不同電壓等級(jí)直流輸電的適用性研究

徐政，程斌杰

(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州市 310027)

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不同電壓等級(jí)直流輸電的適用性研究

徐政，程斌杰

(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州市 310027)

各電壓等級(jí)直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)輸電適用范圍，包括輸送距離和輸送容量，對(duì)于實(shí)際直流輸電工程中電壓等級(jí)的選擇具有指導(dǎo)作用。從投資成本、維護(hù)成本、損耗費(fèi)用和輸電走廊土地貶值費(fèi)用這4個(gè)方面建立了直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性模型，并運(yùn)用現(xiàn)金流折現(xiàn)模型計(jì)算直流輸電工程的綜合費(fèi)用。以輸電距離1 000 km、輸電功率5 000 MW具體輸電場(chǎng)景為例，計(jì)算了各電壓等級(jí)直流工程的綜合費(fèi)用，并拓展到任意輸電場(chǎng)景，得到了各電壓等級(jí)直流輸電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)輸電適用范圍。最后對(duì)影響經(jīng)濟(jì)輸電適用范圍的部分參數(shù)進(jìn)行了靈敏度分析。研究表明：隨著輸電功率和輸電距離的增加，總體上高電壓等級(jí)的直流輸電方式更為經(jīng)濟(jì)；電能成本和年等效損耗時(shí)間對(duì)直流系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)輸電適用范圍影響較大。

直流輸電；電壓等級(jí)；經(jīng)濟(jì)性分析；投資成本；維護(hù)成本；損耗費(fèi)用；土地貶值費(fèi)用

0 引 言

對(duì)于大區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)，高壓直流輸電(high voltage direct current, HVDC)以其在遠(yuǎn)距離大容量送電上的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)而成為一種重要的技術(shù)方案[1-2]。不同電壓等級(jí)的傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)，輸送能力和經(jīng)濟(jì)性各不相同。因此，對(duì)于具體的輸電場(chǎng)景，在滿足技術(shù)要求的前提下，選擇綜合費(fèi)用較低的直流輸電電壓等級(jí)，能夠減少投入成本、節(jié)約社會(huì)資源，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益。

在直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性方面，相關(guān)文獻(xiàn)也進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[3-4]介紹了與柔性直流輸電系統(tǒng)相關(guān)的成本計(jì)算方法，文獻(xiàn)[5-8]對(duì)交直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對(duì)比，文獻(xiàn)[9]分析了風(fēng)電通過(guò)特高壓直流送出場(chǎng)景下的經(jīng)濟(jì)性，文獻(xiàn)[10]則研究了背靠背直流結(jié)合交流輸電和直流輸電2種方式的經(jīng)濟(jì)性。然而，較少有研究針對(duì)各電壓等級(jí)下傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，特別是它們的經(jīng)濟(jì)輸電適用范圍。另外，現(xiàn)有的對(duì)于直流輸電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的研究也并沒(méi)有從國(guó)家社會(huì)層面反應(yīng)工程實(shí)際投入的成本。因此有必要全面考慮各方面因素，對(duì)直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)輸電適用范圍進(jìn)行深入研究。

本文從投資成本、維護(hù)成本、損耗費(fèi)用和輸電走廊土地貶值費(fèi)用等4個(gè)方面建立直流輸電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性模型，運(yùn)用現(xiàn)金流折現(xiàn)模型，比較±1100 kV、±800 kV、±660 kV和±500 kV直流輸電方式在不同輸電距離和輸電功率下的綜合費(fèi)用，從而確定不同電壓等級(jí)直流輸電方案的經(jīng)濟(jì)輸電距離和經(jīng)濟(jì)輸電功率，得到經(jīng)濟(jì)輸電適用范圍。最后對(duì)影響經(jīng)濟(jì)性的部分參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析。本文從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，對(duì)于具體輸電場(chǎng)景下直流電壓等級(jí)的選擇具有指導(dǎo)意義。

