柔性直流输电工程的一种电压等级选择方法

摘要

本发明公开了柔性直流输电工程的一种电压等级选择方法，包括以下步骤：1）首先确定柔性直流输电工程的输送容量和输送距离，再根据柔性直流输电工程的输送容量和输送距离与柔性直流输电直流和输电电压的关系，确定柔性直流输电工程的直流输电电压表达式和推导出电压等级的范围；2）然后根据步骤1）中所得的直流输电电压等级范围，选取至少三种电压等级方案，测算每种方案的工程造价和传输损耗费用和工程总投资，确定综合年运行费用的计算表达式、算出综合年费用；3）通过对步骤2）各种电压等级方案的综合年费用进行比较后，选择符合设定经济指标的合适的柔性直流输电工程的电压等级。本发明通过综合经济比较，选择柔性直流工程合适的直流电压等级，可以有效控制柔性直流工程的造价水平和运行费用水平，广泛适用各种柔性直流工程。

说明书

技术领域

本发明涉及输电电压等级选择方法，尤其是柔性直流输电工程的一种电压等级选择 方法。属于电力系统输配电技术领域。

背景技术

基于电压源换流器的高压直流输电技术（VSC-HVDC）最初由加拿大学者 Boon-Teck Ooi等人首次提出。在ABB公司最早于1997年的试验工程Hallsjon工程成 功运行后，该项技术正式打开了商业运行的大门。ABB公司将该技术命名为“轻型直流 （HVDC-Light）”，西门子公司将其命名为“新型直流（HVDC-Plus）”。而在国内，一 般将其命名为“柔性直流（HVDC-Flexible）”。柔性直流相对常规传统直流，最大的不 同之处在于使用了全控型电力电子器件、电压源换流器和脉冲调制三个方面。它可以实 现有功功率和无功功率独立控制并不需无功补偿；并且不需要电网短路电流的支撑而独 立换相；在潮流反转时只需改变电流方向而无需调整电压极性；可以实现近似正弦的交 流输出波形而无需大容量滤波器。这些优点使得柔性直流输电技术的应用前景越来越明 亮，随着器件等技术水平的提高，柔性直流输电已经在一定范围内取代了常规直流。

柔性直流电压是指柔性直流输电系统直流侧整流后电压的平均值。在早期的柔性直 流工程中，受限于电力电子器件发展水平，柔性直流工程的电压等级均较低，可选择范 围较小，随着器件及拓扑结构水平的发展，柔性直流工程可选择的电压等级范围越发宽 广，在此情况下，不同的电压等级导致的工程造价、损耗、综合经济水平差异较大。因 此，直流电压的选择，对柔性直流工程有着重要作用。同时，柔性直流电压对变电避雷 器保护水平、内过电压和绝缘配合、对外绝缘配置、换流站的布置等也有较大影响，是 柔性直流换流站设计的基础，柔性直流接入电压选择随着输送容量和应用场合的不同也 有较大区别。但目前的柔性直流工程，还没有一种合适的电压等级选择方案，可以有效 控制柔性直流工程的造价水平和运行费用水平。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的问题，提供柔性直流输电工程的一种电压 等级选择方法，具有以综合经济水平为导向，技术上可行、综合经济水平最优的特点。

本发明的目的可以通过以下技术方案达到：

柔性直流输电工程的一种电压等级选择方法，其特征在于包括以下步骤：

1）首先从技术角度出发，确定柔性直流输电工程的输送容量和输送距离，再根据 柔性直流输电工程的输送容量和输送距离与柔性直流输电直流和输电电压的关系，并由 此确定柔性直流输电工程的直流输电电压表达式，根据所述直流输电电压表达式推导出 电压等级的范围；

2）然后从经济角度出发，根据步骤1）中所得的直流输电电压等级范围，选取至 少三种电压等级方案，测算每种方案的工程造价和传输损耗费用，由工程造价和传输损 耗费用相加得到工程总投资，再确定综合年运行费用的计算表达式，利用该计算表达式 算出各种电压等级方案的综合年费用；

3）通过对步骤2）各种电压等级方案的综合年费用进行比较后，选择符合设定经 济指标的合适的柔性直流输电工程的电压等级。

本发明的目的还可以通过以下技术方案达到：

本发明优选的技术方案如下：

本发明优选的一种实施方案是：步骤1）中所述的确定直流输电电压的表达式如下：

$\left(\begin{array}{c}U=-2.91\times {10}^{-4}{C}^2+0.57C+29.36\\ U=-1.42\times {10}^{-4}{L}^2+0.41C+84.07\end{array}\right)$

