超遠距離輸電方式的經(jīng)濟性比較

王華昕，薛天水

(上海電力學院 電氣工程學院，上海 200090)

近年來，我國電力建設(shè)的腳步不斷加快，能源基地與負荷中心的距離也越來越遠，[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，對于輸送距離在2 000～3 000 km之間(稱為超遠距離)的輸電方式的研究變得越來越重要.目前，我國負荷中心和能源基地之間的距離多在1 000 km左右，當輸電距離在1 000～2 000 km時，就需要采取更高的電壓等級以滿足輸送容量和輸送距離的要求.隨著西電東送規(guī)模的擴大，更長輸送距離的輸電需求日益增加，未來我國能源輸送距離會大于2 000 km，外送的能源總量將達到2.5×108kW.預(yù)計到2020年，跨區(qū)、跨國電力輸送容量將達到3.73×108kW.[2]如此遠距離大規(guī)模的電力輸送，遠遠超出了目前電網(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未來能源發(fā)展的需求.

借鑒國內(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輸電和半波長交流輸電 4 種輸電方式.[7]

經(jīng)濟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，輸變電工程投運后才會產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益.文獻[8]和文獻[9]對比計算了特高壓交流輸電與超高壓500 kV輸電的年費用，文獻[10]對比了半波長交流輸電與特高壓直流輸電的年費用，但都沒有對特高壓交流輸電與特高壓直流輸電的年費用進行對比.本文采用年費用法對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輸電與半波長交流輸電的經(jīng)濟性，分析了半波長交流輸電的經(jīng)濟效益，并給出了敏感性分析.

1 經(jīng)濟性評價方法

采用年費用法對比了超遠距離輸電方式的經(jīng)濟性.年費用法的計算內(nèi)容包括建設(shè)成本、運行成本和維護成本.輸電工程建設(shè)和運行的費用支出主要包括建設(shè)投資、運行維護費用和線損費用等.年費用計算公式為:[11]

式中:NF——年費用;

i——電力工業(yè)投資回收率(貼現(xiàn)率);

n——工程的經(jīng)濟使用壽命，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年的運行費用.

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

式中:FY——輸送單位功率綜合費用;

P——該工程輸送功率.

超遠距離輸電方式經(jīng)濟性計算過程中，貼現(xiàn)率取8%，輸變電設(shè)備經(jīng)濟使用年限為30年;變電站、換流站維修費用按總靜態(tài)投資的2.2%考慮，線路維修費用按總靜態(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計算，最大負荷利用小時數(shù)按4 500 h計算，能耗小時數(shù)按3 500 h計算.以上參數(shù)在幾種輸電工程計算期間都相同.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)過無功補償裝置補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，都能夠達到2 000 km.半波長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，在進行經(jīng)濟性比較時，結(jié)合輸送距離將特高壓交流輸電與特高壓直流±800 kV輸電進行對比，將半波長交流輸電與特高壓直流±1 000 kV輸電進行對比.

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%;線路補償中串聯(lián)補償度為42%，并聯(lián)高抗補償度為20%，SVC補償度為 －40%.每100 km特高壓輸電線路的充電功率約為530 MW.其設(shè)備造價如表2所示.

表2 特高壓交流輸電設(shè)備造價

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)備造價如表3所示.

表3 ±800 kV直流輸電設(shè)備造價

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)濟性對比

從表4可以看出，在輸送單位功率的綜合費用方面，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)濟性方面具有優(yōu)勢.

3 半波長交流與直流±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)備造價如表5所示.

表5 ±1 000 kV直流輸電設(shè)備造價

半波長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.其設(shè)備造價如表6所示.

表6 半波長交流輸電設(shè)備造價

在半波長交流輸電系統(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，半波長交流輸電和特高壓直流±1 000 kV輸電兩種方案經(jīng)濟性比較如表7所示.

表7 特高壓直流±1 000 kV輸電與半波長輸電經(jīng)濟性對比

從表7可以看出，在輸送單位功率綜合費用方面，半波長交流系統(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，半波長交流輸電方式在經(jīng)濟性方面具有優(yōu)勢.

由于半波長交流輸電要求首末段電氣距離始終保持工頻半波長度，因此需要增加相關(guān)的控制系統(tǒng)，根據(jù)前面的計算結(jié)果可知，半波長交流輸電方式的控制系統(tǒng)費用如果不超過49.51億元，其經(jīng)濟性則優(yōu)于特高壓直流±1 000 kV輸電系統(tǒng).但當其輸送距離不足工頻半波長時需要通過人工補償?shù)姆绞綄⑾到y(tǒng)的電氣長度調(diào)諧至工頻半波長，因此在其輸送距離發(fā)生變化時，輸送單位功率綜合費用值也會隨之變化.輸送單位功率的綜合費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 半波長交流輸電輸送距離敏感性分析

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

4 結(jié)語

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

(2)對比4種輸電方式的經(jīng)濟性可以看出，半波長交流輸電在超遠距離輸電方式中具有明顯的優(yōu)勢.

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