前言：鑒于近年來可再生能源發(fā)電量的增加，了解間歇性發(fā)電的運營挑戰(zhàn)可以通過其他技術(shù)或操作程序減輕的方式變得越來越重要。一種這樣的技術(shù)是高壓直流輸電(HVDC)。為了更好地為美國能源信息署(EIA)的長期規(guī)劃模型和預測提供信息，EIA委托ICF Incorporated，LLC(ICF)進行了一項研究，以評估高壓直流輸電可能發(fā)揮的作用，實現(xiàn)額外的可再生能源發(fā)電集成到電網(wǎng)。

　　更具體地說，要求ICF審查他們認為高壓直流輸電可以減輕額外可再生能源發(fā)電所帶來的挑戰(zhàn)的程度，使用高壓直流輸電傳輸可再生能源發(fā)電的優(yōu)缺點，以及建造額外高壓直流輸電的潛在成本。

　　可再生資源產(chǎn)生的電力可以分為兩種類型 - 可調(diào)度和不可調(diào)度的發(fā)電?？烧{(diào)度的發(fā)電源包括傳統(tǒng)的水電，地熱和生物質(zhì)。然而，諸如太陽能和風能之類的不可調(diào)度(或間歇或可變)發(fā)電源取決于資源可用性，例如當太陽照射或風吹過時，這些技術(shù)對響應(yīng)發(fā)電調(diào)度信號的能力有限。

　　不可調(diào)度可再生能源發(fā)電的日益增加，即來自太陽能和風能等資源的部署和滲透可能導致電力系統(tǒng)運行問題，包括在電力需求高峰或低谷期間的不足或過度發(fā)電。這些條件可能需要額外的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)以適應(yīng)從這些資源提供的電力所造成的相關(guān)系統(tǒng)波動。

　　輸電線路便于將電力從發(fā)電站大量轉(zhuǎn)移到本地配電網(wǎng)絡(luò)。美國的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)包括大約700,000英里的線路。這些線路中的大多數(shù)以交流電運行，這是通常產(chǎn)生電力并將其傳遞給最終用戶的方式。

　　HVDC線路通常用于長距離大容量傳輸電力?，F(xiàn)在，它們被提議作為將高質(zhì)量風力資源區(qū)域的風力發(fā)電轉(zhuǎn)移到其他地區(qū)的一種方式。如果配置正確，直流傳輸還可以幫助減輕風力和太陽能發(fā)電的運行問題，例如增加的可再生發(fā)電與需求不匹配。這可以通過有效地將風或太陽能資源產(chǎn)生的電力從高滲透區(qū)域轉(zhuǎn)移到具有較低滲透率的區(qū)域來實現(xiàn)。

　　應(yīng)當注意，還可以使用各種其他技術(shù)或?qū)嵺`(包括智能電網(wǎng)技術(shù)，儲能或其他靈活的發(fā)電技術(shù))來減輕與增加的風能和太陽能資源的發(fā)電滲透相關(guān)聯(lián)的挑戰(zhàn)。然而，高壓直流輸電線路在緩解不可調(diào)度的可再生能源發(fā)電對電網(wǎng)增長所帶來的一些潛在挑戰(zhàn)方面，其潛在的能力是一個重要的考慮因素。

　　1. 調(diào)查結(jié)果摘要

　　在全球范圍內(nèi)，人們重新開始對高壓直流(HVDC)輸電項目用于經(jīng)濟區(qū)域間電力轉(zhuǎn)移產(chǎn)生興趣。在美國，一些高壓直流輸電項目正在規(guī)劃中，以促進遠程可再生資源發(fā)電區(qū)域與遠程負荷中心的整合。本研究探討了高壓直流輸電在減輕不可調(diào)度的可再生能源發(fā)電技術(shù)影響方面的作用。不可調(diào)度的技術(shù)(或間歇或可變的發(fā)電技術(shù))，如太陽能和風能，基于資源可用性運行，因此為系統(tǒng)運營商帶來調(diào)控性挑戰(zhàn)。該報告研究了美國能源行業(yè)當前提出的一些具體問題。

