前言

鑒于近年來(lái)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(guò)其他技術(shù)或操作程序減輕的方式變得越來(lái)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(shuō)，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(lái)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(lèi)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?zé)岷蜕镔|(zhì)。然而，諸如太陽(yáng)能和風(fēng)能之類(lèi)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(guò)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(lái)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(wèn)題，包括在電力需求高峰或低谷期間的不足或過(guò)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?，F(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(wèn)題，例如增加的可再生發(fā)電與需求不匹配。這可以通過(guò)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(lái)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(lái)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(lái)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(kāi)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(lái)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(wèn)題。

本研究基于三管齊下的方法。首先，ICF審查了幾個(gè)公開(kāi)的來(lái)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(wèn)題中的適用性。其次，ICF根據(jù)公開(kāi)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(guò)高壓直流輸電增加電網(wǎng)互聯(lián)將使從具有過(guò)?？稍偕Y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(méi)有HVDC項(xiàng)目的詳細(xì)建模，很難確定使用交流網(wǎng)絡(luò)來(lái)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?？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(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?，傳輸介質(zhì)的類(lèi)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(lái)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(wèn)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(guò)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(lái)互連不同的區(qū)域電力市場(chǎng)。這些互連有助于從功率過(guò)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(wèn)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(lèi)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(wèn)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(guò)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(lèi)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(wèn)題：

在美國(guó)開(kāi)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(wèn)題，ICF審查了幾個(gè)公開(kāi)來(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(kāi)來(lái)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(lèi)，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(lái)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(shū)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(wèn)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(wèn)題。本節(jié)包括三個(gè)案例研究的見(jiàn)解摘要，采用問(wèn)答形式，旨在解決項(xiàng)目范圍內(nèi)提出的問(wèn)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(wèn)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(guò)以高電壓傳輸產(chǎn)生的電力來(lái)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(ài)迪生這樣的早期開(kāi)拓者最初開(kāi)始利用電力，通過(guò)將發(fā)電機(jī)放置在使用電力的設(shè)備旁邊來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這些早期發(fā)電站使用直流電通過(guò)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(zhuān)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(wèn)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(kāi)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(lái)，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(lái)，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(kāi)發(fā)的HVDC鏈路之外，近年來(lái)還開(kāi)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╇?。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(guò)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(kāi)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?tīng)柕貐^(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(shuō)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(lái)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(zhuān)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(guò)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(wèn)題。在20世紀(jì)30年代早期，開(kāi)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(lái)強(qiáng)制電流在過(guò)零點(diǎn)關(guān)閉閥門(mén)。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(lái)，許多帶有水銀閥門(mén)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(kāi)。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?；诰чl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(guò)控制動(dòng)作打開(kāi)，并且需要外部交流電源來(lái)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(kāi)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(kāi)而且能夠關(guān)閉。VSC中通常使用兩種類(lèi)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(kāi)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(lái)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(mén)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(mén)，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(jiàn)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(guò)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(lèi)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(lái)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(lèi)型：固體和充油。固體電纜更為普遍且經(jīng)濟(jì)。在這種類(lèi)型中，使用浸漬有高粘度絕緣油的絕緣紙。固體型HVDC電纜沒(méi)有長(zhǎng)度或深度限制。多年來(lái)，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(kāi)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(lèi)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(guò)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(lèi)似電壓/容量的類(lèi)似AC線路更小的ROW要求。西門(mén)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(jiàn)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(lái)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(guò)載操作：HVDC線路可在一段有限的時(shí)間內(nèi)以過(guò)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(guò)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(guò)防止級(jí)聯(lián)故障從電網(wǎng)的一部分傳播到另一部分來(lái)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(guò)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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)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(lèi)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(guò)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_(kāi)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。

3. 分析和結(jié)果

3.1 HVDC技術(shù)在緩解清潔能源消納中的作用

3.1.1 大規(guī)模清潔能源消納對(duì)系統(tǒng)的沖擊

美國(guó)發(fā)電組合正在經(jīng)歷重大轉(zhuǎn)型，煤炭和核能等基本負(fù)荷單位的退役以及天然氣，風(fēng)能和太陽(yáng)能資源的快速增長(zhǎng)。這種轉(zhuǎn)變受到若干因素的驅(qū)動(dòng)，例如現(xiàn)有和擬議的聯(lián)邦，州和地區(qū)環(huán)境法規(guī)，低天然氣價(jià)格以及分布式和公用事業(yè)規(guī)模可再生資源的整合。可再生資源可分為(1)可調(diào)度的可再生能源(例如，水電，地?zé)岷蜕镔|(zhì))，可根據(jù)系統(tǒng)要求發(fā)電，或(2)不可調(diào)度的可再生能源(例如，太陽(yáng)能和風(fēng)能)，其輸出取決于天氣條件和一天中的時(shí)間，并且不能響應(yīng)于調(diào)度信號(hào)而操作。

不可調(diào)度的可再生資源的兩個(gè)特征可能對(duì)整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行和可靠性造成問(wèn)題。首先，太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生資源的產(chǎn)量隨時(shí)間變化，并受當(dāng)?shù)靥鞖鈼l件的影響。與化石燃料，水力發(fā)電(包括抽水蓄能)和核能等其他傳統(tǒng)技術(shù)不同，可再生能源的產(chǎn)量無(wú)法提前計(jì)劃和發(fā)送，以滿足預(yù)計(jì)的需求。結(jié)果，這些資源有時(shí)被稱為可變能源(VER)。在較低的可再生滲透水平下，VERs不會(huì)造成系統(tǒng)可靠性問(wèn)題。但是，在更高的滲透水平下，系統(tǒng)需求減去VER生成(或必須由其他可調(diào)度資源提供的凈負(fù)載)變化很大并且變得難以預(yù)測(cè)。這給電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)了系統(tǒng)可靠性和電力調(diào)度/可靠性挑戰(zhàn)。第二個(gè)因素是可再生能源發(fā)電的可變性要求增加輔助服務(wù)資源，以滿足更高的響應(yīng)速度，頻率和電壓支持。受VER大量集成影響的一些可靠性服務(wù)包括響應(yīng)速度要求，系統(tǒng)慣性和頻率響應(yīng)，以及有功和無(wú)功功率控制。隨著VER的滲透率的增加，對(duì)額外系統(tǒng)靈活性和輔助服務(wù)要求的需求也將增加。

