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(yù)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。可調(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(dǎo)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。現(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(dǎo)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。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(yù)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(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(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，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(dǎo)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(dǎo)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(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(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(fù)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(fù)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。

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)模清潔能源消納對系統(tǒng)的沖擊

美國發(fā)電組合正在經(jīng)歷重大轉(zhuǎn)型，煤炭和核能等基本負荷單位的退役以及天然氣，風能和太陽能資源的快速增長。這種轉(zhuǎn)變受到若干因素的驅(qū)動，例如現(xiàn)有和擬議的聯(lián)邦，州和地區(qū)環(huán)境法規(guī)，低天然氣價格以及分布式和公用事業(yè)規(guī)?？稍偕Y源的整合?？稍偕Y源可分為(1)可調(diào)度的可再生能源(例如，水電，地熱和生物質(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，太陽能和風能)，其輸出取決于天氣條件和一天中的時間，并且不能響應(yīng)于調(diào)度信號而操作。

不可調(diào)度的可再生資源的兩個特征可能對整個電網(wǎng)運行和可靠性造成問題。首先，太陽能和風能等可再生資源的產(chǎn)量隨時間變化，并受當?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)量無法提前計劃和發(fā)送，以滿足預(yù)計的需求。結(jié)果，這些資源有時被稱為可變能源(VER)。在較低的可再生滲透水平下，VERs不會造成系統(tǒng)可靠性問題。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)度資源提供的凈負載)變化很大并且變得難以預(yù)測。這給電網(wǎng)運營商帶來了系統(tǒng)可靠性和電力調(diào)度/可靠性挑戰(zhàn)。第二個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)，以及有功和無功功率控制。隨著VER的滲透率的增加，對額外系統(tǒng)靈活性和輔助服務(wù)要求的需求也將增加。

在美國，VERs在整體產(chǎn)能組合中的份額近年來一直在穩(wěn)步增長。目前，太陽能和風能資源的總裝機容量估計約為106吉瓦(截至2016年底，總裝機容量為1,130吉瓦)。預(yù)計這一份額在不久的將來會增加，因為到2020年VER的比例將增加到190吉瓦(到2020年預(yù)計總?cè)萘繛?,272吉瓦)。預(yù)計到2020年，VERs將占美國裝機容量的近15%。在加利福尼亞獨立系統(tǒng)運營商(CAISO)，ERCOT和SPP等一些ISO / RTO中，VER的份額更高。兩個重要因素正在推動VERs部署的激增。第一，投資/生產(chǎn)稅收抵免等聯(lián)邦激勵措施近年來推動了可再生能源增長(DSIRE 2017)。隨著激勵措施在不久的將來到期，人們急于開發(fā)風能和太陽能資源。其次，可再生能源組合標準(RPS)或不同國家設(shè)定的義務(wù)有助于可再生能源建設(shè)。迄今為止，近29個州和華盛頓特區(qū)實施了某種形式的強制性RPS政策(DSIRE 2017)。另外，有八個州對RPS義務(wù)沒有約束力。到2030年，像加利福尼亞州和紐約州這樣的國家已將雄心勃勃的RPS目標設(shè)定為50%或更高。隨著這些變化，預(yù)計近期和長期未來的國家發(fā)電組合將發(fā)生重大變化。

圖5.按燃料類型劃分的美國發(fā)電量(現(xiàn)有和計劃)

圖6.美國的風能和太陽能發(fā)電容量(現(xiàn)有和計劃)注：未來的產(chǎn)能估算基于實際計劃和在建項目。

美國的清潔發(fā)電趨勢也表明太陽能和風能等VER的發(fā)電量增加。2016年，風能和太陽能占總發(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，過去15年的平均年增長率為27%。隨著太陽能和風能項目的計劃能力正在籌備中，預(yù)計這種趨勢在不久的將來會增加。將來，VERs的輸出削減也可能成為一個尖銳的問題，因為在輕載條件下或由于傳輸限制而導(dǎo)致輸電線路過載可能會產(chǎn)生過度關(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.美國的清潔能源發(fā)電趨勢(按燃料類型)資料來源：ICF使用EIA數(shù)據(jù)編制。

