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(yùn)營(yíng)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(guó)能源信息署(EIA)的長(zhǎng)期規(guī)劃模型和預(yù)測(cè)提供信息，EIA委托ICF Incorporated，LLC(ICF)進(jìn)行了一項(xiàng)研究，以評(píng)估高壓直流輸電可能發(fā)揮的作用，實(shí)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(rèn)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(diǎn)，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。可調(diào)度的發(fā)電源包括傳統(tǒng)的水電，地?zé)岷蜕镔|(zhì)。然而，諸如太陽(yáng)能和風(fēng)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(dāng)太陽(yáng)照射或風(fēng)吹過時(shí)，這些技術(shù)對(duì)響應(yīng)發(fā)電調(diào)度信號(hào)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(yáng)能和風(fēng)能等資源的部署和滲透可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)。

　　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(guó)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(yùn)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(zhǎng)距離大容量傳輸電力。現(xiàn)在，它們被提議作為將高質(zhì)量風(fēng)力資源區(qū)域的風(fēng)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(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電的運(yùn)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(fēng)或太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)。

　　應(yīng)當(dāng)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(chǔ)能或其他靈活的發(fā)電技術(shù))來減輕與增加的風(fēng)能和太陽(yáng)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(duì)電網(wǎng)增長(zhǎng)所帶來的一些潛在挑戰(zhàn)方面，其潛在的能力是一個(gè)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(duì)高壓直流(HVDC)輸電項(xiàng)目用于經(jīng)濟(jì)區(qū)域間電力轉(zhuǎn)移產(chǎn)生興趣。在美國(guó)，一些高壓直流輸電項(xiàng)目正在規(guī)劃中，以促進(jìn)遠(yuǎn)程可再生資源發(fā)電區(qū)域與遠(yuǎn)程負(fù)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(yáng)能和風(fēng)能，基于資源可用性運(yùn)行，因此為系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商帶來調(diào)控性挑戰(zhàn)。該報(bào)告研究了美國(guó)能源行業(yè)當(dāng)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(gè)公開的來源，以評(píng)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(xiàng)目成本的最新趨勢(shì)，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(gè)詳細(xì)的案例研究 - 連接懷俄明州和加利福尼亞州的TransWest Express(TWE)項(xiàng)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(xiàng)目，以及Midcontinent獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商(MISO)概念性HVDC網(wǎng)絡(luò) - 解決項(xiàng)目范圍中的概念驗(yàn)證問題。

　　不可調(diào)度的可再生能源發(fā)電的負(fù)面影響包括發(fā)電限電，棄風(fēng)棄光或負(fù)能源價(jià)格，由于發(fā)電和需求不匹配導(dǎo)致的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，對(duì)輔助服務(wù)的需求增加，單位利用小時(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)從發(fā)電到客戶區(qū)域的轉(zhuǎn)移。此外，由于HVDC在長(zhǎng)距離上的損耗相對(duì)較低，如果沒有HVDC項(xiàng)目的詳細(xì)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(huì)產(chǎn)生任何可靠性影響。可能部署HVDC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(jí)別。然而，目前對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)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(shí)具有經(jīng)濟(jì)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萘浚瑐鬏斀橘|(zhì)的類型(海纜或陸基)，環(huán)境因素，對(duì)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(guó)缺乏高壓直流輸電項(xiàng)目，因此難以確定典型的項(xiàng)目成本。根據(jù)對(duì)最近提案和相關(guān)監(jiān)管文件的審查，HVDC項(xiàng)目的成本介于兩者之間每英里117萬(wàn)美元，每英里862萬(wàn)美元(2017美元)。

　　2. 背景介紹

　　EIA有興趣評(píng)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(yáng)能和風(fēng)能，在本地資源可用時(shí)運(yùn)行，從而給系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)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(shí)期缺乏足夠的發(fā)電資源，在系統(tǒng)需求低的時(shí)期產(chǎn)生過多的發(fā)電資源，以及對(duì)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(dòng)相關(guān)的響應(yīng)時(shí)間要求。文獻(xiàn)中提出的HVDC線路的一個(gè)應(yīng)用是使用這些傳輸線來互連不同的區(qū)域電力市場(chǎng)。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(bào)告的目標(biāo)

　　2.1.1 主要回答的問題

　　該項(xiàng)目的目標(biāo)是評(píng)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(píng)估與這些類型的項(xiàng)目相關(guān)的近期成本趨勢(shì)。如項(xiàng)目范圍文件所述，ICF在本報(bào)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(jī)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?fù)涫欠窀行У販p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(huì)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(bào)告針對(duì)估算部署高壓直流輸電的成本和投資回報(bào)率提出了以下問題：

　　在美國(guó)開發(fā)高壓直流輸電設(shè)施時(shí)，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(zhǎng)度無(wú)關(guān)的成本)和可變成本(成本是線路長(zhǎng)度的函數(shù))?