　　本研究基于三管齊下的方法。首先，ICF審查了幾個公開的來源，以評估高壓直流技術(shù)在解決與可再生能源發(fā)展相關(guān)的電網(wǎng)整合問題中的適用性。其次，ICF根據(jù)公開資源匯總和總結(jié)了高壓直流輸電項目成本的最新趨勢，以解決與可再生能源一體化部署高壓直流輸電解決方案相關(guān)的成本效益問題。第三，ICF依靠三個詳細的案例研究 - 連接懷俄明州和加利福尼亞州的TransWest Express(TWE)項目，西南電力池(SPP)和田納西河流域管理局(TVA)服務(wù)區(qū)域的平原和東部清潔線項目，以及Midcontinent獨立系統(tǒng)運營商(MISO)概念性HVDC網(wǎng)絡(luò) - 解決項目范圍中的概念驗證問題。

　　不可調(diào)度的可再生能源發(fā)電的負面影響包括發(fā)電限電，棄風棄光或負能源價格，由于發(fā)電和需求不匹配導致的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，對輔助服務(wù)的需求增加，單位利用小時數(shù)和調(diào)度效率低下等。通過高壓直流輸電增加電網(wǎng)互聯(lián)將使從具有過剩可再生資源(發(fā)電)的區(qū)域到具有高電力需求的區(qū)域(客戶端)的電力傳輸具有更大的靈活性。由于HVDC與交流(AC)系統(tǒng)解耦，因此可以在對發(fā)電區(qū)域的基礎(chǔ)交流輸電系統(tǒng)的影響最小的情況下，實現(xiàn)從發(fā)電到客戶區(qū)域的轉(zhuǎn)移。此外，由于HVDC在長距離上的損耗相對較低，如果沒有HVDC項目的詳細建模，很難確定使用交流網(wǎng)絡(luò)來互連發(fā)電區(qū)域中的可再生資源是否會產(chǎn)生任何可靠性影響?？赡懿渴餒VDC解決方案(即代替AC解決方案)以減輕不可調(diào)度的發(fā)電影響的可再生滲透水平往往因大的同步系統(tǒng)而異。諸如底層傳輸網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)健性，發(fā)電資源的混合，靈活資源的可用性以及與相鄰系統(tǒng)的關(guān)系的性質(zhì)等因素都將影響HVDC解決方案的部署級別。然而，目前對現(xiàn)有文獻的回顧是，高壓直流輸電系統(tǒng)在可再生能源的滲透率較高時具有經(jīng)濟意義。

　　高壓直流輸電系統(tǒng)的成本取決于許多因素，例如要傳輸?shù)碾娏θ萘?，傳輸介質(zhì)的類型(海纜或陸基)，環(huán)境因素，對路權(quán)的獲取(ROW)以及換流站和相關(guān)設(shè)備的成本。由于最近在美國缺乏高壓直流輸電項目，因此難以確定典型的項目成本。根據(jù)對最近提案和相關(guān)監(jiān)管文件的審查，HVDC項目的成本介于兩者之間每英里117萬美元，每英里862萬美元(2017美元)。

　　2. 背景介紹

　　EIA有興趣評估高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)的潛力，以減輕不可調(diào)度發(fā)電技術(shù)的影響。不可調(diào)度的技術(shù)(或間歇或變量發(fā)電技術(shù))，如太陽能和風能，在本地資源可用時運行，從而給系統(tǒng)運營商帶來可調(diào)度性挑戰(zhàn)。

　　與可變或間歇發(fā)電相關(guān)的一些關(guān)鍵操作問題包括在系統(tǒng)需求高的時期缺乏足夠的發(fā)電資源，在系統(tǒng)需求低的時期產(chǎn)生過多的發(fā)電資源，以及對輔助服務(wù)(如旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)備用的增加)以滿足與間歇發(fā)電波動相關(guān)的響應(yīng)時間要求。文獻中提出的HVDC線路的一個應(yīng)用是使用這些傳輸線來互連不同的區(qū)域電力市場。這些互連有助于從功率過剩區(qū)域(發(fā)電區(qū)域)向功率不足區(qū)域(客戶區(qū)域)傳輸功率。高壓直流輸電換流站被用作發(fā)電電流源，以平衡給定區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中間歇性可再生能源發(fā)電的變化。

　　2.1 報告的目標

　　2.1.1 主要回答的問題

　　該項目的目標是評估部署HVDC互連以減輕變量生成影響的技術(shù)潛在挑戰(zhàn)，并評估與這些類型的項目相關(guān)的近期成本趨勢。如項目范圍文件所述，ICF在本報告中解決了以下問題：

　　高壓直流輸電如何以及在何種程度上可用于減輕不可調(diào)度的發(fā)電影響?