1 直流輸電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性模型

各個(gè)電壓等級(jí)直流輸電系統(tǒng)的綜合費(fèi)用主要包括投資成本、維護(hù)成本、損耗費(fèi)用和輸電走廊土地貶值費(fèi)用等4部分，通過(guò)現(xiàn)金流折現(xiàn)模型將未來(lái)的現(xiàn)金流量折合成現(xiàn)值，從而對(duì)各電壓等級(jí)直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

1.1 投資成本

直流輸電系統(tǒng)投資成本主要由換流站和輸電線路的成本構(gòu)成。參考現(xiàn)有的直流輸電工程，各個(gè)電壓等級(jí)直流工程投資成本估算數(shù)據(jù)如表1所示[11]。

表1 各電壓等級(jí)各部分投資成本

Table 1 Investment costs of different voltage levels

直流輸電系統(tǒng)的換流站投資成本和線路投資成本均隨著電壓等級(jí)的升高而增加，計(jì)算公式分別如式(1)和式(2)所示，即

Ccon=Rcon×Pdc×2

(1)

Cline=Rline×l×n

(2)式中：Rcon為單位容量換流站的成本，萬(wàn)元/MW，Pdc為直流輸送功率，MW；Rline為單位km每回直流線路的造價(jià)，萬(wàn)元/km；l為輸電距離，km；n為線路回路數(shù)。

1.2 維護(hù)成本

維護(hù)成本與固定資產(chǎn)原值有關(guān)，多以年維護(hù)成本占投資成本百分比或者生命周期內(nèi)維護(hù)成本占投資成本百分比的形式給出。本文維護(hù)成本以年維護(hù)成本占投資成本百分比的形式給出，如式(3)所示，即

AM=m%×Z

(3)

式中：Z為投資成本；AM為年維護(hù)成本；m為運(yùn)行費(fèi)率，本文取運(yùn)行費(fèi)率為1.8%[11]。

1.3 損耗費(fèi)用

直流輸電系統(tǒng)的損耗包括換流站損耗以及直流線路損耗。

單個(gè)換流站的損耗通過(guò)換流站損耗率lcon表示，即損耗功率占換流站輸送功率的百分比。換流站損耗功率(MW)計(jì)算如式(4)所示，即

Ploss_con=2Plcon

(4)

式中P為輸電功率，MW。

各電壓等級(jí)直流輸電系統(tǒng)的換流站損耗率如表2所示。

表2 各電壓等級(jí)換流站損耗率

Table 2 Converter loss rates of different voltage levels

直流線路損耗功率(MW)的計(jì)算公式如式(5)所示，即

Ploss_line=2nI2r0l

(5)

式中：r0為單位距離直流線路電阻，Ω/km；I為線路電流，kA，由式(6)計(jì)算得到，即

I=P/(2nUdc)

(6)

式中：Udc為直流電壓， kV。直流各電壓等級(jí)輸電線路的單位距離直流線路電阻r0如表3所示[11]。

表3 各電壓等級(jí)直流線路電阻

Table 3 DC line resistance of each voltage level

以上計(jì)算得到損耗功率，包括換流站損耗功率和線路損耗功率。通過(guò)年等效損耗小時(shí)數(shù)Tloss(h)以及電能成本Cprice(元/(kW·h))即可計(jì)算得到年損耗費(fèi)用Al(萬(wàn)元)，如式(7)所示，即

Al=(Ploss_con+Ploss_line)TlossCprice/10

(7)

1.4 輸電走廊土地貶值費(fèi)用

輸電線路桿塔的架設(shè)使得周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的土地出現(xiàn)貶值，本文通過(guò)如下方法計(jì)算貶值費(fèi)用：假設(shè)每km2土地每年的產(chǎn)出為Ocorp(萬(wàn)元)，本文取Ocorp為150萬(wàn)元，輸電走廊土地貶值率為Ide(%)，單回線路輸電走廊寬度為w1(m)，回路數(shù)為n1，同塔雙回輸電走廊寬度為w2(m)，回路數(shù)為n2，輸電距離為l(km)，則每年的輸電走廊貶值費(fèi)用Atrans(億元)計(jì)算公式如式(8)所示，即