在美國(guó)，VERs在整體產(chǎn)能組合中的份額近年來(lái)一直在穩(wěn)步增長(zhǎng)。目前，太陽(yáng)能和風(fēng)能資源的總裝機(jī)容量估計(jì)約為106吉瓦(截至2016年底，總裝機(jī)容量為1,130吉瓦)。預(yù)計(jì)這一份額在不久的將來(lái)會(huì)增加，因?yàn)榈?020年VER的比例將增加到190吉瓦(到2020年預(yù)計(jì)總?cè)萘繛?,272吉瓦)。預(yù)計(jì)到2020年，VERs將占美國(guó)裝機(jī)容量的近15%。在加利福尼亞獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商(CAISO)，ERCOT和SPP等一些ISO / RTO中，VER的份額更高。兩個(gè)重要因素正在推動(dòng)VERs部署的激增。第一，投資/生產(chǎn)稅收抵免等聯(lián)邦激勵(lì)措施近年來(lái)推動(dòng)了可再生能源增長(zhǎng)(DSIRE 2017)。隨著激勵(lì)措施在不久的將來(lái)到期，人們急于開(kāi)發(fā)風(fēng)能和太陽(yáng)能資源。其次，可再生能源組合標(biāo)準(zhǔn)(RPS)或不同國(guó)家設(shè)定的義務(wù)有助于可再生能源建設(shè)。迄今為止，近29個(gè)州和華盛頓特區(qū)實(shí)施了某種形式的強(qiáng)制性RPS政策(DSIRE 2017)。另外，有八個(gè)州對(duì)RPS義務(wù)沒(méi)有約束力。到2030年，像加利福尼亞州和紐約州這樣的國(guó)家已將雄心勃勃的RPS目標(biāo)設(shè)定為50%或更高。隨著這些變化，預(yù)計(jì)近期和長(zhǎng)期未來(lái)的國(guó)家發(fā)電組合將發(fā)生重大變化。

圖5.按燃料類(lèi)型劃分的美國(guó)發(fā)電量(現(xiàn)有和計(jì)劃)

圖6.美國(guó)的風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電容量(現(xiàn)有和計(jì)劃)注：未來(lái)的產(chǎn)能估算基于實(shí)際計(jì)劃和在建項(xiàng)目。

美國(guó)的清潔發(fā)電趨勢(shì)也表明太陽(yáng)能和風(fēng)能等VER的發(fā)電量增加。2016年，風(fēng)能和太陽(yáng)能占總發(fā)電量的近7%。從2001年到2016年，VERs的清潔能源發(fā)電量從7,280 GWh增加到近263,626 GWh，過(guò)去15年的平均年增長(zhǎng)率為27%。隨著太陽(yáng)能和風(fēng)能項(xiàng)目的計(jì)劃能力正在籌備中，預(yù)計(jì)這種趨勢(shì)在不久的將來(lái)會(huì)增加。將來(lái)，VERs的輸出削減也可能成為一個(gè)尖銳的問(wèn)題，因?yàn)樵谳p載條件下或由于傳輸限制而導(dǎo)致輸電線路過(guò)載可能會(huì)產(chǎn)生過(guò)度關(guān)注。如VERs的滲透率在電網(wǎng)上增加，額外的系統(tǒng)靈活性和基本可靠性服務(wù)要求也將增加。

圖7.美國(guó)的清潔能源發(fā)電趨勢(shì)(按燃料類(lèi)型)資料來(lái)源：ICF使用EIA數(shù)據(jù)編制。

3.1.2 潛在的HVDC解決方案

未來(lái)向更高比例的VER過(guò)渡需要升級(jí)現(xiàn)有的電網(wǎng)。雖然本報(bào)告的重點(diǎn)是高壓直流輸電技術(shù)，但本節(jié)還提供了可再生能源一體化的其他技術(shù)方案的簡(jiǎn)要概述，以供參考。從技術(shù)角度來(lái)看，增加VER滲透需要智能電網(wǎng)技術(shù)，廣泛的能源存儲(chǔ)，HVDC線路部署以及添加更靈活的發(fā)電技術(shù)。從市場(chǎng)角度來(lái)看，監(jiān)管框架還必須適應(yīng)以反映整合VER的成本結(jié)構(gòu)，并允許新的服務(wù)和收入流來(lái)支持這些技術(shù)選擇。

隨著更多不可調(diào)度的可再生資源的部署，傳統(tǒng)熱力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)調(diào)度將受到顯著影響，需要發(fā)電機(jī)增加和更頻繁地循環(huán)以解決增加的可變性。靈活的發(fā)電資源，如快速增加的燃?xì)廨啓C(jī)和某些存儲(chǔ)設(shè)施，可以提供必要的電網(wǎng)靈活性。靈活的生成資源是指直接與批量傳輸系統(tǒng)互連的資源，通常具有“快速斜坡”功能。這些資源對(duì)于平衡VER引起的整體供需波動(dòng)至關(guān)重要。智能網(wǎng)格技術(shù)也可以作為更好的VER集成的推動(dòng)者。一些負(fù)載或需求方需求側(cè)管理和高級(jí)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施等技術(shù)有助于系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商根據(jù)VER的間歇性輸出維持供需平衡。相量測(cè)量單元(PMU)和先進(jìn)控制系統(tǒng)等智能電網(wǎng)技術(shù)可幫助系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商根據(jù)VER的間歇輸出保持電網(wǎng)可靠性。風(fēng)能和太陽(yáng)能技術(shù)的新進(jìn)展使它們能夠在各種條件下運(yùn)行，并提供頻率和電壓控制等輔助服務(wù)。這也有助于提高批量系統(tǒng)的可靠性。儲(chǔ)能技術(shù)可以緩解由VER輸出的間歇性引起的短期變化。通過(guò)精心調(diào)度和運(yùn)行抽水蓄能水電機(jī)組，儲(chǔ)能還可以緩解長(zhǎng)期變化。此外，加強(qiáng)區(qū)域，國(guó)家和跨國(guó)電網(wǎng)的電網(wǎng)互聯(lián)將使從可再生資源過(guò)剩的地區(qū)到電力需求高的地區(qū)的電力傳輸更加靈活。更高的互連和傳輸容量還能夠最佳地利用剩余發(fā)電，減輕與VER的間歇發(fā)電相關(guān)的問(wèn)題，減少對(duì)輔助服務(wù)的需求，緩解擁塞，并且在某些情況下不需要新的發(fā)電機(jī)資源。

