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摘要：随着经济的不断发展，电力需求日益旺盛，输电系统建设也越来越重要。分频输电系统通过低频率传输电能，减少交流输电线路电气距离，增强系统传输能力。在水、风电等发电系统，因发电机转速较低，特别适合用分频进行发、输电，并网时转换为工频。本文结合笔者参与的某输电线路建设，简要探讨了水电、风电经分频输电并网的可行性和分频风力发/输电系统的优越性，以期能为所需者提供借鉴。
关键词：分频输电；输电系统；应用
中图分类号：TM621.5文献标识码： A 文章编号：
众所周知，出线走廊资源较为紧张且投资巨大，这也就让提高输电线路传输能力成为电力工程重要研究方向。热极限、稳定功率极限等因素限制着交流输电系统输送功率，而中长距离输电则主要受稳定因素的限制。自变压器发明之后，有效地提升电压等级也就日益成为提高输送能力的重要方式。但是，在现在的电力系统中，交流输电另一重要参数——频率优化也已备受关注。
在电力生产、输送和使用等阶段，不同的频率有着减少设备体积、提高效率等功效，在电力系统发展历程中，先后有25、50/3、133Hz等频率电网。当年的布法罗水电向纽约送电用25Hz 频率，因水电机组转速低，适合发低频电力。随着燃煤气轮发电机组逐渐成为电源主力，需较高的转速(频率)保证经济性，这就让50/60Hz 逐渐成为电网标准频率。
受到石化燃料日益短缺和发电过程对环境污染较大的影响，清洁能源和可再生能源日益受到各国重视。水力发电和风力发电等可再生能源原动机转速低，适合低频电力，且低频输电能降低电抗、提高输送能力等。
一、分频水电系统工程经济性分析
某水电站位于甘肃省南部某河中游，装3台单机容量80MW 发电机组。年平均电站发电量9.07 亿kW h，年用小时数3779h。电站拟接入附近城市，送电距220km。对此类规模水电站和输送距离，直流输电不经济。原设计方案A用工频 330kV 单回交流输电线路送出。
后经对电站研究，发现如果采用分频输电方式B，单回 220kV 输电线路即可完成送出。因此，单回 330kV 工频交流输电或220kV 分频交流输电这2个方案在技术上都可行。
分析对比二者经济性，结果如表 1 所示（对分频输电所用设备进行设计估价）。
表12 种输电方案投资比较
方案A降压变电站投资为1台气体绝缘开关装置与 2 台降压变压器的投资之和。需注意，表 1 中分频变压器经优化设计，其造价约为同容量、同电压等级常规变压器1.8倍。
对该水电站送出工程而言，由于电压等级高，使得工频 330kV 送电方案 A 在输电线路、升压变压器和 GIS 断路器的投资方面大于分频输电方式。方案 B 与方案 A 相比，发电机造价增加 1078 万元，输变电费用减少6940 万元，总费用节约 5862 万元。分频输电方式是工频输电方式总投资的 85%。
经计算，工频330kV和分频输电方式的年损耗费用分别为 203.28 和 457.35万元。若考虑年设备维护费用为投资费用的5%，则方案 A 和方案B 的年运行费用比较如表 2 所示。
表22 种方案等年费用比较
由表2可知，方案B的年运行费用比A少39 万元。因此，方案B更具经济性。
二、大规模远距离分频风力发输电系统分析
1、系统简介
近年来，将分频输电方式应用到风力发电和并网的研究也非常深入。风电经分频输电系统并网的原理结构如图1所示。基本思路是在同一风力场，通过控制系统，调整各风力机风能利用系数，让各同步电机发出电能频率一致，共同汇入汇流母线，然后用分频输电线路将电力送至系统并网处，经交–交变频器将电能转换为工频后与系统并网。
图1 风电经分频输电并入电网原理图
为查清风电经分频输电并网可行性，选择某风电基地经远距离输电线路接入负荷中心某变电，设风电基地装机容量10GW，送电距离915km。计算依据电网规划数据。