3.1.2 潛在的HVDC解決方案

未來向更高比例的VER過渡需要升級現(xiàn)有的電網(wǎng)。雖然本報告的重點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)方案的簡要概述，以供參考。從技術(shù)角度來看，增加VER滲透需要智能電網(wǎng)技術(shù)，廣泛的能源存儲，HVDC線路部署以及添加更靈活的發(fā)電技術(shù)。從市場角度來看，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)濟調(diào)度將受到顯著影響，需要發(fā)電機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，如快速增加的燃氣輪機和某些存儲設(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。這些資源對于平衡VER引起的整體供需波動至關(guān)重要。智能網(wǎng)格技術(shù)也可以作為更好的VER集成的推動者。一些負載或需求方需求側(cè)管理和高級計量基礎(chǔ)設(shè)施等技術(shù)有助于系統(tǒng)運營商根據(jù)VER的間歇性輸出維持供需平衡。相量測量單元(PMU)和先進控制系統(tǒng)等智能電網(wǎng)技術(shù)可幫助系統(tǒng)運營商根據(jù)VER的間歇輸出保持電網(wǎng)可靠性。風能和太陽能技術(shù)的新進展使它們能夠在各種條件下運行，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。通過精心調(diào)度和運行抽水蓄能水電機組，儲能還可以緩解長期變化。此外，加強區(qū)域，國家和跨國電網(wǎng)的電網(wǎng)互聯(lián)將使從可再生資源過剩的地區(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)的問題，減少對輔助服務(wù)的需求，緩解擁塞，并且在某些情況下不需要新的發(fā)電機資源。

但是，本報告的重點僅限于應(yīng)用HVDC技術(shù)來緩解與可再生間歇性相關(guān)的問題。HVDC線路不僅有助于新VER的集成，還可以減輕這些資源對電網(wǎng)可靠性的影響。許多有前景的風能和太陽能資源遠離美國毗鄰的主要負荷中心。整合這些資源需要建設(shè)新的HVDC線路，將這些區(qū)域連接到全國的主要負荷中心。傳統(tǒng)的高壓直流輸電技術(shù)可以促進可再生資源的集成，如風和太陽能在特定的局部區(qū)域擴散。HVDC技術(shù)還為可再生能源的間歇性問題提供了部分解決方案。將VER的輸出聚合在許多單獨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。高壓直流輸電線路還可以幫助將電力從發(fā)電過剩區(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，系統(tǒng)操作員和開發(fā)人員青睞HVDC解決方案，以便為負載中心集成和提供電力。如前所述，目前提出了幾個高壓直流輸電項目，將中西部中上游地區(qū)的風資源和美國西南地區(qū)的太陽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)了項目范圍內(nèi)制定的關(guān)鍵問題的主要見解和答案，這些問題基于本報告的文獻綜述和附錄A-1中討論的詳細案例研究。

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(dǎo)致的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，對輔助服務(wù)的需求增加以及單位承諾和調(diào)度效率低下。通過高壓直流輸電增加電網(wǎng)互聯(lián)將使從具有過?？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，長距離傳輸損耗低，

本報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可以將來自主機區(qū)域的過量發(fā)電提供給對可再生資源的輸出有需求的客戶區(qū)域。因為HVDC與交流系統(tǒng)分離，所以可以實現(xiàn)從發(fā)電到客戶區(qū)域的轉(zhuǎn)移，同時對發(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，這對于交流線路來說是不實際的。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)流引起的操作問題。此外，由于HVDC在長距離上具有相對低的損耗，因此主機和客戶區(qū)域之間的距離不會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700英里傳輸風能。

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價格，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，并減少對輔助服務(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。(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%的風力發(fā)電量，并改善了對客戶的整體利益。麥克唐納等人。報告(2016年)還表明，區(qū)域之間的高壓直流聯(lián)網(wǎng)可以促進從需求區(qū)域過剩的地區(qū)提供可再生能源，并減少整個系統(tǒng)的縮減。向需求區(qū)域提供過剩發(fā)電的能力有助于維持電價并減少負價格的發(fā)生率。類似的結(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撲結(jié)合。高壓直流輸電擴容，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，高壓直流輸電升級可以改善可再生能源的整合并降低整體運營成本。

APS Physics(2010)的研究沒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，可控制的長距離輸電線路可以允許一個區(qū)域中的過量發(fā)電被引導(dǎo)到遠處的特定赤字目標，而不是由于當?shù)貤l件而在電網(wǎng)中偏離軌道。

