交流和背對背高壓直流輸電的成本效益分析

李其昌/譯

山東省菏澤市第一中學(xué)

交流和背對背高壓直流輸電的成本效益分析

李其昌/譯

山東省菏澤市第一中學(xué)

這篇論文主要是闡述高壓電網(wǎng)在三個地區(qū)采用高壓輸電線路的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)關(guān)系。這項分析課題為750KV的輸電線路的優(yōu)化配置提供了調(diào)查研究和技術(shù)建議，在這種情況下，在歐洲兩個相似的內(nèi)陸地區(qū)之間，經(jīng)過驗證認(rèn)為區(qū)域互聯(lián)對于提高能源的安全性和加強(qiáng)電力貿(mào)易是有利的。它計算的是，在每一個方案中通過增設(shè)聯(lián)絡(luò)線引起功率交換，在特定區(qū)域中產(chǎn)生成本節(jié)約的最大值。

交流；背對背；成本效益；輸出處理設(shè)備；滲透系數(shù)；風(fēng)電場

一、簡介

投資方案包括下列因素：電壓：1×750KV，1×400KV和2× 400KV。

互聯(lián)模式：一個通過背對背的高壓變電站互聯(lián)同步或異步的電網(wǎng)（背對背高壓直流輸電）。

所有的投資方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)顯示，背對背高壓直流輸電系統(tǒng)比同步的交流輸電好，得出的結(jié)論是高壓直流輸電技術(shù)減少了網(wǎng)絡(luò)約束，當(dāng)發(fā)電設(shè)備優(yōu)化時允許在輸電線路上進(jìn)行水平更高的功率交換。至于低水平的能量交換，高壓直流輸電與交流輸電方案相比，由優(yōu)化發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生的區(qū)域成本節(jié)約很大，而且背對背高壓直流輸電方案可在網(wǎng)絡(luò)約束最大時提供電網(wǎng)系統(tǒng)最優(yōu)的成本節(jié)約。

二、輸入數(shù)據(jù)的假設(shè)

這篇論文從總計108個分析中確認(rèn)四種方案。下列表格總結(jié)了方案34。每種方案的分析是假定建設(shè)一條商業(yè)供電線路，提供的資金是五年，貸款利率7%。另一種方案的分析假設(shè)線路所有權(quán)和資金提供為20年，貸款利率4%。

表Ⅰ方案34的基本情況

1.11 52.1萬美元比率凈現(xiàn)值1.11 56.1萬美元

這個方案檢驗了國家1和變電站1、國家3和變電站3之間通過一個400KV的交流輸電線路，國家3的2個300MW背對背高壓直流輸電，總長度285 km，使用周期超過30年，發(fā)電成本預(yù)計每年降低4400萬美元，項目的總投資預(yù)計38900萬美元。

三、成本效益分析

（一）國家3的風(fēng)力發(fā)電場的發(fā)電水平

為評定風(fēng)力發(fā)電在地區(qū)3從30%容量因子到70%容量因子所產(chǎn)生和增加的效果，分析下列方案：

·1×750KV交流輸電線路（國家1-國家3）

·加載時間：夏季最大值；

·基本情況-風(fēng)險投資-Ⅰ-w30%.基本情況-風(fēng)險投資-Ⅰ-w70%.

這種投資方案是最引人注目的，從某種意義上說，電力交換發(fā)生逆轉(zhuǎn)（北-南到南-北），因此引發(fā)討論研究。所有發(fā)電成本和最佳的能量交換見圖1，例如，在1×750KV的交流線路，通過國家1到國家3的輸電線路的投資方案。在30%的容量因子必須運行的風(fēng)力發(fā)電方案中，當(dāng)國家1和國家2輸出200MW的功率到國家3，子區(qū)域總的電力成本約140.4萬美元時，在區(qū)域節(jié)省的條件下產(chǎn)生最佳的能量轉(zhuǎn)換。

圖1 影響風(fēng)力發(fā)電的最佳的能量轉(zhuǎn)化總量增加的方案（基本情況-風(fēng)險投資-W30%對基本情況-風(fēng)險投資-W70%）

