不同電壓等級直流輸電的適用性研究

徐政，程斌杰

(浙江大學電氣工程學院，杭州市 310027)

?

不同電壓等級直流輸電的適用性研究

徐政，程斌杰

(浙江大學電氣工程學院，杭州市 310027)

各電壓等級直流輸電系統的經濟輸電適用范圍，包括輸送距離和輸送容量，對于實際直流輸電工程中電壓等級的選擇具有指導作用。從投資成本、維護成本、損耗費用和輸電走廊土地貶值費用這4個方面建立了直流輸電系統的經濟性模型，并運用現金流折現模型計算直流輸電工程的綜合費用。以輸電距離1 000 km、輸電功率5 000 MW具體輸電場景為例，計算了各電壓等級直流工程的綜合費用，并拓展到任意輸電場景，得到了各電壓等級直流輸電系統經濟輸電適用范圍。最后對影響經濟輸電適用范圍的部分參數進行了靈敏度分析。研究表明：隨著輸電功率和輸電距離的增加，總體上高電壓等級的直流輸電方式更為經濟；電能成本和年等效損耗時間對直流系統經濟輸電適用范圍影響較大。

直流輸電；電壓等級；經濟性分析；投資成本；維護成本；損耗費用；土地貶值費用

0 引 言

對于大區域電網互聯，高壓直流輸電(high voltage direct current, HVDC)以其在遠距離大容量送電上的經濟和技術優勢而成為一種重要的技術方案[1-2]。不同電壓等級的傳統直流輸電系統，輸送能力和經濟性各不相同。因此，對于具體的輸電場景，在滿足技術要求的前提下，選擇綜合費用較低的直流輸電電壓等級，能夠減少投入成本、節約社會資源，具有很大的經濟效益。

在直流輸電系統的經濟性方面，相關文獻也進行了研究。文獻[3-4]介紹了與柔性直流輸電系統相關的成本計算方法，文獻[5-8]對交直流輸電系統的經濟性進行了對比，文獻[9]分析了風電通過特高壓直流送出場景下的經濟性，文獻[10]則研究了背靠背直流結合交流輸電和直流輸電2種方式的經濟性。然而，較少有研究針對各電壓等級下傳統直流輸電系統的經濟性，特別是它們的經濟輸電適用范圍。另外，現有的對于直流輸電系統經濟性的研究也并沒有從國家社會層面反應工程實際投入的成本。因此有必要全面考慮各方面因素，對直流輸電系統的經濟輸電適用范圍進行深入研究。

本文從投資成本、維護成本、損耗費用和輸電走廊土地貶值費用等4個方面建立直流輸電系統經濟性模型，運用現金流折現模型，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用，從而確定不同電壓等級直流輸電方案的經濟輸電距離和經濟輸電功率，得到經濟輸電適用范圍。最后對影響經濟性的部分參數進行靈敏度分析。本文從經濟性角度出發，對于具體輸電場景下直流電壓等級的選擇具有指導意義。

1 直流輸電系統經濟性模型

各個電壓等級直流輸電系統的綜合費用主要包括投資成本、維護成本、損耗費用和輸電走廊土地貶值費用等4部分，通過現金流折現模型將未來的現金流量折合成現值，從而對各電壓等級直流輸電系統的經濟性進行分析。

1.1 投資成本

直流輸電系統投資成本主要由換流站和輸電線路的成本構成。參考現有的直流輸電工程，各個電壓等級直流工程投資成本估算數據如表1所示[11]。

表1 各電壓等級各部分投資成本

Table 1 Investment costs of different voltage levels

直流輸電系統的換流站投資成本和線路投資成本均隨著電壓等級的升高而增加，計算公式分別如式(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，萬元/km；l為輸電距離，km；n為線路回路數。

1.2 維護成本

維護成本與固定資產原值有關，多以年維護成本占投資成本百分比或者生命周期內維護成本占投資成本百分比的形式給出。本文維護成本以年維護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為年維護成本；m為運行費率，本文取運行費率為1.8%[11]。

1.3 損耗費用

直流輸電系統的損耗包括換流站損耗以及直流線路損耗。

單個換流站的損耗通過換流站損耗率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。

各電壓等級直流輸電系統的換流站損耗率如表2所示。

表2 各電壓等級換流站損耗率

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)計算得到，即

I=P/(2nUdc)

(6)