但是，本報(bào)告的重點(diǎn)僅限于應(yīng)用HVDC技術(shù)來(lái)緩解與可再生間歇性相關(guān)的問(wèn)題。HVDC線路不僅有助于新VER的集成，還可以減輕這些資源對(duì)電網(wǎng)可靠性的影響。許多有前景的風(fēng)能和太陽(yáng)能資源遠(yuǎn)離美國(guó)毗鄰的主要負(fù)荷中心。整合這些資源需要建設(shè)新的HVDC線路，將這些區(qū)域連接到全國(guó)的主要負(fù)荷中心。傳統(tǒng)的高壓直流輸電技術(shù)可以促進(jìn)可再生資源的集成，如風(fēng)和太陽(yáng)能在特定的局部區(qū)域擴(kuò)散。HVDC技術(shù)還為可再生能源的間歇性問(wèn)題提供了部分解決方案。將VER的輸出聚合在許多單獨(dú)的單元上可以顯著提高整體系統(tǒng)的可靠性并減少整體供應(yīng)波動(dòng)。高壓直流輸電線路還可以幫助將電力從發(fā)電過(guò)剩區(qū)域轉(zhuǎn)移到發(fā)電不足區(qū)域，以平衡系統(tǒng)。由于這些優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)操作員和開(kāi)發(fā)人員青睞HVDC解決方案，以便為負(fù)載中心集成和提供電力。如前所述，目前提出了幾個(gè)高壓直流輸電項(xiàng)目，將中西部中上游地區(qū)的風(fēng)資源和美國(guó)西南地區(qū)的太陽(yáng)能資源整合到東西海岸的需求中心。使用附錄A.1中討論的三個(gè)特定案例研究示例解釋了這種傳輸解決方案的適用性以及實(shí)施解決方案的挑戰(zhàn)。

3.2 有關(guān)成本的HVDC案例總結(jié)與分析

本節(jié)總結(jié)了項(xiàng)目范圍內(nèi)制定的關(guān)鍵問(wèn)題的主要見(jiàn)解和答案，這些問(wèn)題基于本報(bào)告的文獻(xiàn)綜述和附錄A-1中討論的詳細(xì)案例研究。

高壓直流輸電如何以及在多大程度上用于減輕不可調(diào)度的發(fā)電影響?

不可調(diào)度發(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(wèn)題，對(duì)輔助服務(wù)的需求增加以及單位承諾和調(diào)度效率低下。通過(guò)高壓直流輸電增加電網(wǎng)互聯(lián)將使從具有過(guò)?？稍偕Y源的區(qū)域到具有高電力需求的區(qū)域的電力傳輸具有更大的靈活性。如上所述，HVDC具有允許其減輕不可調(diào)度影響并改善可再生資源整合的特征。這些特性包括直流電源流量可控，長(zhǎng)距離傳輸損耗低，

本報(bào)告中回顧的研究表明高壓直流輸電能夠減輕不可調(diào)度資源的某些影響。HVDC可以將來(lái)自主機(jī)區(qū)域的過(guò)量發(fā)電提供給對(duì)可再生資源的輸出有需求的客戶區(qū)域。因?yàn)镠VDC與交流系統(tǒng)分離，所以可以實(shí)現(xiàn)從發(fā)電到客戶區(qū)域的轉(zhuǎn)移，同時(shí)對(duì)發(fā)電區(qū)域和任何相鄰區(qū)域的基礎(chǔ)交流傳輸系統(tǒng)的影響最小。它還允許發(fā)電和客戶區(qū)域的互連，這些互連可能處于不同的互連中，這對(duì)于交流線路來(lái)說(shuō)是不實(shí)際的。在發(fā)電和客戶區(qū)域不在同一平衡權(quán)限的情況下，HVDC可以減少可能由循環(huán)流引起的操作問(wèn)題。此外，由于HVDC在長(zhǎng)距離上具有相對(duì)低的損耗，因此主機(jī)和客戶區(qū)域之間的距離不會(huì)影響獲得可再生集成益處的能力。例如，TWE將互連725英里的位置，而平原和東部清潔線將超過(guò)700英里傳輸風(fēng)能。

從發(fā)電區(qū)域饋出多余的能量有助于減少縮減和降低或負(fù)價(jià)格，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，并減少對(duì)輔助服務(wù)的需求。否則將被縮減的發(fā)電可用于需要可再生能源發(fā)電的地區(qū)。這在Brenna等人中得到證實(shí)。(2017年)，在意大利北部和南部之間引入高壓直流輸電互聯(lián)，消納了約79%的風(fēng)力發(fā)電量，并改善了對(duì)客戶的整體利益。麥克唐納等人。報(bào)告(2016年)還表明，區(qū)域之間的高壓直流聯(lián)網(wǎng)可以促進(jìn)從需求區(qū)域過(guò)剩的地區(qū)提供可再生能源，并減少整個(gè)系統(tǒng)的縮減。向需求區(qū)域提供過(guò)剩發(fā)電的能力有助于維持電價(jià)并減少負(fù)價(jià)格的發(fā)生率。類(lèi)似的結(jié)論可以從NREL的Bloom，Townsend等人得出。(2016)研究，研究各種可再生滲透水平與不同的傳輸拓?fù)浣Y(jié)合。高壓直流輸電擴(kuò)容，允許更多的出口到其他地區(qū)改善可再生能源整合和減少削減。TradeWinds(2009)研究中的模擬表明，高壓直流輸電升級(jí)可以改善可再生能源的整合并降低整體運(yùn)營(yíng)成本。