TWE項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。如果沒有TWE項目，開發(fā)和連接1,500至3,000 MW的風力發(fā)電到弱小的懷俄明州輸電網(wǎng)是不可行的。如果沒有重要的傳輸系統(tǒng)升級，只有一小部分風力發(fā)電可能能夠運行。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發(fā)大量的風，否則會在SPP中產(chǎn)生可靠性和其他問題。與提供連接到發(fā)電區(qū)域的風的TWE不同，Clean Line將風直接連接到客戶區(qū)域，繞過發(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)域中的間歇性問題。一個例子是挪威和丹麥之間的Skagerrak HVDC線路。最近，委托ABB建造該項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)與丹麥風力和熱力發(fā)電系統(tǒng)之間的負荷。

報告和案例研究沒有明確說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)定性問題。TWE表明HVDC可以提供一些緩解。2008年和2010年的TransWest報告顯示，隨著TWE的實施，懷俄明州的電網(wǎng)可以容納1,500至3,000兆瓦的風電，否則在相對較弱的懷俄明電網(wǎng)上將無法實現(xiàn)。該報告強調(diào)需要采取保護計劃，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。將需要進一步的研究來更好地評估HVDC緩解穩(wěn)定性問題的能力。

兩個同步電網(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，通過使用HVDC線路連接發(fā)電和客戶區(qū)域，可以實現(xiàn)HVDC在減輕不可調(diào)度發(fā)電影響方面的優(yōu)勢，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，在風力發(fā)電故障或HVDC故障之后。研究表明，即使風力發(fā)電沒有直接連接到客戶區(qū)域，也可以實現(xiàn)高壓直流輸電線路的優(yōu)勢。在這兩種情況下，風力發(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)電和客戶機區(qū)域。沒有HVDC輸電，不可調(diào)度發(fā)電將對發(fā)電區(qū)域的電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生負面影響。相關(guān)研究也提供類似的見解。

關(guān)于TWE項目的初步規(guī)劃報告表明，TWE將連接發(fā)電和客戶兩個同步系統(tǒng)，并且不會涉及風力發(fā)電與客戶區(qū)域的直接連接。如報告中所示，TWE的兩個HVDC電路的突然和同時丟失可能導(dǎo)致不穩(wěn)定和停電，因為相對較弱的懷俄明電網(wǎng)。這表明風力發(fā)電將連接到主機區(qū)域懷俄明州的AC系統(tǒng)，而不是通過HVDC線路直接連接到客戶區(qū)域。因此，這也表明風力發(fā)電不必直接連接到客戶區(qū)域以實現(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方案來解決可靠性問題。初步規(guī)劃報告顯示，該系統(tǒng)只能承受兩個HVDC電路中的一個而不會變得不穩(wěn)定。將需要保護方案來減輕同時丟失兩個電路的影響。

類似地，MISO概念研究和Square Butte HVDC項目都表明，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)，也可以實現(xiàn)HVDC的好處。

高壓直流輸電線路的某些系統(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?

基于對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載條件下運行更長時間(比額定容量高10%-15%，持續(xù)時間不到30分鐘)。這將為系統(tǒng)操作員提供足夠的時間在涉及間歇性VER輸出變化的偶然條件下實施緩解措施。

超級電氣之友報告(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，同時有助于系統(tǒng)穩(wěn)定性。在與HVDC線路并行運行的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提高了擴展交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這對于必須長距離交付的可再生資源非常重要。ABB的HVDC評估強調(diào)了HVDC線路提高混合AC / DC系統(tǒng)穩(wěn)定性的能力，并以美國西部的Pacific DC Intertie為例。該國的地區(qū)以長距離輸電線為特征，將北方的發(fā)電連接到南方的負荷中心。此外，該報告描述了HVDC在混合AC / DC系統(tǒng)中的其他優(yōu)點，例如HVDC充當防火墻的能力以及防止干擾從一個AC系統(tǒng)擴散到另一個AC系統(tǒng)，以及提供人為慣性。

我們預(yù)計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解決方案的部署級別。此外，將需要更詳細的分析來評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，以確定運營商開始實施解決方案以解決可再生一體化問題的滲透水平。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，否則當操作員開始觀察其系統(tǒng)上的問題時，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.與歷史市場舉措相對應(yīng)的滲透水平