Atrans=(n1w1+n2w2)·l·Ocorp·Ide/107

(8)

直流各電壓等級(jí)輸電走廊寬度如表4所示。

表4 各電壓等級(jí)輸電走廊寬度

Table 4 Transmission corridor width of each voltage level

1.5 現(xiàn)金流折現(xiàn)模型

由于計(jì)算投資成本得到的是成本現(xiàn)值，而維護(hù)成本、損耗費(fèi)用和輸電走廊土地貶值費(fèi)用都是成本年值，因此本文采用現(xiàn)金流折現(xiàn)模型將未來(lái)的現(xiàn)金流量折合到成本初值，從而便于不同方案間的比較[12]。

假設(shè)資金初值為Q，年值為A，終值為F，生命周期為m，年利率為i，則年值折算成終值如式(9)所示，即

F=A(1+i)m-1+A(1+i)m-2+…+

A(1+i)1+A(1+i)0

(9)

兩邊同乘以(1+i)，如式(10)所示,即

(1+i)F=A(1+i)m+A(1+i)m-1+…+

A(1+i)2+A(1+i)1

(10)

由式(9)和式(10)，可得：

(11)

此外有：

F=Q(1+i)m

(12)

聯(lián)立式(11)和式(12)，可得：

(13)

基于式(13)，可將維護(hù)成本、損耗費(fèi)用和輸電走廊土地貶值費(fèi)用折合到現(xiàn)值。

1.6 經(jīng)濟(jì)評(píng)估參數(shù)

本文用到的各經(jīng)濟(jì)參數(shù)如表5所示[11,13]。

表5 各經(jīng)濟(jì)參數(shù)

Table 5 Economic parameters

綜上，直流輸電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性模型可用公式(14)表示，即

(14)

2 具體輸電場(chǎng)景成本計(jì)算

本文以輸電距離1 000 km、輸電功率5 000 MW具體輸電場(chǎng)景為例，計(jì)算不同電壓等級(jí)直流輸電系統(tǒng)的各部分成本和綜合費(fèi)用。

2.1 線路回路數(shù)

我國(guó)直流輸電電壓等級(jí)序列為±500，±660，±800，±1 100 kV，直流各電壓等級(jí)輸送能力如表6所示。

表6 各電壓等級(jí)輸送能力

Table 6 Transmission ability of each voltage level

考慮各電壓等級(jí)直流輸電系統(tǒng)的輸送能力，輸電功率為5 000 MW時(shí)，各電壓等級(jí)直流輸電系統(tǒng)所需回路數(shù)由式(15)計(jì)算得到，即

(15)

2.2 投資成本

在輸電距離1 000 km、輸電功率5 000 MW具體輸電場(chǎng)景下，各電壓等級(jí)直流輸電系統(tǒng)換流站成本和輸電線路成本分別如式(16)和式(17)所示，即

(16)

(17)

因此，投資成本結(jié)果如式(18)所示，即

(18)

2.3 維護(hù)成本

維護(hù)成本現(xiàn)值如下式(19)所示，其中m為年運(yùn)行費(fèi)率，本文年值折算為現(xiàn)值的折算系數(shù)為11.26。

(19)

對(duì)于輸電距離1 000 km、輸電功率5 000 MW具體輸電場(chǎng)景，各電壓等級(jí)直流輸電系統(tǒng)的維護(hù)成本現(xiàn)如式(20)計(jì)算得到，即

(20)

2.4 損耗費(fèi)用

根據(jù)式(4)和式(5)，對(duì)于輸電距離1 000 km、輸電功率5 000 MW的情況，各電壓等級(jí)直流輸電系統(tǒng)損耗功率計(jì)算結(jié)果如式(21)所示，即