APS Physics(2010)的研究沒(méi)有提供任何證明高壓直流輸電效益的模擬，但它討論了高壓直流輸電減輕可再生能源發(fā)電的間歇性和可變性影響的能力。高容量，可控制的長(zhǎng)距離輸電線路可以允許一個(gè)區(qū)域中的過(guò)量發(fā)電被引導(dǎo)到遠(yuǎn)處的特定赤字目標(biāo)，而不是由于當(dāng)?shù)貤l件而在電網(wǎng)中偏離軌道。

TWE項(xiàng)目還證明了高壓直流輸電在多大程度上可以減輕不可調(diào)度的發(fā)電影響。如果沒(méi)有TWE項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)和連接1,500至3,000 MW的風(fēng)力發(fā)電到弱小的懷俄明州輸電網(wǎng)是不可行的。如果沒(méi)有重要的傳輸系統(tǒng)升級(jí)，只有一小部分風(fēng)力發(fā)電可能能夠運(yùn)行。此外，電網(wǎng)的可靠性將受到影響。平原和東部清潔線也將允許在俄克拉荷馬州開(kāi)發(fā)大量的風(fēng)，否則會(huì)在SPP中產(chǎn)生可靠性和其他問(wèn)題。與提供連接到發(fā)電區(qū)域的風(fēng)的TWE不同，Clean Line將風(fēng)直接連接到客戶區(qū)域，繞過(guò)發(fā)電區(qū)域。一些HVDC線路還用于根據(jù)需要解決發(fā)電和客戶區(qū)域中的間歇性問(wèn)題。一個(gè)例子是挪威和丹麥之間的Skagerrak HVDC線路。最近，委托ABB建造該項(xiàng)目的第四條高壓直流輸電線路，目的是平衡挪威水力發(fā)電系統(tǒng)與丹麥風(fēng)力和熱力發(fā)電系統(tǒng)之間的負(fù)荷。

報(bào)告和案例研究沒(méi)有明確說(shuō)明高壓直流輸電在多大程度上可以緩解大量不可調(diào)度發(fā)電一體化可能導(dǎo)致的系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題。TWE表明HVDC可以提供一些緩解。2008年和2010年的TransWest報(bào)告顯示，隨著TWE的實(shí)施，懷俄明州的電網(wǎng)可以容納1,500至3,000兆瓦的風(fēng)電，否則在相對(duì)較弱的懷俄明電網(wǎng)上將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。該報(bào)告強(qiáng)調(diào)需要采取保護(hù)計(jì)劃，以避免在某些涉及注入如此大量電力的應(yīng)急條件下發(fā)生廣泛停電。將需要進(jìn)一步的研究來(lái)更好地評(píng)估HVDC緩解穩(wěn)定性問(wèn)題的能力。

兩個(gè)同步電網(wǎng)之間的直流連接線是否能承受將發(fā)電區(qū)域連接到客戶區(qū)域造成的系統(tǒng)影響，或者必須將不可調(diào)度的發(fā)電直接連接到客戶區(qū)域，繞過(guò)與發(fā)電區(qū)域的任何互聯(lián)?

根據(jù)本研究中回顧的信息，通過(guò)使用HVDC線路連接發(fā)電和客戶區(qū)域，可以實(shí)現(xiàn)HVDC在減輕不可調(diào)度發(fā)電影響方面的優(yōu)勢(shì)，但不可調(diào)度的發(fā)電不必直接連接到客戶區(qū)域?qū)崿F(xiàn)所有好處。但是，根據(jù)系統(tǒng)條件和基礎(chǔ)AC網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)健性，可能有必要制定保護(hù)方案，以在某些緊急情況下保持發(fā)電區(qū)域的可靠性，例如，在風(fēng)力發(fā)電故障或HVDC故障之后。研究表明，即使風(fēng)力發(fā)電沒(méi)有直接連接到客戶區(qū)域，也可以實(shí)現(xiàn)高壓直流輸電線路的優(yōu)勢(shì)。在這兩種情況下，風(fēng)力發(fā)電被建模為連接到發(fā)電區(qū)域中的AC系統(tǒng)，并且HVDC線路連接發(fā)電和客戶機(jī)區(qū)域。沒(méi)有HVDC輸電，不可調(diào)度發(fā)電將對(duì)發(fā)電區(qū)域的電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。相關(guān)研究也提供類(lèi)似的見(jiàn)解。

關(guān)于TWE項(xiàng)目的初步規(guī)劃報(bào)告表明，TWE將連接發(fā)電和客戶兩個(gè)同步系統(tǒng)，并且不會(huì)涉及風(fēng)力發(fā)電與客戶區(qū)域的直接連接。如報(bào)告中所示，TWE的兩個(gè)HVDC電路的突然和同時(shí)丟失可能導(dǎo)致不穩(wěn)定和停電，因?yàn)橄鄬?duì)較弱的懷俄明電網(wǎng)。這表明風(fēng)力發(fā)電將連接到主機(jī)區(qū)域懷俄明州的AC系統(tǒng)，而不是通過(guò)HVDC線路直接連接到客戶區(qū)域。因此，這也表明風(fēng)力發(fā)電不必直接連接到客戶區(qū)域以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的益處。TWE還表明，在某些緊急情況下，發(fā)電區(qū)域可能需要采取保護(hù)方案來(lái)解決可靠性問(wèn)題。初步規(guī)劃報(bào)告顯示，該系統(tǒng)只能承受兩個(gè)HVDC電路中的一個(gè)而不會(huì)變得不穩(wěn)定。將需要保護(hù)方案來(lái)減輕同時(shí)丟失兩個(gè)電路的影響。

類(lèi)似地，MISO概念研究和Square Butte HVDC項(xiàng)目都表明，即使不可調(diào)度能源連接到發(fā)電區(qū)而不是直接連接到客戶區(qū)，也可以實(shí)現(xiàn)HVDC的好處。

高壓直流輸電線路的某些系統(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?