在研究的方案中考慮70%的功率因子，風(fēng)力發(fā)電在國家3的南部地區(qū)達(dá)到2200MW。這表示OPF算法不需要是最優(yōu)的，在這些發(fā)電順序上，因為它必須運行，因此調(diào)在第一位。這2200MW轉(zhuǎn)移的是在發(fā)電序列里更具成本效益的發(fā)電，結(jié)果是OPF算法在發(fā)電序列上開始減少其它的發(fā)電廠，從國家3有效成本最低發(fā)電成本最高的傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)開始，列表中低效的高成本的發(fā)電設(shè)備在國家3不久將取消。在這一點上，OPF算法開始減少國家1和國家2的發(fā)電廠。因此，功率流變化了方向，類似的影響在成本-效益分析中也能觀察到，即在所有投資方案中70%的容量因子必須運行的風(fēng)參數(shù)的情況下，成本-效益指標(biāo)小于1。

（二）忽略和考慮電壓限制

電壓限制是地方性問題，是假設(shè)短期內(nèi)的適當(dāng)操作的管理（例如：選擇適當(dāng)設(shè)置點發(fā)電機(jī)的電壓）和在中期投資的相對簡單的電容器/反應(yīng)器。為了長期的決策分析，根據(jù)OPF算法來運行和忽略當(dāng)?shù)氐碾妷合拗茣雍侠怼?/p>

在這部分，研究電壓極限被忽略的變電站電壓案例。這種情況下：

基本情況-風(fēng)險投資-Ⅰ-W30%和

基本情況-風(fēng)險投資-Ⅰ-W70%

在OPF算法分析中電壓極限限制被忽略了。在表Ⅲ中觀察到的電壓在一定的節(jié)點超過可操作的極限限制。當(dāng)檢查高壓直流輸電投資方案時，和交流輸電線路相比較節(jié)點電壓接近允許的極限。因此在交流輸電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點的電壓是這部分研究的焦點。

表Ⅱ分析電壓水平限制

交流輸電線路投資方案中關(guān)鍵節(jié)點的電壓見圖2.在許多投資方案中，最佳的功率交換水平比導(dǎo)線的熱限制要少。在幾乎所有的投資方案中，關(guān)鍵節(jié)點電壓接近線路電壓的要求更高，如圖2所示。然而最大的電壓偏差在±20%左右，可以通過增加反應(yīng)裝置進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償來解決。注意，只有在國家3和國家1的模擬分析的變電站中是可用的。根據(jù)項目工作組成員的意見，這個結(jié)論說明增加反應(yīng)器的重要性。

圖2 在OPF算法計算下解決的最佳功率轉(zhuǎn)化情況下的電壓水平

（三）750KV對400KV線路

效益與成本相比，在交流和直流的情況下400KV優(yōu)于750KV。原因是750KV的總投資成本明顯高于400KV。雖然表Ⅰ說明750KV方案的最佳功率轉(zhuǎn)化水平高于400 KV的方案，但和400KV的方案相比，高水平的功率轉(zhuǎn)換增加的節(jié)約不夠彌補(bǔ)增加的成本投資。

表Ⅲ最佳功率交換和節(jié)約比較(750 KV和2×400 KV) -基本情況-Ⅰ-W30%

（四）交流輸電與背對背直流輸電線路

在所有的投資方案中，背對背高壓直流輸電優(yōu)于交流輸電。這是因為OPF算法擴(kuò)大了背對背高壓直流輸電的交換水平，這項技術(shù)放寬了增加功率輸出的技術(shù)約束。即使低水平的功率轉(zhuǎn)換，它的區(qū)域節(jié)約與交流輸電方案相比也很高。此外技術(shù)約束最大時為了優(yōu)化節(jié)約，背對背高壓直流輸電是唯一的解決方案。

另一方面，降低質(zhì)量的擾動非常重要。使用背對背直流輸電，功率容量可以用在電網(wǎng)中的應(yīng)力控制，從而提高質(zhì)量。此外，交換頻率增長引起的快速反應(yīng)，可以提供新的質(zhì)量性能水平，能導(dǎo)致諧波減少、電壓閃變、電壓驟降等。