(21)

損耗費(fèi)用現(xiàn)值(單位為萬(wàn)元)計(jì)算公式如式(22)所示，即

(22)

式中：Cprice為電能價(jià)格，元/(kW·h)算例取0.9元/(kW·h)；Tloss為年等效損耗小時(shí)數(shù)，h，算例取5 000 h，因此各電壓等級(jí)損耗費(fèi)用現(xiàn)值如式(23)所示，即

(23)

2.5 輸電走廊土地貶值費(fèi)用

由式(8)，輸電走廊土地貶值費(fèi)用現(xiàn)值計(jì)算公式如式(24)所示，即

(24)

對(duì)于1 000 km、5 000 MW的典型輸電工程，考慮輸電能力，各電壓等級(jí)單回輸電線路和同塔雙回輸電線路的個(gè)數(shù)如式(25)所示，即

(25)

各電壓等級(jí)下輸電走廊土地面積如式(26)所示，即

(26)

各電壓等級(jí)直流輸電系統(tǒng)的輸電走廊土地貶值費(fèi)用現(xiàn)值如式(27)所示，算例中輸電走廊土地貶值率取為10%。

(27)

2.6 綜合費(fèi)用

由以上計(jì)算結(jié)果，可得在輸電距離1 000 km、輸電功率5 000 MW的具體輸電場(chǎng)景下，各電壓等級(jí)直流輸電系統(tǒng)的綜合費(fèi)用如式(28)所示，即

(28)

3 經(jīng)濟(jì)輸電適用范圍

將第2節(jié)算例中的輸電場(chǎng)景擴(kuò)展到不同輸電距離和不同輸電功率，得到不同輸電場(chǎng)景下各個(gè)電壓等級(jí)直流輸電系統(tǒng)的綜合費(fèi)用，從而得到各電壓等級(jí)的經(jīng)濟(jì)輸電適用范圍。

3.1 直流輸電系統(tǒng)綜合費(fèi)用

與第2節(jié)計(jì)算方法類似，對(duì)于任意的輸電工程，±1100/±800/±660/±500 kV直流輸電系統(tǒng)綜合費(fèi)用隨輸電距離和輸電功率變化情況如圖1所示。

圖1 各電壓等級(jí)綜合費(fèi)用

對(duì)于各電壓等級(jí)，隨著輸電距離和輸電功率的增加，綜合費(fèi)用不斷上升。另外，隨著輸電功率的增加，在某些點(diǎn)上綜合費(fèi)用存在一定的階躍，這是由直流輸電系統(tǒng)線路回路數(shù)的增加所導(dǎo)致的。隨著輸電功率的增加，當(dāng)輸電功率超過(guò)直流系統(tǒng)輸送容量時(shí)，直流線路回路數(shù)會(huì)增加，投資成本增加，同時(shí)線路損耗費(fèi)用會(huì)有所減小，兩者共同作用導(dǎo)致綜合費(fèi)用的階躍。

3.2 經(jīng)濟(jì)輸電適用范圍

對(duì)于確定的輸電距離l和輸電功率P，采用±1100/±800/±660/±500 kV直流輸電方案時(shí)其綜合費(fèi)用是不同的，如果以綜合費(fèi)用最小作為方案適用的入選準(zhǔn)則，則±1100/±800/±660/±500 kV直流輸電方案在l-P平面上的適用范圍如圖2所示。

圖2 直流各電壓等級(jí)經(jīng)濟(jì)輸電適用范圍

由圖2可以看出：

(1)隨著輸電功率的增加，直流輸電的經(jīng)濟(jì)輸電方式在各個(gè)電壓等級(jí)間交替，總體上，輸電功率越大，高電壓等級(jí)的直流輸電方式越經(jīng)濟(jì)。