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

表3 各電壓等級直流線路電阻

Table 3 DC line resistance of each voltage level

以上計算得到損耗功率，包括換流站損耗功率和線路損耗功率。通過年等效損耗小時數Tloss(h)以及電能成本Cprice(元/(kW·h))即可計算得到年損耗費用Al(萬元)，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用

輸電線路桿塔的架設使得周圍一定范圍內的土地出現貶值，本文通過如下方法計算貶值費用：假設每km2土地每年的產出為Ocorp(萬元)，本文取Ocorp為150萬元，輸電走廊土地貶值率為Ide(%)，單回線路輸電走廊寬度為w1(m)，回路數為n1，同塔雙回輸電走廊寬度為w2(m)，回路數為n2，輸電距離為l(km)，則每年的輸電走廊貶值費用Atrans(億元)計算公式如式(8)所示，即

Atrans=(n1w1+n2w2)·l·Ocorp·Ide/107

(8)

直流各電壓等級輸電走廊寬度如表4所示。

表4 各電壓等級輸電走廊寬度

Table 4 Transmission corridor width of each voltage level

1.5 現金流折現模型

由于計算投資成本得到的是成本現值，而維護成本、損耗費用和輸電走廊土地貶值費用都是成本年值，因此本文采用現金流折現模型將未來的現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)

聯立式(11)和式(12)，可得：

(13)

基于式(13)，可將維護成本、損耗費用和輸電走廊土地貶值費用折合到現值。

1.6 經濟評估參數

本文用到的各經濟參數如表5所示[11,13]。

表5 各經濟參數

Table 5 Economic parameters

綜上，直流輸電系統經濟性模型可用公式(14)表示，即

(14)

2 具體輸電場景成本計算

本文以輸電距離1 000 km、輸電功率5 000 MW具體輸電場景為例，計算不同電壓等級直流輸電系統的各部分成本和綜合費用。

2.1 線路回路數

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

表6 各電壓等級輸送能力

Table 6 Transmission ability of each voltage level

考慮各電壓等級直流輸電系統的輸送能力，輸電功率為5 000 MW時，各電壓等級直流輸電系統所需回路數由式(15)計算得到，即

(15)

2.2 投資成本

在輸電距離1 000 km、輸電功率5 000 MW具體輸電場景下，各電壓等級直流輸電系統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，投資成本結果如式(18)所示，即

(18)

2.3 維護成本

維護成本現值如下式(19)所示，其中m為年運行費率，本文年值折算為現值的折算系數為11.26。

(19)

對于輸電距離1 000 km、輸電功率5 000 MW具體輸電場景，各電壓等級直流輸電系統的維護成本現如式(20)計算得到，即

(20)

2.4 損耗費用

根據式(4)和式(5)，對于輸電距離1 000 km、輸電功率5 000 MW的情況，各電壓等級直流輸電系統損耗功率計算結果如式(21)所示，即

(21)

損耗費用現值(單位為萬元)計算公式如式(22)所示，即

(22)

式中：Cprice為電能價格，元/(kW·h)算例取0.9元/(kW·h)；Tloss為年等效損耗小時數，h，算例取5 000 h，因此各電壓等級損耗費用現值如式(23)所示，即

(23)

2.5 輸電走廊土地貶值費用

由式(8)，輸電走廊土地貶值費用現值計算公式如式(24)所示，即

(24)

對于1 000 km、5 000 MW的典型輸電工程，考慮輸電能力，各電壓等級單回輸電線路和同塔雙回輸電線路的個數如式(25)所示，即

(25)

各電壓等級下輸電走廊土地面積如式(26)所示，即

(26)

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

(27)

2.6 綜合費用

由以上計算結果，可得在輸電距離1 000 km、輸電功率5 000 MW的具體輸電場景下，各電壓等級直流輸電系統的綜合費用如式(28)所示，即

(28)

3 經濟輸電適用范圍

將第2節算例中的輸電場景擴展到不同輸電距離和不同輸電功率，得到不同輸電場景下各個電壓等級直流輸電系統的綜合費用，從而得到各電壓等級的經濟輸電適用范圍。

3.1 直流輸電系統綜合費用

與第2節計算方法類似，對于任意的輸電工程，±1100/±800/±660/±500 kV直流輸電系統綜合費用隨輸電距離和輸電功率變化情況如圖1所示。

圖1 各電壓等級綜合費用

對于各電壓等級，隨著輸電距離和輸電功率的增加，綜合費用不斷上升。另外，隨著輸電功率的增加，在某些點上綜合費用存在一定的階躍，這是由直流輸電系統線路回路數的增加所導致的。隨著輸電功率的增加，當輸電功率超過直流系統輸送容量時，直流線路回路數會增加，投資成本增加，同時線路損耗費用會有所減小，兩者共同作用導致綜合費用的階躍。