　　哪些因素會(huì)影響這些成本(例如區(qū)域勞動(dòng)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(huì)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(gè)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(xiàng)目外，近年來美國(guó)的高壓直流輸電線路項(xiàng)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(xiàng)目正在提出并且目前正在實(shí)施用于可再生整合。討論的來源主要是同行評(píng)審的期刊文章，研究報(bào)告，行業(yè)新聞簡(jiǎn)報(bào)，或由行業(yè)供應(yīng)商，研究實(shí)驗(yàn)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(shì)也是從公開來源中提取的。國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)2017年JEDI報(bào)告包含高壓直流輸電的最詳細(xì)的成本分類，包括假設(shè)的高壓直流輸電項(xiàng)目的年度運(yùn)營(yíng)和管理(O&M)成本。ICF還依賴于西方電力協(xié)調(diào)委員會(huì)(WECC)自2014年以來使用的輸電擴(kuò)展規(guī)劃工具，該工具提供與高壓直流輸電項(xiàng)目相關(guān)的資金和其他雜項(xiàng)成本。檢查的完整資源清單包含在參考書目中。

　　2.1.3 報(bào)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(jiǎn)要?dú)v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(bào)告還審查了三個(gè)案例研究 - TWE項(xiàng)目將懷俄明州與加利福尼亞州，Plains&Eastern的SPP和TVA清潔線項(xiàng)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(gè)案例研究的見解摘要，采用問答形式，旨在解決項(xiàng)目范圍內(nèi)提出的問題。該研究還檢查了最近HVDC項(xiàng)目的成本趨勢(shì)，以解決項(xiàng)目范圍內(nèi)與成本相關(guān)的問題。

　　2.2 HVDC技術(shù)簡(jiǎn)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(yùn)輸成本。這些發(fā)電廠通常遠(yuǎn)離人口密集的負(fù)荷中心; 因此，經(jīng)濟(jì)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(shí)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(jī)放置在使用電力的設(shè)備旁邊來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。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(fù)載的一英里范圍內(nèi)。

　　第一個(gè)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(jì)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(qiáng)和降低交流電的電壓。隨著變壓器的發(fā)展，可以使用相對(duì)較小的電線在較高的電壓下長(zhǎng)距離發(fā)送交流電源。然而，到19世紀(jì)90年代，尼古拉?特斯拉等其他發(fā)明家對(duì)AC配電系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)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(duì)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(jī)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(qǐng)了高壓直流輸電專利的低壓汞弧換流器。在建造第一批實(shí)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(cè)試并實(shí)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(dāng)代HVDC技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

　　在20世紀(jì)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(jì)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(jì)。目前，世界上最長(zhǎng)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(fù)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(zhǎng)度為2400公里，每極的傳輸容量為3150兆瓦。中國(guó)目前在當(dāng)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(guó)還成功實(shí)施了超高壓直流(UHVDC)輸電線路(額定電壓為800 kV及以上)。中國(guó)目前正計(jì)劃在中國(guó)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(zhǎng)度為3000千米，輸電容量為12千兆瓦(GW)。完成后，該項(xiàng)目預(yù)計(jì)將在電壓水平，傳輸容量和線路長(zhǎng)度方面創(chuàng)建HVDC線路的世界紀(jì)錄。

　　2.2.3 美國(guó)的HVDC部署

　　在美國(guó)，第一個(gè)商業(yè)高壓直流輸電項(xiàng)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(xiàng)目于1970年完成，是由美國(guó)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(fù)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(yùn)行，±500 kV，可以傳輸高達(dá)2400 MW的功率。在東部互聯(lián)中，運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)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(yùn)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(fù)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(xiàng)目主要是海底電纜系統(tǒng)，可以連接相鄰的ISO / RTO或?yàn)榇笮统鞘行枨笾行墓╇姟Ｆ渲邪ㄅf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(gè)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(huì)(ERCOT)和墨西哥聯(lián)邦電力公司(CFE)。

　　目前，有計(jì)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(zhǎng)地帶的風(fēng)力發(fā)電到田納西州阿肯色州和該地區(qū)的其他州。該項(xiàng)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(fēng)巷”地區(qū))的潛在風(fēng)力資源。其他HVDC項(xiàng)目，如Champlain Hudson Power Express(美國(guó) - 加拿大邊境至紐約地鐵區(qū)域)，TWE傳輸項(xiàng)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(xiàng)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(guó)現(xiàn)有和計(jì)劃的HVDC線路列表及其特性。

　　圖1.北美現(xiàn)有和計(jì)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(jì)劃的HVDC項(xiàng)目。

　　2.2.4 HVDC技術(shù)的特點(diǎn)

　　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(gè)或多個(gè)發(fā)電機(jī)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(gè)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(gè)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(yuǎn)程發(fā)電機(jī)的一些HVDC線路可以針對(duì)一個(gè)優(yōu)選方向(即，朝向負(fù)載中心)的功率流進(jìn)行優(yōu)化。