(2)直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)輸電適用范圍主要受投資成本和損耗費(fèi)用影響。輸電功率較低時(shí)，投資成本占主導(dǎo)，低電壓等級(jí)的直流輸電系統(tǒng)由于投資成本較低因此較為經(jīng)濟(jì)；隨著輸電功率的增加，損耗費(fèi)用逐漸增加，高電壓等級(jí)損耗費(fèi)用低的優(yōu)勢(shì)顯現(xiàn)出來(lái)，從而逐漸成為經(jīng)濟(jì)的輸電方式。

(3)按照本節(jié)選取的各經(jīng)濟(jì)參數(shù)，大致可以看出，當(dāng)輸電功率小于1 800 MW時(shí)，±500 kV直流輸電系統(tǒng)較為經(jīng)濟(jì)；當(dāng)輸電功率介于1 800 MW和4 000 MW之間時(shí)，±660 kV直流輸電系統(tǒng)較為經(jīng)濟(jì)；當(dāng)輸電功率大于4 000 MW時(shí)，則±1 100 kV直流輸電系統(tǒng)具有成本優(yōu)勢(shì)。另外，±800 kV直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)輸電適用范圍較小。

4 靈敏度分析

本文選取電能成本、年等效損耗時(shí)間和輸電走廊土地貶值率3個(gè)影響直流輸電系統(tǒng)綜合費(fèi)用的因素進(jìn)行靈敏度分析，考察這3個(gè)因素對(duì)綜合費(fèi)用的影響大小。各參數(shù)所取的“低值”、“中值”和“高值”分別如表7所示。以下分析所稱的“三參數(shù)”方案是以“電能成本”、“年等效損耗時(shí)間”和“輸電走廊土地貶值率”進(jìn)行排序的，例如，“高中低”方案指的是“電能成本”取高值，“年等效損耗時(shí)間”取中值，“輸電走廊土地貶值率”取低值。

表7 參數(shù)取值定義

Table 7 Definition of parameter values

4.1 電能成本靈敏度分析

為對(duì)電能成本進(jìn)行靈敏度分析，選擇“低中中”、“中中中”和“高中中”3種方案進(jìn)行對(duì)比。在3種方案下，±1100/±800/±660/±500 kV直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)輸電適用范圍如圖3所示。

圖3 不同電能成本經(jīng)濟(jì)輸電適用范圍

電能成本會(huì)影響線路損耗費(fèi)用的大小，隨著電能成本的上升，從圖3可以看到，相對(duì)于低電壓等級(jí)，高電壓等級(jí)直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)輸電適用范圍擴(kuò)大。這是因?yàn)殡娔艹杀镜纳仙黾恿藫p耗費(fèi)用，這時(shí)損耗較小的高電壓等級(jí)輸電方式具有優(yōu)勢(shì)，經(jīng)濟(jì)輸電適用范圍也相應(yīng)地增大。

4.2 年等效損耗時(shí)間靈敏度分析

為對(duì)年等效損耗時(shí)間進(jìn)行靈敏度分析，選擇“中低中”、“中中中”和“中高中”3種方案進(jìn)行對(duì)比。在3種方案下，±1100/±800/±660/±500 kV直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)輸電適用范圍如圖4所示。

圖4 不同年等效損耗時(shí)間經(jīng)濟(jì)輸電適用范圍

等效損耗時(shí)間與電能成本類似，會(huì)影響線路損耗費(fèi)用的大小。隨著等效損耗時(shí)間的上升，其變化趨勢(shì)也與電能成本類似，即相對(duì)于低電壓等級(jí)，高電壓等級(jí)直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)輸電適用范圍擴(kuò)大。經(jīng)濟(jì)輸電適用范圍變化的原因也與電能成本相同。

4.3 輸電走廊土地貶值率靈敏度分析

為對(duì)輸電走廊土地貶值率進(jìn)行靈敏度分析，選擇“中中低”、“中中中”和“中中高”3種方案進(jìn)行對(duì)比。在3種方案下，±1100/±800/±660/±500 kV直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)輸電適用范圍如圖5所示。