3.2 經濟輸電適用范圍

對于確定的輸電距離l和輸電功率P，采用±1100/±800/±660/±500 kV直流輸電方案時其綜合費用是不同的，如果以綜合費用最小作為方案適用的入選準則，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 直流各電壓等級經濟輸電適用范圍

由圖2可以看出：

(1)隨著輸電功率的增加，直流輸電的經濟輸電方式在各個電壓等級間交替，總體上，輸電功率越大，高電壓等級的直流輸電方式越經濟。

(2)直流輸電系統的經濟輸電適用范圍主要受投資成本和損耗費用影響。輸電功率較低時，投資成本占主導，低電壓等級的直流輸電系統由于投資成本較低因此較為經濟；隨著輸電功率的增加，損耗費用逐漸增加，高電壓等級損耗費用低的優勢顯現出來，從而逐漸成為經濟的輸電方式。

(3)按照本節選取的各經濟參數，大致可以看出，當輸電功率小于1 800 MW時，±500 kV直流輸電系統較為經濟；當輸電功率介于1 800 MW和4 000 MW之間時，±660 kV直流輸電系統較為經濟；當輸電功率大于4 000 MW時，則±1 100 kV直流輸電系統具有成本優勢。另外，±800 kV直流輸電系統的經濟輸電適用范圍較小。

4 靈敏度分析

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

表7 參數取值定義

Table 7 Definition of parameter values

4.1 電能成本靈敏度分析

為對電能成本進行靈敏度分析，選擇“低中中”、“中中中”和“高中中”3種方案進行對比。在3種方案下，±1100/±800/±660/±500 kV直流輸電系統的經濟輸電適用范圍如圖3所示。

圖3 不同電能成本經濟輸電適用范圍

電能成本會影響線路損耗費用的大小，隨著電能成本的上升，從圖3可以看到，相對于低電壓等級，高電壓等級直流輸電系統的經濟輸電適用范圍擴大。這是因為電能成本的上升增加了損耗費用，這時損耗較小的高電壓等級輸電方式具有優勢，經濟輸電適用范圍也相應地增大。

4.2 年等效損耗時間靈敏度分析

為對年等效損耗時間進行靈敏度分析，選擇“中低中”、“中中中”和“中高中”3種方案進行對比。在3種方案下，±1100/±800/±660/±500 kV直流輸電系統的經濟輸電適用范圍如圖4所示。

圖4 不同年等效損耗時間經濟輸電適用范圍

等效損耗時間與電能成本類似，會影響線路損耗費用的大小。隨著等效損耗時間的上升，其變化趨勢也與電能成本類似，即相對于低電壓等級，高電壓等級直流輸電系統的經濟輸電適用范圍擴大。經濟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

為對輸電走廊土地貶值率進行靈敏度分析，選擇“中中低”、“中中中”和“中中高”3種方案進行對比。在3種方案下，±1100/±800/±660/±500 kV直流輸電系統的經濟輸電適用范圍如圖5所示。

圖5 不同輸電走廊土地貶值率經濟輸電適用范圍

從圖5可以看出，輸電走廊土地貶值率對各電壓等級經濟輸電適用范圍的影響不大，這是因為輸電走廊土地貶值費用占綜合費用的比重較小，因此經濟輸電的適用范圍對該因素的靈敏度不高。

5 結 論

本文建立了直流輸電系統的經濟性模型，從投資成本、維護成本、損耗費用和輸電走廊土地貶值費用4方面計算直流輸電系統的綜合費用，進而得到了經濟輸電的適用范圍，并進行了相關靈敏度分析，主要結論如下。

(1)從構成直流輸電系統綜合費用的投資成本、維護成本、損耗費用以及輸電走廊貶值費用4個部分來看，輸電走廊貶值費用占比很??；直流輸電系統綜合費用的決定性因素是投資成本和損耗費用。

