在规划阶段,选择直流输电还是交流输电需要对两种输电方式进行经济比较、技术特性比较。直流输电与交流输电的经济比较包括:基础设施投资和运行成本。基础设施投资包括线路走廊、杆塔、导线、绝缘子、直流换流站与交流变电站设备费用。运行成本主要为损耗。同时要考虑直流输电与交流输电的等价距离。直流输电与交流输电的技术比较则包括同步运行的稳定性、联网、电压和功率控制等。
(1)直流架空线路与交流架空线路的投资比较。对于给定的输送功率水平,直流输电架空线路(采用双极中性点接地方式)只需正负两极导线,所需要的走廊较窄,杆塔结构简单,导线和绝缘子的成本较低;三相交流架空线路需三根输电导线,线路走廊较宽,杆塔结构、导线和绝缘子的成本较髙。
为使两者具有可比性,假设直流和交流线路的导线截面相等,电流密度也相等,则每根导线输送的直流电流等于交流电流。假设交直流线路具有相同的对地绝缘水平,则可近似地认为直流线路对地电压等于交流线路相电压有效值的√2倍。
直流线路输送的总功率为:
式中:Id为直流线路电流;Ud为直流线路电压;Ia为交流线路相电流有效值;Ua为交流线路相电压有效值;为交流线路功率因数角。
由上面公式可以看出,在直流和交流输送功率相同的条件下,直流架空线路的投资和输电损耗都为交流架空线路的2/3。交流输电由于线路电容电流,引起沿线电压分布不均匀,因此需要装设并联电抗器。而在直流输电线路中线路电容不起作用,线路沿线的电压分布均匀,不需装设并联电抗器。
(2)直流电缆线路与交流电缆线路的比较。
1)输送容量:由于电缆耐受直流电的能力比耐受交流电的能力约高3倍,因此同样绝缘和截面的电缆,直流输电的输送容量比交流输电的输送容量要大很多。
2)成本:直流电缆只需一根(单极)或两根(双极)电缆,交流电缆需三根电缆,因此直流电缆的造价远低于交流电缆。
3)损耗:直流电缆的损耗主要为电阻损耗,交流电缆除电阻损耗外,还有绝缘中的介质损耗和铅皮及铠装中的磁感应损耗。
4)输送距离:交流电缆的对地电容电流很大,电容电流将降低电缆的有效负荷能力,因此交流电缆的输送距离将受电容电流的限制。直流电缆不存在电容电流,其输送距离不受限制,因此有利于远距离电缆送电。
(3)直流换流站与交流变电站的投资比较。交流变电站主要设备包括变压器、交流断路器、隔离开关等。直流换流站的主要设备除了换流变压器和相应的断路器之外,还有换流器及其控制调节装置、直流滤波器、交流滤波器、平波电抗器、无功补偿设备和其他附属设备。
由于换流站设备多,结构复杂,因此换流站的投资比同等规模的交流变电站的投资要高出数倍。换流站设备多,换流站的损耗和运行费用也相应增加,换流站的运行和维护也较复杂,对运行人员的要求也髙。
(4)综合经济比较。综合经济比较是指把建设费用和年运行费用两个方面综合起来比较。
1)线路和设备的年折旧维护费用包括输电线路、两端站内设备在运行中每年需提取的折旧费用,以及日常维护(小修、大修)每年所需的费用。
根据国外运行经验,线路和站内设备的年折旧维护费用占工程建设费用的百分数,交流和直流大体相当。
2)年电能损耗费用是指线路和变电站或换流站的年电能损耗与电能成本的乘积。
变电站或换流站的年电能损耗很小。输电线路的功率损失,在导线截面相同、输送有功功率相等的条件下,直流线路的功率损耗约为交流线路的66. 67%。