guó)電力建設(shè)的腳步不斷加快，能源基地與負(fù)荷中心的距離也越來越遠(yuǎn)，[1]選擇合適的輸電方式成為目前電力建設(shè)的重要問題之一，對(duì)于輸送距離在2 000～3 000 km之間(稱為超遠(yuǎn)距離)的輸電方式的研究變得越來越重要.目前，我國(guó)負(fù)荷中心和能源基地之間的距離多在1 000 km左右，當(dāng)輸電距離在1 000～2 000 km時(shí)，就需要采取更高的電壓等級(jí)以滿足輸送容量和輸送距離的要求.隨著西電東送規(guī)模的擴(kuò)大，更長(zhǎng)輸送距離的輸電需求日益增加，未來我國(guó)能源輸送距離會(huì)大于2 000 km，外送的能源總量將達(dá)到2.5×108kW.預(yù)計(jì)到2020年，跨區(qū)、跨國(guó)電力輸送容量將達(dá)到3.73×108kW.[2]如此遠(yuǎn)距離大規(guī)模的電力輸送，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了目前電網(wǎng)的承受能力，因此需要發(fā)展和研究新型的輸電方式以滿足我國(guó)未來能源發(fā)展的需求.

借鑒國(guó)內(nèi)外已有的特高壓工程，[3]根據(jù)已有的工程案例和相關(guān)的理論研究，能夠用于超遠(yuǎn)距離輸電的輸電方式主要有特高壓交流1 000 kV輸電、特高壓直流輸電、半波長(zhǎng)交流輸電、分頻輸電和四相輸電5種.[4]由于分頻輸電和四相輸電與傳統(tǒng)的輸電方式有很大的不同，目前應(yīng)用于工程實(shí)際的技術(shù)條件還不成熟，[5-6]因此本文只討論特高壓交流1 000 kV輸電、特高壓直流±800 kV輸電、特高壓直流±1 100 kV輸電和半波長(zhǎng)交流輸電 4 種輸電方式.[7]

經(jīng)濟(jì)性是選擇輸電方式需要考慮的最重要的方面.在技術(shù)可行的情況下，保證成本最小，輸變電工程投運(yùn)后才會(huì)產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益.文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]對(duì)比計(jì)算了特高壓交流輸電與超高壓500 kV輸電的年費(fèi)用，文獻(xiàn)[10]對(duì)比了半波長(zhǎng)交流輸電與特高壓直流輸電的年費(fèi)用，但都沒有對(duì)特高壓交流輸電與特高壓直流輸電的年費(fèi)用進(jìn)行對(duì)比.本文采用年費(fèi)用法對(duì)比了特高壓交流輸電與特高壓直流±800 kV輸電、特高壓直流±1 000 kV輸電與半波長(zhǎng)交流輸電的經(jīng)濟(jì)性，分析了半波長(zhǎng)交流輸電的經(jīng)濟(jì)效益，并給出了敏感性分析.

1 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方法

采用年費(fèi)用法對(duì)比了超遠(yuǎn)距離輸電方式的經(jīng)濟(jì)性.年費(fèi)用法的計(jì)算內(nèi)容包括建設(shè)成本、運(yùn)行成本和維護(hù)成本.輸電工程建設(shè)和運(yùn)行的費(fèi)用支出主要包括建設(shè)投資、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和線損費(fèi)用等.年費(fèi)用計(jì)算公式為:[11]

式中:NF——年費(fèi)用;

i——電力工業(yè)投資回收率(貼現(xiàn)率);

n——工程的經(jīng)濟(jì)使用壽命，輸變電工程一般取30 a;

m——工程全部投產(chǎn)年份;

t——時(shí)間;

t0——工程開工年份;

t'——工程部分投產(chǎn)年份;

Zt——第 t年的投資;

Ut——第 t年的運(yùn)行費(fèi)用.