其中，U为直流输电电压，C为输送容量，L为输送距离。

本发明优选的一种实施方案是：步骤2）中所述的确定综合年运行费用的计算表达 式下：

$\mathrm{NF}=Z\left[\frac{r_0{(1+r_0)}^n}{{(1+r_0)}^n-1}\right]+u$

其中，Z为工程总投资；u为综合年运行费用，r0为电力工业投资回收率。

本发明优选的一种实施方案是：所述综合年运行费用包括运行维护费和电能损耗 费，所述运行维护费为工程总投资的1%～3%，电能损耗费按电能损耗3000～4000h， 电价0.04～0.06万元/MWh计算。

本发明优选的一种实施方案是：所述电力工业投资回收率为6%～10%。

本发明具有如下突出的有益效果：

1、本发明对目前柔性直流工程的发展水平进行深入分析，并结合各电压等级情况 下柔性直流工程造价和损耗等因素产生的运行费用进行深入的经济分析，通过综合经济 比较，得出在特定传输容量、特定传输距离情况下合适的柔性直流电压等级。

2、本发明从技术角度和经济角度两方面考虑，采用直流输电电压计算公式和综合 年费用计算公式，能选择合适的直流电压等级，这样不仅对后续工作的开展提供可靠依 据，更重要的是，合适的直流电压等级，可以有效控制柔性直流工程的造价水平和运行 费用水平，进而达到最优的综合经济效果，适用于现有特定的柔性直流工程。

具体实施方式

具体实施例1：

本实施例的电压等级选择方法，包括以下步骤：

1）从技术角度出发，针对传输容量为300MVA、传输距离为50km的柔性直流工 程，代入如下式（1）的直流输电电压计算公式，推导出电压等级大致的范围：

$\left(\begin{array}{c}U=-2.91\times {10}^{-4}{C}^2+0.57C+29.36\\ U=-1.42\times {10}^{-4}{L}^2+0.41C+84.07\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中，U为直流输电电压，C为输送容量，L为输送距离。

2）根据步骤1）计算所得的电压等级范围为±80kV~±300kV，选取±80kV、±150kV、 ±300kV作为工程的三种方案，三种方案的工程造价如下表1所示：

  电压等级方案/kV   换流站造价   输电线路造价   工程总造价   ±80   6   1.7   7.7   ±150   6.6   3   9.6   ±300   7.2   8   15.2

表1三种方案的工程造价对比表

三种方案的传输损耗如下表2所示：

  电压等级方案/kV   换流站损耗   输电线路损耗   总传输损耗   传输损耗率   ±80   7.72   1.95   9.67   3.22%   ±150   6.12   1.1   7.22   2.41%   ±300   5.08   0.6   5.68   1.89%

表2三种方案的传输损耗对比表

3）采用如下式（2）的综合年费用计算公式：

$\mathrm{NF}=Z\left[\frac{r_0{(1+r_0)}^n}{{(1+r_0)}^n-1}\right]+u---\left(2\right)$

其中，Z为工程总投资；u为工程年运行费，工程年运行费分为运行维护费和电能 损耗费，其中运行维护费为工程总投资的2%，电能损耗费按电能损耗3500h，电价0.05 万元/MWh计算；r0为电力工业投资回收率，按8%计算。

因此，三种方案的综合年费用如下表3所示：

  电压等级方案/kV   年运行维护费   年传输损耗费   年运行费   ±80   1540   1692.2   3233.0   ±150   1920   1263.5   3184.4   ±300   3040   994   4035.4

表3三种方案的综合年费用对比表

可以看到，±150kV方案费用最低，故该工程中选用±150kV电压等级较为合适。

具体实施例2：

本实施例的主要特点是：步骤3）所述运行维护费为工程总投资的1%，所述电能 损耗费按电能损耗3000，电价0.04万元/MWh计算；电力工业投资回收率按6%计算。 其余同具体实施例1。

具体实施例3：

本实施例的主要特点是：步骤3）所述运行维护费为工程总投资的3%，所述电能 损耗费按电能损耗4000h，电价0.06万元/MWh计算；电力工业投资回收率按10%计算。 其余同具体实施例1。

具体实施例4：

本实施例的主要特点是：步骤2）选取的电压等级方案可以为四种或四种以上。其 余同具体实施例1。

具体实施例5：

根据不同场合的传输容量和传输距离，会得到不同的电压等级范围，如下：

1）风电送出场合：风电容量中等距离较远，电压等级范围为±150kV~±200kV。

2）电网互联工程：容量中等、距离不长，电压等级范围为±80kV～±150kV。

3）孤岛等弱电网供电：容量较小、距离较长，电压等级范围在±150kV左右。

4）城市供电工程：容量不低，距离不短，电压等级范围为±150kV～±200kV。

综上，本发明从技术角度和经济角度两方面考虑，采用直流输电电压计算公式和综 合年费用计算公式，能选择合适的直流电压等级，这样不仅对后续工作的开展提供可靠 依据，更重要的是，合适的直流电压等级，可以有效控制柔性直流工程的造价水平和运 行费用水平，进而达到最优的综合经济效果，适用于现有特定的柔性直流工程。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任 何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的范围内，根据本发明的技术方案及其发明 构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。