基于對(duì)案例研究的有限審查，即使預(yù)期電力主要從可再生資源(發(fā)電區(qū)域)流向負(fù)載中心(客戶區(qū)域)，HVDC線路的雙向/雙極配置也總是優(yōu)選的。此外，VSC型轉(zhuǎn)換器站最適合以快速頻率響應(yīng)的形式提供輔助服務(wù)，從而使其更有效地減輕不可調(diào)度的發(fā)電的影響。與使用諸如輸電或自動(dòng)發(fā)電控制的主/輔控制設(shè)備幾秒鐘相比，具有VSC型轉(zhuǎn)換器的HVDC線路可以在幾分之一秒內(nèi)響應(yīng)頻率干擾。此外，VSC型轉(zhuǎn)換器可以支持有助于AC系統(tǒng)更快恢復(fù)的電壓。高壓直流輸電線路也可以在過(guò)載條件下運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間(比額定容量高10%-15%，持續(xù)時(shí)間不到30分鐘)。這將為系統(tǒng)操作員提供足夠的時(shí)間在涉及間歇性VER輸出變化的偶然條件下實(shí)施緩解措施。

超級(jí)電氣之友報(bào)告(2012)描述了混合AC / DC系統(tǒng)，并指出與AC系統(tǒng)并聯(lián)的HVDC系統(tǒng)增加了電力傳輸容量，同時(shí)有助于系統(tǒng)穩(wěn)定性。在與HVDC線路并行運(yùn)行的AC線路上使用模擬故障，它演示了HVDC鏈路如何抑制由故障引起的振蕩并恢復(fù)系統(tǒng)穩(wěn)定性。HVDC提高了擴(kuò)展交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這對(duì)于必須長(zhǎng)距離交付的可再生資源非常重要。ABB的HVDC評(píng)估強(qiáng)調(diào)了HVDC線路提高混合AC / DC系統(tǒng)穩(wěn)定性的能力，并以美國(guó)西部的Pacific DC Intertie為例。該國(guó)的地區(qū)以長(zhǎng)距離輸電線為特征，將北方的發(fā)電連接到南方的負(fù)荷中心。此外，該報(bào)告描述了HVDC在混合AC / DC系統(tǒng)中的其他優(yōu)點(diǎn)，例如HVDC充當(dāng)防火墻的能力以及防止干擾從一個(gè)AC系統(tǒng)擴(kuò)散到另一個(gè)AC系統(tǒng)，以及提供人為慣性。

我們預(yù)計(jì)HVDC解決方案的部署在不可調(diào)度發(fā)電的滲透水平是多少?

可能部署HVDC解決方案以減輕不可調(diào)度發(fā)電影響的滲透水平因系統(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。此外，將需要更詳細(xì)的分析來(lái)評(píng)估這些因素如何影響滲透水平，并確定將部署HVDC的更具體的滲透水平。

ICF審查了選定的ISO / RTO區(qū)域的信息，以確定運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始實(shí)施解決方案以解決可再生一體化問(wèn)題的滲透水平。由于可獲得的信息有限，這種方法基于軼事證據(jù)，它提供了滲透水平的指示性測(cè)量而不是精確值。ICF假設(shè)除非其他解決方案更受歡迎，否則當(dāng)操作員開(kāi)始觀察其系統(tǒng)上的問(wèn)題時(shí)，將部署HVDC解決方案。CAISO，ERCOT和MISO的年平均滲透率水平如表1所示。滲透水平從MISO的4.8%到CAISO的11.5%不等。

表1.與歷史市場(chǎng)舉措相對(duì)應(yīng)的滲透水平

系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商繼續(xù)在高可再生滲透水平下運(yùn)行大容量電力系統(tǒng)。ERCOT，CAISO和SPP已經(jīng)看到2017年最高每小時(shí)滲透率超過(guò)每小時(shí)系統(tǒng)需求的50%的小時(shí)數(shù)(見(jiàn)表2)。但是，所有這些地區(qū)都在傳輸和其他減緩措施方面進(jìn)行了大量投資，以提高可再生能源的整合和滲透水平。

表2.選定ISO / RTO中的最大可再生滲透率。 注：可再生滲透率是指在特定時(shí)期內(nèi)風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電所滿足的系統(tǒng)需求百分比。

部署替代解決方案的能力將影響HVDC部署的閾值滲透水平。CAISO擴(kuò)大了能源不平衡市場(chǎng)(EIM)，引入了靈活的資源充足率產(chǎn)品，并降低了可再生能源發(fā)電廠能源出價(jià)的最低門(mén)檻。ERCOT 實(shí)施了競(jìng)爭(zhēng)力可再生能源區(qū)(CREZ)輸電項(xiàng)目和MISO實(shí)施了DIR計(jì)劃并開(kāi)發(fā)了交流輸電以支持可再生能源一體化。改進(jìn)的滲透水平顯示在下表3中。

表3.替代緩解方案的滲透水平變化

根據(jù)部署的不可調(diào)度技術(shù)的類(lèi)型，傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)的份額和/或其他區(qū)域特征，我們期望HVDC解決方案部署的不可調(diào)度發(fā)電的滲透水平如何變化?