　　同步電網(wǎng)之間的直流(DC)連接線是否足以將系統(tǒng)影響從發(fā)電區(qū)域傳輸?shù)娇蛻魠^(qū)域，或者必須將不可調(diào)度的發(fā)電機直接連接到客戶區(qū)域，繞過與發(fā)電區(qū)域的任何交互?

　　交流和直流接口的某些系統(tǒng)配置和拓撲是否更有效地減輕了不可調(diào)度發(fā)電的部分或全部影響?

　　我們期望這些解決方案能夠部署到不可調(diào)度發(fā)電的滲透水平嗎?

　　滲透水平如何根據(jù)部署的不可調(diào)度技術(shù)的類型，傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)的份額和/或其他區(qū)域特征而變化?

　　還有哪些其他參數(shù)會影響和/或決定HVDC的部署?

　　高壓直流輸電能夠減輕間歇性影響的程度有限嗎?

　　在各種供應(yīng)水平下為這些目的部署高壓直流輸電的成本估算是多少?

　　該報告針對估算部署高壓直流輸電的成本和投資回報率提出了以下問題：

　　在美國開發(fā)高壓直流輸電設(shè)施時，每英里的歷史成本或每兆瓦英里的成本是多少?

　　成本構(gòu)成，特別是固定的(與線路長度無關(guān)的成本)和可變成本(成本是線路長度的函數(shù))?

　　哪些因素會影響這些成本(例如區(qū)域勞動力成本，地理位置，人口密度等)?

　　哪些與成本相關(guān)的因素可能會限制HVDC部署?

　　2.1.2 研究方法

　　為解決這些問題，ICF審查了幾個公開來源，主要關(guān)注可再生能源電網(wǎng)整合和高壓直流線路成本。除少數(shù)商業(yè)高壓直流輸電項目外，近年來美國的高壓直流輸電線路項目很少。因此，目前關(guān)于該主題的許多可用研究來自歐洲，其中許多HVDC項目正在提出并且目前正在實施用于可再生整合。討論的來源主要是同行評審的期刊文章，研究報告，行業(yè)新聞簡報，或由行業(yè)供應(yīng)商，研究實驗室和其他知名傳輸行業(yè)利益相關(guān)者發(fā)布的案例研究。高壓直流成本趨勢也是從公開來源中提取的。國家可再生能源實驗室(NREL)2017年JEDI報告包含高壓直流輸電的最詳細的成本分類，包括假設(shè)的高壓直流輸電項目的年度運營和管理(O&M)成本。ICF還依賴于西方電力協(xié)調(diào)委員會(WECC)自2014年以來使用的輸電擴展規(guī)劃工具，該工具提供與高壓直流輸電項目相關(guān)的資金和其他雜項成本。檢查的完整資源清單包含在參考書目中。

　　2.1.3 報告結(jié)構(gòu)

　　本節(jié)的其余部分提供了有關(guān)HVDC技術(shù)的簡要歷史背景。第三部分探討了EIA提出的主要問題 - 檢查高壓直流輸電線路在減輕可再生能源發(fā)電系統(tǒng)影響方面的影響。該報告還審查了三個案例研究 - TWE項目將懷俄明州與加利福尼亞州，Plains&Eastern的SPP和TVA清潔線項目以及MISO的概念性HVDC網(wǎng)絡(luò)相互連接，以突出與高壓直流和可再生能源一體化相關(guān)的挑戰(zhàn)和問題。本節(jié)包括三個案例研究的見解摘要，采用問答形式，旨在解決項目范圍內(nèi)提出的問題。該研究還檢查了最近HVDC項目的成本趨勢，以解決項目范圍內(nèi)與成本相關(guān)的問題。