圖5 不同輸電走廊土地貶值率經(jīng)濟(jì)輸電適用范圍

從圖5可以看出，輸電走廊土地貶值率對(duì)各電壓等級(jí)經(jīng)濟(jì)輸電適用范圍的影響不大，這是因?yàn)檩旊娮呃韧恋刭H值費(fèi)用占綜合費(fèi)用的比重較小，因此經(jīng)濟(jì)輸電的適用范圍對(duì)該因素的靈敏度不高。

5 結(jié) 論

本文建立了直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性模型，從投資成本、維護(hù)成本、損耗費(fèi)用和輸電走廊土地貶值費(fèi)用4方面計(jì)算直流輸電系統(tǒng)的綜合費(fèi)用，進(jìn)而得到了經(jīng)濟(jì)輸電的適用范圍，并進(jìn)行了相關(guān)靈敏度分析，主要結(jié)論如下。

(1)從構(gòu)成直流輸電系統(tǒng)綜合費(fèi)用的投資成本、維護(hù)成本、損耗費(fèi)用以及輸電走廊貶值費(fèi)用4個(gè)部分來(lái)看，輸電走廊貶值費(fèi)用占比很??；直流輸電系統(tǒng)綜合費(fèi)用的決定性因素是投資成本和損耗費(fèi)用。

(2)對(duì)于確定的輸電距離，隨著輸電功率的增加，經(jīng)濟(jì)輸電方式在各個(gè)直流電壓等級(jí)間交替出現(xiàn)；總體上，輸電功率越大，輸電距離越長(zhǎng)，高電壓等級(jí)的直流輸電方式越經(jīng)濟(jì)。

(3)對(duì)電能成本和年等效損耗時(shí)間進(jìn)行靈敏度分析表明這2個(gè)因素都與高電壓等級(jí)直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)輸電適用范圍(這里“范圍”指的是由輸電距離l和輸電功率P構(gòu)成的l-P平面上的點(diǎn)集)正相關(guān)，即電能成本和年等效損耗時(shí)間上升，高電壓等級(jí)直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)輸電適用范圍擴(kuò)大，而低電壓等級(jí)直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)輸電適用范圍縮小。

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(編輯：張媛媛)

Applicability Study on DC Transmission with Different Voltage Levels

XU Zheng, CHENG Binjie

(College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

The economic transmission distance and capacity of DC transmission systems with different voltage levels serve as a guide in the selection of voltage level in actual DC transmission projects. The economic model of DC transmission system was built from four aspects of investment cost, maintenance cost, loss cost and transmission corridor depreciation cost. And the discounted cash flow model was adopted to calculate the comprehensive cost of DC transmission system. Taking a concrete transmission scenario with 1000 km transmission distance and 5 000 transmission power as an example, the comprehensive cost of DC project with different voltage levels was calculated, whose results were extended to other transmission scenarios to obtain the economic transmission applicable scope of DC transmission system with different voltage levels. Finally, the sensitivity analysis was carried out on parts of parameters that affected the economic transmission applicable scope. The results indicate that the DC transmission mode with high voltage is generally more economical along with the increase of transmission power and transmission capacity, and the electricity cost and equivalent annual loss time have significant influences on the economic transmission applicable scope of DC system.

DC transmission; voltage level; economic analysis; investment cost; maintenance cost; loss cost; transmission corridor depreciation cost

TM 72

A

1000-7229(2015)09-0022-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.09.004

2015-06-23

2015-08-03

徐政(1962)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榇笠?guī)模交直流電力系統(tǒng)分析、直流輸電與柔性交流輸電、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)技術(shù)、電力諧波與電能質(zhì)量；

程斌杰(1990)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇笠?guī)模交直流電力系統(tǒng)分析。