　　早期的HVDC轉(zhuǎn)換器，如Thury系統(tǒng)，依賴于機(jī)電設(shè)備。Thury系統(tǒng)依賴于在端子各端串聯(lián)的多個(gè)電動(dòng)機(jī) - 發(fā)電機(jī)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(hù)問題。在20世紀(jì)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(qiáng)制電流在過零點(diǎn)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(jì)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(jì)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(dǎo)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L(zhǎng)CC HVDC。晶閘管閥的擊穿電壓各為幾千伏。對(duì)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(jí)電容器和電阻器的附加無(wú)源元件與每個(gè)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(gè)晶閘管電路。基于晶閘管的換向的逐步改進(jìn)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(dāng)今世界上大多數(shù)運(yùn)行的HVDC線路都依賴于基于晶閘管的轉(zhuǎn)換器技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

　　由于基于晶閘管的轉(zhuǎn)換器只能通過控制動(dòng)作打開，并且需要外部交流電源來關(guān)閉它們，因此它們無(wú)法為無(wú)源系統(tǒng)供電。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，開發(fā)了使用半導(dǎo)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(dǎo)體：GTO晶閘管或IGBT。這些轉(zhuǎn)換器具有額外的優(yōu)點(diǎn)，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(jī)來操作。VSC-HVDC還可以向僅包含無(wú)源負(fù)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(jí)或多級(jí)轉(zhuǎn)換器，相位電抗器和交流濾波器組成。每個(gè)單獨(dú)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(yùn)輸容器的尺寸)，這使得安裝和運(yùn)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(wú)功功率，其部分由濾波器組補(bǔ)償，其余部分由電容器組補(bǔ)償。在CCC的情況下，無(wú)功功率由串聯(lián)電容器補(bǔ)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(wú)需補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器本身消耗的任何無(wú)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(duì)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(gè)具有不同極性的導(dǎo)體。如果一個(gè)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(xiàng)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(jì)。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(zhǎng)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(duì)更高電壓的需求而開發(fā)的，容量更大(大導(dǎo)體)，傳輸線長(zhǎng)度更長(zhǎng)。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(yàn)和對(duì)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(xiàng)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(diǎn)

　　在較長(zhǎng)距離的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(diǎn)總結(jié)如下：

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

　　較低的無(wú)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(wú)功功率分量和“趨膚效應(yīng)”損耗的影響，這會(huì)導(dǎo)致電流在橫截面上的不均勻分布導(dǎo)體的面積。高壓直流輸電線路不受無(wú)功功率元件的影響，也不會(huì)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(jí)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(huì)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(zhǎng)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(bào)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(dǎo)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(gè)網(wǎng)絡(luò)必須同步(即，在相同的電壓，系統(tǒng)頻率和定時(shí)下操作)。因?yàn)镠VDC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(hù)套的電纜就像電容器一樣。對(duì)于更長(zhǎng)距離的電纜，電纜(電纜的電容增加。對(duì)于使用電纜的長(zhǎng)距離AC傳輸，由大電纜電容產(chǎn)生的無(wú)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(zhǎng)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(fēng)電場(chǎng)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(yùn)行，不像交流線路平均在額定峰值電壓的均方根(RMS)值下運(yùn)行。由于RMS額定電壓僅為峰值的71%，因此使用HVDC工作時(shí)的電力傳輸能力比使用AC工作時(shí)的能力高約40%。

　　能夠處理更長(zhǎng)時(shí)間的過載操作：HVDC線路可在一段有限的時(shí)間內(nèi)以過載能力運(yùn)行(通常比額定容量高出10%-15%，持續(xù)時(shí)間不到30分鐘)。這將為系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商提供足夠的時(shí)間在應(yīng)急條件下實(shí)施緩解措施。在交流線路下，這種線路在過載條件下的延長(zhǎng)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(jí)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(diǎn)。HVDC傳輸方案的缺點(diǎn)總結(jié)如下：

　　短距離的成本較高。如前所述，對(duì)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(shí)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(xiàng)目的成本也較高。高壓直流輸電項(xiàng)目?jī)H對(duì)超過一定臨界距離的項(xiàng)目具有經(jīng)濟(jì)意義。作為一條粗略的經(jīng)驗(yàn)法則，ABB報(bào)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(duì)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(hù)定制HVDC資產(chǎn)的庫(kù)存會(huì)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(jì))。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(shí)現(xiàn)多終端HVDC系統(tǒng)是復(fù)雜且成本過高的。控制換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(fù)雜性更高。HVDC斷路器難以構(gòu)建，因?yàn)樾枰_發(fā)某種機(jī)制以迫使電流為零而不會(huì)引起電弧和接觸磨損。機(jī)械斷路器對(duì)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(chǎng)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(jī)械斷路器的組合。