　　2.2 HVDC技術(shù)簡介

　　2.2.1 HVDC技術(shù)發(fā)展歷程

　　發(fā)電廠通常位于能源(例如煤礦)附近，以最小化燃料運輸成本。這些發(fā)電廠通常遠離人口密集的負荷中心; 因此，經(jīng)濟地輸送電力很重要。這是通過以高電壓傳輸產(chǎn)生的電力來實現(xiàn)的(在兩端，發(fā)電廠使用變壓器升壓，在終端變電站降壓)。像托馬斯愛迪生這樣的早期開拓者最初開始利用電力，通過將發(fā)電機放置在使用電力的設(shè)備旁邊來實現(xiàn)這一點。這些早期發(fā)電站使用直流電通過銅線輸送電力，這種方法效率很低，以至于發(fā)電廠必須在它們所服務(wù)的負載的一英里范圍內(nèi)。

　　第一個商業(yè)電站于1882年在紐約曼哈頓下城的珍珠站安裝(DOE 2014)。在19世紀80年代后期，喬治?西屋(George Westinghouse)和其他公司開發(fā)出具有成本效益的變壓器，以加強和降低交流電的電壓。隨著變壓器的發(fā)展，可以使用相對較小的電線在較高的電壓下長距離發(fā)送交流電源。然而，到19世紀90年代，尼古拉?特斯拉等其他發(fā)明家對AC配電系統(tǒng)進行了進一步的改進和商業(yè)化。世界各地的城市開始構(gòu)建使用交流技術(shù)的高壓輸電線路，從而牢固地確立了交流技術(shù)在傳輸方面的突出地位。通常，在高電壓下完成電力傳輸，其中傳輸損耗最小。對于給定的功率量，將電壓加倍將在電流的一半處提供相同的功率。將電壓加倍可將功率損耗降低四倍。

　　早期將DC電壓轉(zhuǎn)換為更高或更低水平的嘗試大多依賴于機械設(shè)備，這在商業(yè)規(guī)模上并不具有成本效益。瑞典的ASEA率先開展了HVDC技術(shù)和潛在轉(zhuǎn)換器技術(shù)的早期研究。ASEA的Uno Lamm博士于1929年首次申請了高壓直流輸電專利的低壓汞弧換流器。在建造第一批實用的汞弧閥之前，還存在其他技術(shù)和制造問題。1951年，莫斯科與附近的城市Kashira在蘇聯(lián)(現(xiàn)在的俄羅斯)測試并實施了高壓直流輸電技術(shù)的早期示范。由ASEA開發(fā)的第一條商業(yè)高壓直流輸電線路建于1954年，用于在瑞典大陸和哥特蘭島之間傳輸電力。該線路的額定電壓為100(千伏)kV，并具有提供20兆瓦(MW)功率的能力。

　　2.2.2 當代HVDC技術(shù)發(fā)展趨勢

　　在20世紀70年代，HVDC線路由諸如晶閘管閥的固態(tài)轉(zhuǎn)換器裝置構(gòu)成。使用晶閘管閥的HVDC也稱為線路換向變換器(LCC)HVDC。在20世紀90年代中期，電壓源換流器(VSC)已經(jīng)商業(yè)化用于HVDC應(yīng)用。近年來，諸如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，柵極關(guān)斷(GTO)晶閘管和集成柵極換向晶閘管(IGCT)等電力電子器件使小型HVDC系統(tǒng)更加經(jīng)濟。目前，世界上最長的高壓直流輸電線路是巴西的美麗山連接線，它將亞馬遜流域美利山河的水電站連接到巴西東南部的圣保羅和里約熱內(nèi)盧等主要城市負荷中心。該HVDC鏈路由兩條雙極600 kV直流輸電線路組成，線路長度為2400公里，每極的傳輸容量為3150兆瓦。中國目前在當今世界高壓直流輸電線路的建設(shè)中處于領(lǐng)先地位。近年來，中國還成功實施了超高壓直流(UHVDC)輸電線路(額定電壓為800 kV及以上)。中國目前正計劃在中國東部的安徽省西北部的新疆地區(qū)之間建立昌吉 - 古泉特高壓直流輸電線路。特高壓直流輸電線路的額定電壓為1100千伏，長度為3000千米，輸電容量為12千兆瓦(GW)。完成后，該項目預計將在電壓水平，傳輸容量和線路長度方面創(chuàng)建HVDC線路的世界紀錄。