區(qū)域內(nèi)和區(qū)域間高壓直流輸電線路在部署的VERs的高滲透水平上具有經(jīng)濟(jì)意義。美國(guó)的大多數(shù)高壓直流輸電項(xiàng)目都被提議用于提供當(dāng)?shù)匾幌盗酗L(fēng)電項(xiàng)目的輸出(例如，TWE和清潔線高壓直流輸電項(xiàng)目)。此外，一些現(xiàn)有的高壓直流輸電線路設(shè)計(jì)用于輸送水力發(fā)電(例如，太平洋Intertie和魁北克 - 新英格蘭線路)。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于大型太陽(yáng)能項(xiàng)目，通常會(huì)提出交流線路(例如，Nevada West Connect和SunZia Southwest Transmission項(xiàng)目)。雖然不可調(diào)度技術(shù)的類(lèi)型不應(yīng)影響高壓直流輸電線路的技術(shù)可行性，但迄今為止這些線路主要用于風(fēng)力和水力發(fā)電。

在本研究范圍內(nèi)檢查的信息不足以提供上述答案中討論的因素變化影響的定量測(cè)量。正如前一個(gè)問(wèn)題中定性描述的那樣，有幾個(gè)因素會(huì)影響需要解決方案的滲透水平。不可分派技術(shù)的類(lèi)型可能會(huì)產(chǎn)生重大影響。諸如太陽(yáng)能之類(lèi)的分布式資源帶來(lái)了與公用事業(yè)規(guī)模的可再生資源不同的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商可以在一定程度上管理公用事業(yè)規(guī)模的可再生能源，甚至可以指示減少發(fā)電量以解決嚴(yán)重的可靠性問(wèn)題。使用分布式資源實(shí)現(xiàn)相同級(jí)別的控制很困難，因?yàn)樗挥趦x表后面并且不容易被縮減。

在ERCOT，CREZ生產(chǎn)線的發(fā)展加強(qiáng)了潛在的輸電網(wǎng)絡(luò)，并使2016年的年滲透率提高至11%，2017年的最高每小時(shí)滲透率達(dá)到約50%。這表明該地區(qū)具有強(qiáng)大的穩(wěn)定性主機(jī)和客戶區(qū)域之間的傳輸互連將具有相對(duì)較高的閾值滲透水平。具有底層傳輸網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域(如前CREZ ERCOT系統(tǒng))需要比后CREZ系統(tǒng)更快的解決方案。從MISO的多值項(xiàng)目的影響中可以得出類(lèi)似的投資組合(MVP)結(jié)論，有助于提高該地區(qū)的滲透率。 CAISO對(duì)EIM的擴(kuò)展顯示了市場(chǎng)機(jī)制和鄰近區(qū)域的訪問(wèn)如何影響閾值滲透水平。CAISO能夠與鄰近地區(qū)共享其剩余發(fā)電量，從而提高CAISO需要其他解決方案的滲透水平。上面的表3顯示了區(qū)域特征的變化如何影響閾值滲透水平。如表3所示，與CAISO的情況相比，MISO的案例中的閾值滲透率水平要低得多，當(dāng)時(shí)實(shí)施替代緩解解決方案以解決可再生的間歇性問(wèn)題。

高壓直流輸電解決方案的可行性還取決于技術(shù)方面，如主機(jī)和客戶區(qū)域之間的距離，集中的本地區(qū)域可再生資源的可用性，交付是否是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或需要特殊的承諾安排，無(wú)論是客戶還是主機(jī)區(qū)域位于同一區(qū)域或互連。通常，平衡區(qū)域內(nèi)的傳輸線依靠AC線路傳輸功率(例如，ERCOT的CREZ傳輸項(xiàng)目)，而平衡區(qū)域/互連之間的傳輸線路依賴于HVDC線路(例如，Clean Line和TWE)。滲透水平的表征還取決于所考慮區(qū)域的定義。整個(gè)地區(qū)的滲透率可能較低，但是，特定子區(qū)域內(nèi)不可調(diào)度發(fā)電的濃度可能導(dǎo)致需要在次區(qū)域內(nèi)進(jìn)行緩解的水平。例如，MISO對(duì)全區(qū)域內(nèi)不可調(diào)度發(fā)電的滲透率相對(duì)較低，但明尼蘇達(dá)州和愛(ài)荷華州需要采取緩解措施。

還有哪些其他參數(shù)會(huì)影響和/或決定HVDC的部署?

高壓直流輸電線路用于特定應(yīng)用 - 長(zhǎng)距離輸送大量電力，作為異步互連之間的內(nèi)部，以及使用海底電纜進(jìn)行電力傳輸。如前所述，HVDC線路適用于超過(guò)相應(yīng)電壓和功率容量的臨界距離的項(xiàng)目。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。用于可再生集成的高壓直流輸電線路需要在高壓直流輸電終端處或附近提供大量發(fā)電潛力(如懷俄明州南部的風(fēng)力資源用于TWE或俄克拉荷馬州 - 德克薩斯州潘漢德?tīng)柕貐^(qū)的清潔線項(xiàng)目的風(fēng)力項(xiàng)目)。HVDC技術(shù)是海底電纜的主要技術(shù)。對(duì)于使用電纜的長(zhǎng)距離AC傳輸，由于大電纜電容引起的無(wú)功功率流將限制最大可能的傳輸距離。因此，HVDC線路是長(zhǎng)距離海底電纜唯一可行的選擇。

高壓直流輸電能夠減輕間歇性影響的程度有限嗎?

本研究中審查的報(bào)告和案例研究沒(méi)有具體確定高壓直流輸電減輕間歇性影響能力的任何限制。限制可能與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有關(guān)，而不是與技術(shù)的性質(zhì)有關(guān)。如果線路的大小適當(dāng)，以便向主機(jī)區(qū)域提供靈活的發(fā)電，或者將多余的可再生發(fā)電從主機(jī)轉(zhuǎn)移到客戶端，則可以充分減輕不可調(diào)度發(fā)電的任何負(fù)面影響。線路尺寸不足將限制線路的有效性。它將無(wú)法導(dǎo)入足夠的靈活生成來(lái)支持對(duì)具有大量不可分派的主機(jī)區(qū)域的響應(yīng)速度，負(fù)載跟蹤或其他所需支持。或者，將多余的不可調(diào)度的發(fā)電從發(fā)電側(cè)輸出到客戶區(qū)域并減輕主機(jī)區(qū)域的影響是不夠的。

超大容量輸電還可能引入操作問(wèn)題并限制其有效性。如果HVDC線路的容量超過(guò)潛在中斷會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性問(wèn)題的閾值，則會(huì)影響系統(tǒng)操作。如第3節(jié)所述，TWE必須設(shè)計(jì)成最小化組成該項(xiàng)目的兩個(gè)1,500 MW電路的同時(shí)中斷。這排除了使用單個(gè)3,000 MW HVDC電路。系統(tǒng)規(guī)劃人員可以制定操作程序來(lái)管理線路損失的影響，但這些安排將是實(shí)際項(xiàng)目的增量。需要更詳細(xì)的研究和分析來(lái)確定HVDC減輕間歇性影響能力的具體限制。