四、電能質(zhì)量問題

大約70%與電能質(zhì)量有關(guān)的問題，歸結(jié)于線路故障或布線因素。電能頻率干擾、電磁介入、瞬變、諧波和低功率因子，是電能供應(yīng)和負(fù)載類型有關(guān)系的其它類型的電能質(zhì)量問題。在這些因素中，諧波是支配原因之一,根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)，諧波在電力系統(tǒng)由兩種不同的方法控制，限制諧波電流的方法之一是用戶在公共耦合點進(jìn)入實用系統(tǒng)，其它對諧波的限制在于對一些客戶在公共耦合點提供的電壓,分布式發(fā)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是其次考慮的因素，包括保護(hù)和穩(wěn)壓問題。

五、結(jié)論

在一個國家風(fēng)力發(fā)電急劇增加的情況下，根據(jù)發(fā)電成本限制優(yōu)化區(qū)域發(fā)電，在一些投資方案中，當(dāng)功率流由從北向南變成從南到北，發(fā)電量由30%增加到70%時，風(fēng)力發(fā)電指定為必須運行。這發(fā)生在OPF算法，使低效高成本的發(fā)電機(jī)首先在國家3、國家2、國家1減少發(fā)電量，并實行風(fēng)力發(fā)電,這個過程延續(xù)到在國家1和國家2減少發(fā)電量的成本，比在國家3沿著功率流的方向減少發(fā)電大得多時，國家3開始向北方的國家2和國家1輸出功率。

通過成本-效益分析觀察得到一個類似的結(jié)論。當(dāng)成本-效益性能指標(biāo)明顯不太有利時，風(fēng)力發(fā)電是仿照70%的容量因子的方案建立模型的。這種情況下，所有投資方案的效益-成本的比率<1，400KV背對背高壓直流輸電的投資方案，效益-成本的比率<1。當(dāng)國家3仿照30%的容量因子必須運行風(fēng)力發(fā)電時，從分析結(jié)果可以看出，在國家高風(fēng)力發(fā)電的情況下，新的輸電線路的收益將取決于向電網(wǎng)的其它部分輸出功率的能力。不論交流還是直流輸電，400 KV優(yōu)于750KV的方案，這是因為750KV的選項總的投資成本明顯高于400KV。雖然750KV選項的最佳功率轉(zhuǎn)化水平高于400KV選項，但是750KV選項產(chǎn)生的節(jié)約不能彌補(bǔ)增加的成本投資。背對背高壓直流線路幾乎優(yōu)于所考慮的每個交流方案，這是因為高壓直流輸電減少了因功率轉(zhuǎn)化增加的網(wǎng)絡(luò)約束，擴(kuò)大了功率流在子區(qū)域的使用范圍。事實上考慮到國家3在30%的容量因子下必須進(jìn)行的輸電，背對背高壓直流線路是唯一一個產(chǎn)生效益-成本比率大于1的投資方案。因此高壓直流輸電技術(shù)似乎是國家電網(wǎng)中短期的合理要求。成本-效益分析發(fā)現(xiàn)，在工業(yè)工程學(xué)的線路中配置相關(guān)的不同投資方案，沒有顯示出明顯的差異，直接從國家1到國家2或通過國家3也是這樣。如果國家間的電網(wǎng)通過中間步驟連接，國家3和國家2的能源貿(mào)易在三個國家貿(mào)易之前開始。計算結(jié)果應(yīng)當(dāng)在子區(qū)域輸電線路起作用的投資-效益的量化指標(biāo)進(jìn)入電力市場的具體方面，作可能的進(jìn)一步研究。

這個分析通過OPF算法計算，結(jié)果受到了限制，包括發(fā)電機(jī)組在三個加載時間的負(fù)荷流量分析沒有考慮（冬季最大、夏季最大、夏季最?。?，要求附加有效的和延長保護(hù)區(qū)的要求價格，區(qū)域邊緣的變電站節(jié)點的價格。

（原作者：﹝羅馬尼亞﹞Oana Udrea,Gabriela Ungureanu等）