考慮到研究對(duì)象為抽象的技術(shù)比較，因此假設(shè)送端有充足的電源，受端有足夠的市場(chǎng)空間，按照輸送單位功率綜合費(fèi)用的大小進(jìn)行對(duì)比，其計(jì)算式為:

式中:FY——輸送單位功率綜合費(fèi)用;

P——該工程輸送功率.

超遠(yuǎn)距離輸電方式經(jīng)濟(jì)性計(jì)算過程中，貼現(xiàn)率取8%，輸變電設(shè)備經(jīng)濟(jì)使用年限為30年;變電站、換流站維修費(fèi)用按總靜態(tài)投資的2.2%考慮，線路維修費(fèi)用按總靜態(tài)投資的1.4%考慮，網(wǎng)損、電暈的電量損耗等分別按發(fā)電成本0.2元/kWh計(jì)算，最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)按4 500 h計(jì)算，能耗小時(shí)數(shù)按3 500 h計(jì)算.以上參數(shù)在幾種輸電工程計(jì)算期間都相同.輸變電工程建設(shè)期及資金流如表 1 所示.[12]

表1 輸變電工程建設(shè)期及資金流 %

經(jīng)過無功補(bǔ)償裝置補(bǔ)償后的特高壓交流輸電與特高壓直流±800 kV輸電在輸送距離方面具有可比性，都能夠達(dá)到2 000 km.半波長(zhǎng)交流輸電方式與特高壓直流±1 000 kV輸電方式在輸送距離方面具有可比性，都在3 000 km左右.因此，在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較時(shí)，結(jié)合輸送距離將特高壓交流輸電與特高壓直流±800 kV輸電進(jìn)行對(duì)比，將半波長(zhǎng)交流輸電與特高壓直流±1 000 kV輸電進(jìn)行對(duì)比.

2 特高壓交流與直流±800 kV輸電比較

假設(shè)特高壓交流輸電的變電站為半全封閉組合電器(HGIS);輸電線路中間設(shè)置3座開關(guān)站;線路電暈損耗為10 kW/km;線路有功損耗為10%;線路補(bǔ)償中串聯(lián)補(bǔ)償度為42%，并聯(lián)高抗補(bǔ)償度為20%，SVC補(bǔ)償度為 －40%.每100 km特高壓輸電線路的充電功率約為530 MW.其設(shè)備造價(jià)如表2所示.

表2 特高壓交流輸電設(shè)備造價(jià)

特高壓直流±800 kV輸電系統(tǒng)的換流站和逆變站都采用12脈動(dòng)整流或逆變技術(shù);輸電線路中間無開關(guān)站;線路有功功率損耗為11.14%;系統(tǒng)一端換流站損耗占額定容量的0.7%(包括換流變、換流閥、濾波器的損耗);線路電暈損耗為10 kW/km.其設(shè)備造價(jià)如表3所示.

表3 ±800 kV直流輸電設(shè)備造價(jià)

在特高壓交流輸電系統(tǒng)輸送功率為5 000 MW和±800 kV直流輸電系統(tǒng)輸送功率為7 200 MW的情況下，特高壓交流輸電和特高壓直流±800 kV輸電兩種方案經(jīng)濟(jì)性比較結(jié)果如表4所示.

表4 特高壓交流輸電和特高壓直流±800 kV輸電經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

從表4可以看出，在輸送單位功率的綜合費(fèi)用方面，特高壓直流±800 kV輸電方式比特高壓交流輸電方式低6.99%.因此，在2 000 km的輸送距離下，特高壓直流±800 kV輸電方式在經(jīng)濟(jì)性方面具有優(yōu)勢(shì).

3 半波長(zhǎng)交流與直流±1 000 kV輸電比較

特高壓直流±1 000 kV輸電系統(tǒng)與特高壓直流±800 kV輸電系統(tǒng)的輸電原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都相同，因此特高壓直流±1 000 kV輸電系統(tǒng)也采用12脈動(dòng)整流或逆變技術(shù);輸電線路中間無開關(guān)站;線路有功功率損耗為7.05%;系統(tǒng)一端換流站的損耗同樣為 0.7%;線路電暈損耗為10 kW/km.其設(shè)備造價(jià)如表5所示.