3.3 美國(guó)HVDC項(xiàng)目成本趨勢(shì)

ICF審查了與HVDC生產(chǎn)線成本趨勢(shì)相關(guān)的多個(gè)公開(kāi)來(lái)源。這些是針對(duì)北美各個(gè)高壓直流輸電項(xiàng)目的資源，提供項(xiàng)目總成本估算而非詳細(xì)的成本分析。最終每英里成本($ /英里)估算值來(lái)自項(xiàng)目總成本和每個(gè)項(xiàng)目的電纜長(zhǎng)度。WECC變速器擴(kuò)展規(guī)劃工具提供更詳細(xì)的成本分析，包括500 kV HVDC雙極線的變電站和換流站成本。

3.3.1 已公開(kāi)HVDC項(xiàng)目的成本預(yù)測(cè)

雖然通常不會(huì)在公開(kāi)來(lái)源中提供具體的成本估算，但NREL的工作和經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響(JEDI)模型包含HVDC項(xiàng)目成本的詳細(xì)分類(lèi)，可根據(jù)項(xiàng)目位置，電纜類(lèi)型，電壓和長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整。表4包含了JEDI模型中提供的成本估算，假設(shè)在農(nóng)村地區(qū)的平坦地形上建造了一條100英里，500千伏的高壓直流雙極線。

項(xiàng)目資本成本確定為輸電線路，基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)/其他成本的總和。NREL還包括項(xiàng)目規(guī)劃和施工前階段產(chǎn)生的成本，以及根據(jù)項(xiàng)目選擇狀態(tài)(用戶輸入)調(diào)整的人工成本。表4中包含的勞動(dòng)力成本基于美國(guó)國(guó)家平均數(shù)，由NREL確定。使用上述假設(shè)，NREL建議新輸電線路的成本約為每英里144.1萬(wàn)美元。人工和安裝費(fèi)用為每英里637,000美元，與使用的材料和設(shè)備的費(fèi)用相似(每英里663,000美元)。預(yù)計(jì)開(kāi)發(fā)和施工前費(fèi)用約為141,200美元。

換流站占基礎(chǔ)設(shè)施成本的大部分，每站2.75億美元。假設(shè)將需要至少兩個(gè)站，一個(gè)用于傳輸線的每個(gè)端點(diǎn)。包括勞動(dòng)力和其他可能需要的設(shè)備(變壓器，并聯(lián)電抗器等)，每個(gè)站的總基礎(chǔ)設(shè)施成本約為3.67億美元。每英里額外增加78,000美元，用于計(jì)算項(xiàng)目開(kāi)發(fā)期間使用的任何管理服務(wù)(現(xiàn)場(chǎng)管理，法律，公共關(guān)系，工程等)。這導(dǎo)致每英里項(xiàng)目總資本成本為917萬(wàn)美元。

除了項(xiàng)目資本成本，NREL還提供年度運(yùn)行和維護(hù)成本的估算，包括維護(hù)人工和材料，任何潛在的ROW特許權(quán)使用費(fèi)，保險(xiǎn)，更換部件，和取決于該項(xiàng)目所在州的銷(xiāo)售稅。NREL估計(jì)該項(xiàng)目的年度運(yùn)行和維護(hù)成本(不包括銷(xiāo)售稅)將達(dá)到每英里13,300美元。如前一節(jié)所述，距離是一個(gè)重要的成本因素，但不是限制因素。NREL 7 還考慮了場(chǎng)地的地形等級(jí)和人口密度。例如，穿越山區(qū)地形的100英里線路將比穿過(guò)鄉(xiāng)村平地的線路多花費(fèi)13%8 。成本影響因素因來(lái)源而異。除了地形和長(zhǎng)度，WECC傳輸擴(kuò)展規(guī)劃工具還考慮了其他因素，包括導(dǎo)體9 和結(jié)構(gòu)10 類(lèi)型和傳輸線的年齡。

3.3.2 美國(guó)HVDC項(xiàng)目成本趨勢(shì)小結(jié)

在美國(guó)開(kāi)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?

每兆瓦英里的高壓直流成本估算在不同來(lái)源之間差異很大。由于最近在美國(guó)缺乏高壓直流輸電項(xiàng)目，因此難以確定高壓直流輸電線路的典型項(xiàng)目成本。關(guān)于高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)的最新研究假設(shè)每兆瓦英里的成本在700美元到公式輸入有誤4,400之間。通過(guò)大約1200英里的規(guī)模經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)最低成本，該研究表明規(guī)模經(jīng)濟(jì)在大約200英里處實(shí)現(xiàn)平衡。ETSAP提供較小的成本估算范圍，每兆瓦英里890美元至3,961美元。就每英里成本而言，ICF在高壓直流項(xiàng)目的文獻(xiàn)中已經(jīng)介于117萬(wàn)美元/英里到862萬(wàn)美元/英里的范圍內(nèi)(參見(jiàn)附錄A.3中的圖20，了解成本摘要)。

如何在固定成本和可變成本之間突破(即，與里程無(wú)關(guān)的成本和與里程相關(guān)的成本)?

高壓直流輸電線路以換流站和相關(guān)設(shè)備的形式具有高固定成本。對(duì)于假設(shè)的500kV，100英里雙極高壓直流輸電線路，使用NREL的JEDI建模仿真(見(jiàn)上表4)，固定基礎(chǔ)設(shè)施成本估計(jì)為7.344億美元。在該示例中，100英里假設(shè)線的輸電線路成本估計(jì)為1.441億美元。這將轉(zhuǎn)化為大約144萬(wàn)美元/英里的可變成本。該項(xiàng)目的固定成本大約是輸電線路可變成本的五倍。此外，該項(xiàng)目預(yù)計(jì)每年的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本約為130萬(wàn)美元/年。

哪些因素會(huì)提高或降低這些成本(例如區(qū)域勞動(dòng)力成本，地理位置，人口密度等)?