　　2.2.3 美國的HVDC部署

　　在美國，第一個商業(yè)高壓直流輸電項目是500千伏太平洋直流Intertie，將太平洋西北地區(qū)的邦納維爾電力管理局(BPA)服務(wù)區(qū)連接到加利福尼亞洛杉磯水電局(LADWP)服務(wù)區(qū)。該項目于1970年完成，是由美國通用電氣公司和瑞典ASEA公司共同完成的。該輸電系統(tǒng)的建造是為了從BPA地區(qū)向加利福尼亞州南部的負荷中心提供低成本的水電。西部互聯(lián)地區(qū)另一條重要的HVDC線路是位于加利福尼亞州LADWP服務(wù)區(qū)的Adelanto換流站和猶他州三角洲的Intermountain換流站之間的Intermountain HVDC Transmission鏈路(或鏈路27)。該線路是雙極運行，±500 kV，可以傳輸高達2400 MW的功率。在東部互聯(lián)中，運行時間最長的HVDC鏈路是魁北克 - 新英格蘭的輸電工程，連接馬薩諸塞州艾爾的Radisson，Quebec和Sandy Point(在ISO-NE服務(wù)區(qū)域內(nèi))。該生產(chǎn)線能夠在±450 kV下運行，最高可傳輸2000 MW。這條線路是為了從魁北克水電公司地區(qū)向馬薩諸塞州波士頓地區(qū)的負荷中心提供低成本水電。

　　除了這些公用事業(yè)開發(fā)的HVDC鏈路之外，近年來還開發(fā)了許多商用HVDC鏈路。這些項目主要是海底電纜系統(tǒng)，可以連接相鄰的ISO / RTO或為大型城市需求中心供電。其中包括舊金山的Trans Bay Cable(±200 kV，400 MW);Cross Sound(±150 kV，330 MW); Neptune海纜(550千伏，660兆瓦); 和Hudson Transmission Partners(660兆瓦)。此外，北美的電網(wǎng)之間有超過15個HVDC設(shè)施或AC-DC，包括東部互連，西部互連，德克薩斯州電力可靠性委員會(ERCOT)和墨西哥聯(lián)邦電力公司(CFE)。

　　目前，有計劃開發(fā)600千伏，4000兆瓦平原和東部清潔線，以便將俄克拉荷馬州 - 德克薩斯州狹長地帶的風力發(fā)電到田納西州阿肯色州和該地區(qū)的其他州。該項目是被提議整合俄克拉荷馬州 - 德克薩斯州潘漢德爾地區(qū)(通常被稱為SPP的“風巷”地區(qū))的潛在風力資源。其他HVDC項目，如Champlain Hudson Power Express(美國 - 加拿大邊境至紐約地鐵區(qū)域)，TWE傳輸項目(位于懷俄明州南部和拉斯維加斯地鐵區(qū)域之間)和Northern Pass項目(加拿大魁北克省和新罕布什爾州之間)目前都在規(guī)劃中。 圖1說明了現(xiàn)有和建議的線路。附錄A.4。提供了美國現(xiàn)有和計劃的HVDC線路列表及其特性。

　　圖1.北美現(xiàn)有和計劃的HVDC線路。資料來源：由ICF使用ABB Velocity Suite創(chuàng)建注：虛線表示計劃的HVDC項目。

　　2.2.4 HVDC技術(shù)的特點

　　1. HVDC布局

　　高壓直流輸電線路的一些關(guān)鍵技術(shù)特征如圖2所示。高壓直流輸電鏈路由一個或多個發(fā)電機電源組成(交叉情況除外)，交流輸電線路(作為專用交流匯集的一部分)系統(tǒng)或本地AC網(wǎng)絡(luò))，AC到DC換流站，HVDC線路，DC到AC換流站，AC傳輸和配電線路，以及最終用戶。第一轉(zhuǎn)換器站將能量從AC轉(zhuǎn)換為DC電力，然后能量通過HVDC傳輸線傳輸。與傳統(tǒng)的交流線路不同，HVDC線路上的功率流是單向的并且可以控制。在線路的接收端，轉(zhuǎn)換器站將能量從DC轉(zhuǎn)換為AC功率。然后將電力饋送到現(xiàn)有的AC輸電和配電系統(tǒng)，以便傳送給最終用戶。

　　2. 換流站技術(shù)