系統(tǒng)運營商繼續(xù)在高可再生滲透水平下運行大容量電力系統(tǒng)。ERCOT，CAISO和SPP已經(jīng)看到2017年最高每小時滲透率超過每小時系統(tǒng)需求的50%的小時數(shù)(見表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期內(nèi)風能和太陽能發(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擴大了能源不平衡市場(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)電廠能源出價的最低門檻。ERCOT 實施了競爭力可再生能源區(qū)(CREZ)輸電項目和MISO實施了DIR計劃并開發(fā)了交流輸電以支持可再生能源一體化。改進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)濟意義。美國的大多數(shù)高壓直流輸電項目都被提議用于提供當?shù)匾幌盗酗L電項目的輸出(例如，TWE和清潔線高壓直流輸電項目)。此外，一些現(xiàn)有的高壓直流輸電線路設(shè)計用于輸送水力發(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，對于大型太陽能項目，通常會提出交流線路(例如，Nevada West Connect和SunZia Southwest Transmission項目)。雖然不可調(diào)度技術(shù)的類型不應(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量。正如前一個問題中定性描述的那樣，有幾個因素會影響需要解決方案的滲透水平。不可分派技術(shù)的類型可能會產(chǎn)生重大影響。諸如太陽能之類的分布式資源帶來了與公用事業(yè)規(guī)模的可再生資源不同的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)運營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)電量以解決嚴重的可靠性問題。使用分布式資源實現(xiàn)相同級別的控制很困難，因為它位于儀表后面并且不容易被縮減。

在ERCOT，CREZ生產(chǎn)線的發(fā)展加強了潛在的輸電網(wǎng)絡(luò)，并使2016年的年滲透率提高至11%，2017年的最高每小時滲透率達到約50%。這表明該地區(qū)具有強大的穩(wěn)定性主機和客戶區(qū)域之間的傳輸互連將具有相對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的多值項目的影響中可以得出類似的投資組合(MVP)結(jié)論，有助于提高該地區(qū)的滲透率。 CAISO對EIM的擴展顯示了市場機制和鄰近區(qū)域的訪問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，當時實施替代緩解解決方案以解決可再生的間歇性問題。

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，交付是否是點對點或需要特殊的承諾安排，無論是客戶還是主機區(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)進行緩解的水平。例如，MISO對全區(qū)域內(nèi)不可調(diào)度發(fā)電的滲透率相對較低，但明尼蘇達州和愛荷華州需要采取緩解措施。

還有哪些其他參數(shù)會影響和/或決定HVDC的部署?

高壓直流輸電線路用于特定應(yīng)用 - 長距離輸送大量電力，作為異步互連之間的內(nèi)部，以及使用海底電纜進行電力傳輸。如前所述，HVDC線路適用于超過相應(yīng)電壓和功率容量的臨界距離的項目。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。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力資源用于TWE或俄克拉荷馬州 - 德克薩斯州潘漢德爾地區(qū)的清潔線項目的風力項目)。HVDC技術(shù)是海底電纜的主要技術(shù)。對于使用電纜的長距離AC傳輸，由于大電纜電容引起的無功功率流將限制最大可能的傳輸距離。因此，HVDC線路是長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?

本研究中審查的報告和案例研究沒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，以便向主機區(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)電的任何負面影響。線路尺寸不足將限制線路的有效性。它將無法導(dǎo)入足夠的靈活生成來支持對具有大量不可分派的主機區(qū)域的響應(yīng)速度，負載跟蹤或其他所需支持?；蛘?，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)域并減輕主機區(qū)域的影響是不夠的。

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

3.3 美國HVDC項目成本趨勢

ICF審查了與HVDC生產(chǎn)線成本趨勢相關(guān)的多個公開來源。這些是針對北美各個高壓直流輸電項目的資源，提供項目總成本估算而非詳細的成本分析。最終每英里成本($ /英里)估算值來自項目總成本和每個項目的電纜長度。WECC變速器擴展規(guī)劃工具提供更詳細的成本分析，包括500 kV HVDC雙極線的變電站和換流站成本。