HVDC傳輸系統(tǒng)的成本取決于許多因素，例如要傳輸?shù)墓β嗜萘?，傳輸介質(zhì)的類(lèi)型(海纜或陸基)，環(huán)境考慮因素，對(duì)路權(quán)的訪問(wèn)以及換流器站和相關(guān)設(shè)備的成本。最重要的成本影響因素是距離。由于固定設(shè)備成本高(例如，哈德遜傳輸項(xiàng)目)，短距離HVDC線路在單位距離(每英里基礎(chǔ))上通常更昂貴。其他因素如路徑的地形和輸電線周?chē)娜丝诿芏韧鶗?huì)影響項(xiàng)目成本。一般而言，對(duì)于平坦的地形以及人口中心以外的區(qū)域和環(huán)境/歷史敏感區(qū)域，獲取ROW和地役權(quán)更容易。因此，這種HVDC線路的成本也更便宜。配置為海底電纜的HVDC線路預(yù)計(jì)比陸基HVDC線路更昂貴。考慮到這些因素，美國(guó)高壓直流輸電項(xiàng)目的預(yù)期成本介于1.17至862萬(wàn)美元/英里之間(見(jiàn)圖20和附錄A.3中的表6)。

哪些與成本相關(guān)的因素可能會(huì)限制HVDC部署?

可能限制HVDC部署的主要成本項(xiàng)目是換流站的成本，其可能高達(dá)HVDC項(xiàng)目總固定成本的50%-60%。這使得HVDC對(duì)于某些應(yīng)用是不經(jīng)濟(jì)的，例如，如果線路長(zhǎng)度低于閾值距離，或者如果需要多個(gè)輸出或輸送位置。雙向傳輸需要在源和傳輸位置使用背靠背轉(zhuǎn)換器站，這可能進(jìn)一步增加成本。

高壓直流輸電部件成本之外的其他成本相關(guān)因素可能會(huì)限制其部署(DOE 2013)：

成本分配和監(jiān)管問(wèn)題：FERC第1000號(hào)令(FERC 2011b)要求向受益人分配成本。但是，某些項(xiàng)目可能具有系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，例如系統(tǒng)可靠性的提高，難以量化或納入成本效益分析。確定項(xiàng)目具有跨境影響的受益人也很困難。

部署多終端HVDC網(wǎng)絡(luò)的困難：盡管HVDC技術(shù)快速發(fā)展，但使用多終端HVDC網(wǎng)絡(luò)部署和控制功率流仍然成本過(guò)高。相比之下，部署AC解決方案以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似結(jié)果要容易得多。

低成本解決方案的優(yōu)先選擇：允許和資助較小的項(xiàng)目和支出更容易。這可能導(dǎo)致對(duì)AC項(xiàng)目和非傳輸替代方案的偏好。

缺乏標(biāo)準(zhǔn)化：與交流系統(tǒng)不同，每個(gè)直流項(xiàng)目都不同，需要定制，這會(huì)影響成本競(jìng)爭(zhēng)力。AC系統(tǒng)具有良好的互操作性，可以集成來(lái)自不同制造商的硬件組件。HVDC項(xiàng)目的硬件組件通常由同一制造商提供。

4. 結(jié)論

ICF審查了幾個(gè)公開(kāi)報(bào)告并為美國(guó)三個(gè)主要市場(chǎng)區(qū)域準(zhǔn)備了案例研究，以支持EIA評(píng)估高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)減輕不可調(diào)度發(fā)電技術(shù)影響的潛力。由于風(fēng)能和太陽(yáng)能等不可調(diào)度技術(shù)僅在本地資源可用時(shí)才能運(yùn)行，因此會(huì)給系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)可調(diào)度性挑戰(zhàn)。HVDC線路可以減輕不可調(diào)度資源的影響，因?yàn)镈C功率流是可控的，它們?cè)陂L(zhǎng)距離傳輸上具有低損耗，并且它們與AC系統(tǒng)分離并且適合于異步互連。ICF還評(píng)估了與HVDC項(xiàng)目相關(guān)的近期成本趨勢(shì)。

ICF的研究和案例研究分析確定了解決EIA感興趣的關(guān)鍵問(wèn)題的來(lái)源：

對(duì)正在開(kāi)發(fā)的現(xiàn)有系統(tǒng)和項(xiàng)目的研究表明，高壓直流輸電可有效減輕對(duì)不可調(diào)度發(fā)電的這些影響。

兩個(gè)同步系統(tǒng)之間的HVDC連接線足以將系統(tǒng)影響從發(fā)電區(qū)域傳輸?shù)娇蛻魠^(qū)域。不可調(diào)度的發(fā)電不必直接連接到客戶區(qū)域。

預(yù)計(jì)將部署HVDC解決方案的不可調(diào)度發(fā)電的滲透水平因基礎(chǔ)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)系性質(zhì)等因素而異。

其他參數(shù)，例如源和接收器之間的距離，潛在的替代解決方案，電力公司的性質(zhì)以及發(fā)電和客戶區(qū)域所在的區(qū)域系統(tǒng)可以影響HVDC的部署。對(duì)于海纜應(yīng)用和異步區(qū)域的互連，HVDC比AC更適合。

換流站和相關(guān)設(shè)備的成本可能會(huì)限制某些應(yīng)用的HVDC部署。

在審查的文獻(xiàn)中沒(méi)有完全解決一些問(wèn)題，需要進(jìn)一步的研究和分析來(lái)提出進(jìn)一步的見(jiàn)解：

AC和DC接口的某些系統(tǒng)配置和拓?fù)涫欠窀行У販p輕來(lái)自不可調(diào)度發(fā)電的部分或全部影響

特定系統(tǒng)高壓直流輸電需要定量測(cè)量滲透水平，以及區(qū)域和其他因素對(duì)滲透水平影響程度

部署不可調(diào)度技術(shù)的類(lèi)型，傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)的份額和/或其他區(qū)域特征在多大程度上影響了滲透水平

高壓直流輸電減輕間歇性影響能力的具體限制