(2)對于確定的輸電距離，隨著輸電功率的增加，經濟輸電方式在各個直流電壓等級間交替出現；總體上，輸電功率越大，輸電距離越長，高電壓等級的直流輸電方式越經濟。

(3)對電能成本和年等效損耗時間進行靈敏度分析表明這2個因素都與高電壓等級直流輸電系統的經濟輸電適用范圍(這里“范圍”指的是由輸電距離l和輸電功率P構成的l-P平面上的點集)正相關，即電能成本和年等效損耗時間上升，高電壓等級直流輸電系統的經濟輸電適用范圍擴大，而低電壓等級直流輸電系統的經濟輸電適用范圍縮小。

[1]Bahrman M P，Johnson B K. The ABCs of HVDC transmission technologies[J]. IEEE Power Energy Magazine, 2007,5(2):32-44.

[2]Huang D, Shu Y, Ruan J, et al. Ultra high voltage transmission in China: Developments, current status and future prospects[J]. Proceedings of IEEE, 2009,97(3): 555-583.

[3]曾丹,姚建國,楊勝春,等. 柔性直流輸電不同電壓等級的經濟性比較[J]. 電力系統自動化,2011,35(20):98-102. Zeng Dan,Yao Jianguo, Yang Shengchun, et al. Economy comparison of VSC-HVDC with different voltage levels[J]. Automation of Electric Power System,2011,35(20):98-102.

[4]趙清聲,王志新,張華強,等. 海上風電場輕型直流輸電的經濟性分析[J]. 可再生能源,2009,27(05):94-98. Zhao Qingsheng, Wang Zhixin, Zhang Huaqiang, et al. Economic analysis on HVDC-light for off-shore wind farm[J]. Renewable Energy Resources,2009,27(05):94-98.

[5]程斌杰,徐政,宣耀偉,等. 海底交直流電纜輸電系統經濟性比較[J]. 電力建設,2014,35(12):131-136. CHENG Binjie, XU Zheng, XUAN Yaowei, et al. Economic Comparison of AC/DC Power Transmission System for Submarine Cables[J]. Electric Power Construction,2014,35(12):131-136.

[6]鄭歡,江道灼,杜翼. 交流配電網與直流配電網的經濟性比較[J]. 電網技術,2013,37(12):3368-3374. Zheng Huan, Jiang Daozhuo, Du Yi. Economic comparison of AC and DC distribution system[J]. Power System Technology, 2013, 37(12): 3368-3374.

[7]梁涵卿,鄔雄,梁旭明. 特高壓交流和高壓直流輸電系統運行損耗及經濟性分析[J]. 高電壓技術,2013,39(03):630-635. Liang Hanqing, Wu Xiong, Liang Xuming. Operation losses and economic evaluation of UHVAC and HVDC transmission systems[J]. High Voltage Engineering,2013,39(03):630-635.

[8]Santos M L, Jardini J A, Casolari R P, et al. Power transmission over long distances: economic comparison between HVDC and half-wavelength line[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2014,29(2):502-509. [9]黃怡,王智冬,劉建琴,等. 特高壓直流輸送風電的經濟性分析[J]. 電力建設,2011,32(05):100-103. Huang Yi, Wang Zhidong, Liu Jianqin, et al. Economic analysis of wind power by UHV DC transmission[J]. Power System Construction, 2011, 32(05): 100-103.

[10]Hammad A E, Long W F. Performance and economic comparisons between point-to-point HVDC transmission and hybrid back-toback HVDC/AC transmission[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1990, 5(2): 1137-1144.

[11]國網北京經濟技術研究院,武漢大學. 交直流輸電技術適用范圍比選方法研究[R]. 2013.

[12]Eeckhout B V. The economic value of VSC HVDC compared to HVAC for offshore wind farms[D]. Leuben: Katholieke Universiteit Leuven, 2008.

[13]梁雙,范明天,蘇劍. 基于停電損失費用的變電站經濟容量研究[J]. 供用電,2009,26(2)：1-4. Liang Shuang, Fan Mingtian, Su Jian. Study of economical capacity for substations based on interruption cost[J]. Distribution & Utilization,2009,26(2)：1-4.

(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，博士生導師，研究方向為大規模交直流電力系統分析、直流輸電與柔性交流輸電、風力發電技術與風電場并網技術、電力諧波與電能質量；

程斌杰(1990)，男，碩士研究生，研究方向為大規模交直流電力系統分析。