3.3.1 已公開HVDC項目的成本預(yù)測

雖然通常不會在公開來源中提供具體的成本估算，但NREL的工作和經(jīng)濟發(fā)展影響(JEDI)模型包含HVDC項目成本的詳細分類，可根據(jù)項目位置，電纜類型，電壓和長度進行調(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還包括項目規(guī)劃和施工前階段產(chǎn)生的成本，以及根據(jù)項目選擇狀態(tài)(用戶輸入)調(diào)整的人工成本。表4中包含的勞動力成本基于美國國家平均數(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144.1萬美元。人工和安裝費用為每英里637,000美元，與使用的材料和設(shè)備的費用相似(每英里663,000美元)。預(yù)計開發(fā)和施工前費用約為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)將需要至少兩個站，一個用于傳輸線的每個端點。包括勞動力和其他可能需要的設(shè)備(變壓器，并聯(lián)電抗器等)，每個站的總基礎(chǔ)設(shè)施成本約為3.67億美元。每英里額外增加78,000美元，用于計算項目開發(fā)期間使用的任何管理服務(wù)(現(xiàn)場管理，法律，公共關(guān)系，工程等)。這導(dǎo)致每英里項目總資本成本為917萬美元。

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

3.3.2 美國HVDC項目成本趨勢小結(jié)

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?

每兆瓦英里的高壓直流成本估算在不同來源之間差異很大。由于最近在美國缺乏高壓直流輸電項目，因此難以確定高壓直流輸電線路的典型項目成本。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。通過大約1200英里的規(guī)模經(jīng)濟實現(xiàn)最低成本，該研究表明規(guī)模經(jīng)濟在大約200英里處實現(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在高壓直流項目的文獻中已經(jīng)介于117萬美元/英里到862萬美元/英里的范圍內(nèi)(參見附錄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(見上表4)，固定基礎(chǔ)設(shè)施成本估計為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為1.441億美元。這將轉(zhuǎn)化為大約144萬美元/英里的可變成本。該項目的固定成本大約是輸電線路可變成本的五倍。此外，該項目預(yù)計每年的運營和維護成本約為130萬美元/年。

哪些因素會提高或降低這些成本(例如區(qū)域勞動力成本，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嗜萘浚瑐鬏斀橘|(zhì)的類型(海纜或陸基)，環(huán)境考慮因素，對路權(quán)的訪問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圍的人口密度往往會影響項目成本。一般而言，對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)計比陸基HVDC線路更昂貴?？紤]到這些因素，美國高壓直流輸電項目的預(yù)期成本介于1.17至862萬美元/英里之間(見圖20和附錄A.3中的表6)。

哪些與成本相關(guān)的因素可能會限制HVDC部署?

可能限制HVDC部署的主要成本項目是換流站的成本，其可能高達HVDC項目總固定成本的50%-60%。這使得HVDC對于某些應(yīng)用是不經(jīng)濟的，例如，如果線路長度低于閾值距離，或者如果需要多個輸出或輸送位置。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)因素可能會限制其部署(DOE 2013)：

成本分配和監(jiān)管問題：FERC第1000號令(FERC 2011b)要求向受益人分配成本。但是，某些項目可能具有系統(tǒng)優(yōu)勢，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高。相比之下，部署AC解決方案以實現(xiàn)類似結(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目和支出更容易。這可能導(dǎo)致對AC項目和非傳輸替代方案的偏好。

缺乏標準化：與交流系統(tǒng)不同，每個直流項目都不同，需要定制，這會影響成本競爭力。AC系統(tǒng)具有良好的互操作性，可以集成來自不同制造商的硬件組件。HVDC項目的硬件組件通常由同一制造商提供。

4. 結(jié)論

ICF審查了幾個公開報告并為美國三個主要市場區(qū)域準備了案例研究，以支持EIA評估高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)減輕不可調(diào)度發(fā)電技術(shù)影響的潛力。由于風能和太陽能等不可調(diào)度技術(shù)僅在本地資源可用時才能運行，因此會給系統(tǒng)運營商帶來可調(diào)度性挑戰(zhàn)。HVDC線路可以減輕不可調(diào)度資源的影響，因為DC功率流是可控的，它們在長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還評估了與HVDC項目相關(guān)的近期成本趨勢。

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

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

兩個同步系統(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)備的成本可能會限制某些應(yīng)用的HVDC部署。

在審查的文獻中沒有完全解決一些問題，需要進一步的研究和分析來提出進一步的見解：

AC和DC接口的某些系統(tǒng)配置和拓撲是否更有效地減輕來自不可調(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量滲透水平，以及區(qū)域和其他因素對滲透水平影響程度

部署不可調(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