　　HVDC技術(shù)的一個重要組成部分是HVDC換流站。HVDC換流站將電力從AC轉(zhuǎn)換為DC，反之亦然。用于HVDC的完整換流站包括多個串聯(lián)或并聯(lián)的換流閥。大多數(shù)HVDC換流站固有地雙向操作——作為整流器(將AC轉(zhuǎn)換為DC)或作為逆變器(將DC轉(zhuǎn)換為AC)。連接遠程發(fā)電機的一些HVDC線路可以針對一個優(yōu)選方向(即，朝向負載中心)的功率流進行優(yōu)化。

　　早期的HVDC轉(zhuǎn)換器，如Thury系統(tǒng)，依賴于機電設(shè)備。Thury系統(tǒng)依賴于在端子各端串聯(lián)的多個電動機 - 發(fā)電機組。Thury系統(tǒng)的主要限制是系列分布意味著電力故障的可能性更大。此外，Thury系統(tǒng)具有高轉(zhuǎn)換損失和頻繁的維護問題。在20世紀30年代早期，開發(fā)了汞弧閥，并且將該技術(shù)納入商用HVDC用了二十多年。汞閥依靠轉(zhuǎn)換器所連接的交流系統(tǒng)的線電壓來強制電流在過零點關(guān)閉閥門。因此，使用汞弧閥構(gòu)建的轉(zhuǎn)換器被稱為線換向轉(zhuǎn)換器(LCC)。直到20世紀70年代早期才使用汞弧轉(zhuǎn)換器。在北美，加拿大尼爾森河直流輸電系統(tǒng)是最大的帶汞弧閥的高壓直流輸電系統(tǒng)。

　　自20世紀70年代以來，許多帶有水銀閥門的高壓直流輸電線路被晶閘管或其他轉(zhuǎn)換器技術(shù)所取代。晶閘管閥是固態(tài)半導體器件，需要外部交流電路才能將其關(guān)閉或打開。與水銀電弧閥一樣，即使使用晶閘管的HVDC線路也稱為LCC HVDC。晶閘管閥的擊穿電壓各為幾千伏。對于商用HVDC換流站，晶閘管轉(zhuǎn)換器使用大量串聯(lián)連接的晶閘管構(gòu)成。諸如分級電容器和電阻器的附加無源元件與每個晶閘管并聯(lián)連接，以確保晶閘管之間共享電壓。在典型的換流站中，可能有數(shù)百個晶閘管電路?；诰чl管的換向的逐步改進是電容換向變換器(CCC)。CCC使用在換流變壓器和晶閘管閥之間串聯(lián)插入的換向電容器。當今世界上大多數(shù)運行的HVDC線路都依賴于基于晶閘管的轉(zhuǎn)換器技術(shù)進行轉(zhuǎn)換。

　　由于基于晶閘管的轉(zhuǎn)換器只能通過控制動作打開，并且需要外部交流電源來關(guān)閉它們，因此它們無法為無源系統(tǒng)供電。為了克服這個缺點，開發(fā)了使用半導體器件的VSC換流閥。這種轉(zhuǎn)換器不僅能夠打開而且能夠關(guān)閉。VSC中通常使用兩種類型的半導體：GTO晶閘管或IGBT。這些轉(zhuǎn)換器具有額外的優(yōu)點，例如它們可以多次接通和斷開以改善諧波性能，并且它們不依賴于AC系統(tǒng)中的同步電機來操作。VSC-HVDC還可以向僅包含無源負載的AC網(wǎng)絡(luò)供電。VSC轉(zhuǎn)換器也更緊湊，并且更適用于轉(zhuǎn)換器站空間非常寶貴的應(yīng)用(例如，靠近城市中心的海底電纜)。VSC轉(zhuǎn)換器由兩級或多級轉(zhuǎn)換器，相位電抗器和交流濾波器組成。每個單獨的閥門元件都由許多串聯(lián)的IGBT和相關(guān)的電力電子設(shè)備組成。閥門，控制設(shè)備和冷卻設(shè)備通常在外殼中(通常是運輸容器的尺寸)，這使得安裝和運輸變得容易。