表5 ±1 000 kV直流輸電設(shè)備造價(jià)

半波長(zhǎng)交流輸電的變電站為半全封閉組合電器(HGIS);輸電線路采用雙回輸電線路，中間無開關(guān)站;線路有功損耗為10%;線路電暈損耗為10 kW/km;調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)的造價(jià)類比特高壓直流一次設(shè)備(包括平波電抗器和濾波器)的造價(jià).其設(shè)備造價(jià)如表6所示.

表6 半波長(zhǎng)交流輸電設(shè)備造價(jià)

在半波長(zhǎng)交流輸電系統(tǒng)輸送功率為1.0×104MW，±1 000 kV直流輸電系統(tǒng)輸送功率為9 000 MW的情況下，半波長(zhǎng)交流輸電和特高壓直流±1 000 kV輸電兩種方案經(jīng)濟(jì)性比較如表7所示.

表7 特高壓直流±1 000 kV輸電與半波長(zhǎng)輸電經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

從表7可以看出，在輸送單位功率綜合費(fèi)用方面，半波長(zhǎng)交流系統(tǒng)方式比特高壓直流±1 000 kV輸電方式低20.69%.因此，在輸電距離為3 000 km時(shí)，半波長(zhǎng)交流輸電方式在經(jīng)濟(jì)性方面具有優(yōu)勢(shì).

由于半波長(zhǎng)交流輸電要求首末段電氣距離始終保持工頻半波長(zhǎng)度，因此需要增加相關(guān)的控制系統(tǒng)，根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果可知，半波長(zhǎng)交流輸電方式的控制系統(tǒng)費(fèi)用如果不超過49.51億元，其經(jīng)濟(jì)性則優(yōu)于特高壓直流±1 000 kV輸電系統(tǒng).但當(dāng)其輸送距離不足工頻半波長(zhǎng)時(shí)需要通過人工補(bǔ)償?shù)姆绞綄⑾到y(tǒng)的電氣長(zhǎng)度調(diào)諧至工頻半波長(zhǎng)，因此在其輸送距離發(fā)生變化時(shí)，輸送單位功率綜合費(fèi)用值也會(huì)隨之變化.輸送單位功率的綜合費(fèi)用值和輸送距離間的關(guān)系如圖1所示(假設(shè)輸送功率不變).

圖1 半波長(zhǎng)交流輸電輸送距離敏感性分析

由圖1可以看出，半波長(zhǎng)交流系統(tǒng)輸送距離與其輸送單位功率綜合費(fèi)用值呈正比關(guān)系.由于半波長(zhǎng)交流輸電調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)的單位造價(jià)小于系統(tǒng)輸電線路的單位造價(jià)，因此隨著半波長(zhǎng)交流輸電系統(tǒng)輸送距離的增加，其輸送單位功率綜合費(fèi)用值也呈單調(diào)上升趨勢(shì)，經(jīng)濟(jì)性逐步降低.由此表明，半波長(zhǎng)交流輸電在輸電距離不足工頻半波長(zhǎng)時(shí)，其輸送單位功率綜合費(fèi)用值比工頻半波長(zhǎng)時(shí)更小，即:當(dāng)半波長(zhǎng)交流輸電系統(tǒng)需要通過增加調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)來保證電氣距離時(shí)，其經(jīng)濟(jì)性更加明顯.

4 結(jié)語

(1)當(dāng)輸送距離為2 000 km左右時(shí)，特高壓交流輸電方式輸送單位功率綜合費(fèi)用比特高壓直流±800 kV輸電方式高7.52%;當(dāng)輸送距離為3 000 km左右時(shí)，半波長(zhǎng)交流系統(tǒng)輸送單位功率綜合費(fèi)用比特高壓直流±1 000 kV輸電系統(tǒng)低20.69% .

(2)對(duì)比4種輸電方式的經(jīng)濟(jì)性可以看出，半波長(zhǎng)交流輸電在超遠(yuǎn)距離輸電方式中具有明顯的優(yōu)勢(shì).

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