　　3. 其他HVDC組件

　　除閥外，其他組件也是典型HVDC換流站的一部分(參見圖2)。高壓直流換流站的變壓器使交流電壓水平適應(yīng)高直流電壓水平。安裝交流濾波器和電容器組以將諧波量限制在網(wǎng)絡(luò)所需的水平。在HVDC轉(zhuǎn)換過程中，轉(zhuǎn)換器消耗無功功率，其部分由濾波器組補償，其余部分由電容器組補償。在CCC的情況下，無功功率由串聯(lián)電容器補償，串聯(lián)電容器串聯(lián)安裝在換流閥和換流變壓器之間。使用VSC轉(zhuǎn)換器，無需補償轉(zhuǎn)換器本身消耗的任何無功功率。因此，這種類型的轉(zhuǎn)換器所需的濾波器數(shù)量急劇減少。

　　圖2. HVDC線的示意圖。資料來源：ABB(2014b)(左)和Retzmann(2012)(右)。

　　4. HVDC電纜

　　對于HVDC輸電，線路可以是架空線或海底電纜。架空線通常是雙極的，即兩個具有不同極性的導體。如果一個極或線路發(fā)生故障，仍然可以提供一半的電力容量。一些HVDC項目也用于海纜/地下傳輸。HVDC電纜通常有兩種類型：固體和充油。固體電纜更為普遍且經(jīng)濟。在這種類型中，使用浸漬有高粘度絕緣油的絕緣紙。固體型HVDC電纜沒有長度或深度限制。多年來，油浸紙絕緣電纜(MI-PPL)一直是全球高壓直流電纜的主要支柱。該技術(shù)是為了滿足對更高電壓的需求而開發(fā)的，容量更大(大導體)，傳輸線長度更長。該技術(shù)不受轉(zhuǎn)換器技術(shù)的限制。然而，其有限的服務(wù)經(jīng)驗和對土地電纜應(yīng)用的不適應(yīng)性(由于其較高的重量)可能限制該技術(shù)僅用于海底/地下項目。充油型HVDC電纜完全充滿低粘度油并在壓力下工作。這些電纜通常用于低于60 km的HVDC應(yīng)用。

　　2.2.5 HVDC技術(shù)的優(yōu)缺點

　　在較長距離的點對點基礎(chǔ)上，與等效AC傳輸方案相比，HVDC傳輸方案通常具有成本效益。HVDC線路也用于特殊應(yīng)用，例如異步電網(wǎng)和海底電纜之間的連接。HVDC應(yīng)用的優(yōu)點總結(jié)如下：

　　卓越的長距離應(yīng)用經(jīng)濟性。高壓直流輸電線路用于從遠離需求中心的大型發(fā)電機經(jīng)濟地送出電力。這可能是大型水電站(如巴西的美麗山項目)或當?shù)氐目稍偕Y源集合(如俄克拉荷馬州 - 德克薩斯州狹長地帶擬議的清潔線高壓直流輸電項目)。與等效的高壓交流(HVAC)線路相比，HVDC線路更經(jīng)濟，因為損耗和安裝成本更低。

　　較低的無功和“集膚效應(yīng)”損耗：交流電源的功率承載能力受到交流電源的無功功率分量和“趨膚效應(yīng)”損耗的影響，這會導致電流在橫截面上的不均勻分布導體的面積。高壓直流輸電線路不受無功功率元件的影響，也不會因“集膚效應(yīng)”而遭受任何損失。

　　降低損耗：平均而言，高壓直流輸電線路的損耗約為每1000千米3.5%，相比之下，類似電壓等級的交流線路損耗為6.7%(Siemens 2017)。高壓直流輸電線路在換流站也會出現(xiàn)損耗，其功率在輸出功率的0.6%到1%之間。在并排比較中，總HVDC傳輸損耗仍然低于長距離線路的AC損耗(通常低30%-40%)。圖3比較了使用HVDC和HVAC配置的1200 MW架空線路的損耗。如圖所示，超過300公里(或186英里)的均衡距離，交流線路的損耗始終高于可比較的高壓直流輸電線路。

　　更小的路權(quán)(ROW)要求和更低的成本：HVDC系列的輸電塔配置也很緊湊，并且具有比類似電壓/容量的類似AC線路更小的ROW要求。西門子(2017)報告稱，與典型的HVAC生產(chǎn)線相比，特高壓直流輸電線路的ROW要求降低了50%以上。與具有六根導線電纜的雙回路AC線相比，雙極HVDC僅需要兩根電纜(參見圖3)。結(jié)果，與可比較的HVAC線相比，HVDC線的建造成本較低。

　　圖3. HVDC與HVAC線路的比較(損耗和典型配置)資料來源：ABB(n.d. b)

　　能夠連接異步AC系統(tǒng)：HVDC技術(shù)用于互連異步AC網(wǎng)絡(luò)。在任何AC線路的情況下，兩個網(wǎng)絡(luò)必須同步(即，在相同的電壓，系統(tǒng)頻率和定時下操作)。因為HVDC是異步傳輸，它可以適應(yīng)它接收的任何額定電壓和頻率。因此，HVDC技術(shù)被用作全球異步AC網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)。

　　適用于水下應(yīng)用：HVDC技術(shù)是海底電纜的主要選擇。帶有絕緣片和金屬外護套的電纜就像電容器一樣。對于更長距離的電纜，電纜(電纜的電容增加。對于使用電纜的長距離AC傳輸，由大電纜電容產(chǎn)生的無功功率流將限制最大可能的傳輸距離。因此，HVDC線路是唯一可行的選擇。長距離海底電纜。由于這些原因，高壓直流輸電線路是全球海上風電場互連的首選。

　　更高的額定容量：HVDC線路也始終在額定峰值電壓條件下運行，不像交流線路平均在額定峰值電壓的均方根(RMS)值下運行。由于RMS額定電壓僅為峰值的71%，因此使用HVDC工作時的電力傳輸能力比使用AC工作時的能力高約40%。

　　能夠處理更長時間的過載操作：HVDC線路可在一段有限的時間內(nèi)以過載能力運行(通常比額定容量高出10%-15%，持續(xù)時間不到30分鐘)。這將為系統(tǒng)運營商提供足夠的時間在應(yīng)急條件下實施緩解措施。在交流線路下，這種線路在過載條件下的延長操作是不可能的。

　　管理不穩(wěn)定性的能力：由于HVDC線路可以異步操作，它們用于通過防止級聯(lián)故障從電網(wǎng)的一部分傳播到另一部分來確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。直流線路上的功率流的方向和大小也可以由系統(tǒng)操作員控制。這些線路可用于電力注入，以在任何供需不平衡期間平衡電網(wǎng)。

　　HVDC傳輸方案還具有與成本，轉(zhuǎn)換設(shè)備，切換，控制和可用性相關(guān)的缺點。HVDC傳輸方案的缺點總結(jié)如下：

　　短距離的成本較高。如前所述，對于相應(yīng)的電壓和功率容量，HVDC線路僅在超過一定的收支平衡距離時具有成本效益。由于換流站和相關(guān)設(shè)備，高壓直流輸電項目的成本也較高。高壓直流輸電項目僅對超過一定臨界距離的項目具有經(jīng)濟意義。作為一條粗略的經(jīng)驗法則，ABB報告稱這種關(guān)鍵距離為HVDC海底線路為60公里(或37英里)，架空線路為200公里(或124英里)。對于較短距離，高壓直流換流站和相關(guān)資產(chǎn)的投資可能比可比較的交流輸電線路更大。此外，維護定制HVDC資產(chǎn)的庫存會給系統(tǒng)操作員/傳輸線所有者帶來額外成本。

　　圖4. HVDC和AC線路的成本比較曲線(通用估計)。資料來源：ABB(2014b)。

　　換流站之間的有限控制：與AC傳輸系統(tǒng)相比，實現(xiàn)多終端HVDC系統(tǒng)是復雜且成本過高的?？刂茡Q流站之間的功率流仍然是技術(shù)挑戰(zhàn)。

　　可用性較低：HVDC方案提供的可用性低于同類AC系統(tǒng)，主要是由于轉(zhuǎn)換站和相關(guān)設(shè)備。此外，轉(zhuǎn)換器站的過載能力有限。

　　組件的復雜性更高。HVDC斷路器難以構(gòu)建，因為需要開發(fā)某種機制以迫使電流為零而不會引起電弧和接觸磨損。機械斷路器對于HVDC線路而言太慢，盡管它們主要用于其他應(yīng)用。直到最近才在市場上引入了用于HVDC應(yīng)用的商用斷路器，其使用功率電子器件和快速機械斷路器的組合。