为传输 10GW 风电，提出2 种可行方案：方案 A用 750kV、50Hz 交流输电；方案B 则采用 750kV 的分频(50/3Hz)输电系统。
2、方案设立
1）方案 A：750kV 工频交流发/输电方案。方案选取导线型号6LGJQ–500，热稳定极限7734.043MW。根据线路阻抗参数计算每回线路理想稳态极限传输功率(约为2400MW)。为传输 10000MW 容量，方案 A所需输电线路回路数不得少于 5 回。此时，整个输电系统的传输容量为 12000MW。方案中变电所采用图2所示的 3/2 接线方式。
圖2 方案 A 接线图
2）方案 B：750kV 分频发/输电方案。方案B采用与方案A相同的电压等级和输电线路，此时每回线路的电阻不变，而电抗值则降为原来的 1/3，因此每回线路的理想稳态极限传输功率约为 7200MW，没有超出线路的热极限。方案 B 采用 2 回 750kV 输电线路，静态稳定极限达到14400MW，可以传输 10GW 的功率。
方案 B 的接线形式如图3所示，在风电场侧依然采用 3/2 接线方案。在变电站需装设变频装置，采用 2 个三相 12 脉交–交变频器并联运行，变频器与输电线路之间采用单元接线的形式。
图3 方案 B 接线图
3、系统特性计算分析
对2方案分别进行潮流及稳定计算。计算时系统有功负荷设置为系统的峰荷50651.9MW，风电基地的出力则设置为其额定出力 10000MW。
潮流计算结果表明，方案 A 与方案 B 都可成功传输 10000MW 的风电至终端变电所，系统节点电压和输电线路功率均在约束范围内。方案 A、B 有功损耗分别为 153.66、387.58MW。方案 B 输电线路回数较少，其有功损耗高于方案 A。
分析2 种方案下输电线路末端电压波动，选择一典型日作潮流计算，1d 中方案 A、B 在终端变电所 750kV 母线的最大电压波动分别为 7.46%与 5.86%。由于方案 B 中输电线路电抗小于方案 A，其线路末端电压波动明显减小。计算可得到终端变电所 750kV 高压母线电压波动与系统风电穿透率之间的关系，如图4 所示。
图4 电压波动与风能穿透率之间的关系
由图4 可得，电压波动率限制在 5%以内时，如不采取附加调压措施，2 种方案下风电穿透能力分别为 7800 与 9100MW。
对以上方案作暂态稳定计算，故障点设置在输电线路上。经计算，2 种方案中双馈电机在所设置故障下，可保持暂态稳定。转速可在 15s 左右结束振荡，恢复到稳定状态。
4、经济性分析
表 3 给出了这 2 种方案一次设备总投资金额，2 种方案均采用华锐风电SL-3000 型双馈风机。该风机成本结构中齿轮箱和塔架的占比均为总造价的 17%。
表 3 一次设备投资费用
由表 3 可知，方案 B中风机的成本低于方案 A，主要是因为当双馈风力发电机的发电频率为50/3Hz 时，转速也将降低为原来的 1/3，双馈风机的齿轮箱变比也同比例地下降，齿轮箱的造价明显降低；同时，由于塔架顶端装置的质量减轻，因此也可以减少塔架的造价。当频率为 50/3Hz 时，方案 B 中整个风机的造价将比方案 A 节省 13.6%。
方案 B 中升压变压器和受端变电站的成本相比方案 A 有所增加。但总体上，方案 B 一次设备总投资额较方案 A 减少106.47 亿元，降低约18.75%。
2 种方案的年运行费用分为以下 2 个部分：
1）维护费用。假设每个方案的维护费用为该方案一次设备投资总费用的 5%，则方案 A 的维护费用为 28.386 亿元，而方案 B 的维护费用为23.06 亿元。
2）有功损耗费用。为了评估每个方案的有功损耗费用，需要知道系统的电价水平和最大网损小时数。根据风电厂的风能概率分布，计算出其最大网损小时数(为 1250h)。如前所述，2 种方案在满负荷下的网损值分别为153.66和387.58MW。因此，如取电价为 0.4 元/(kWh)，可以得到 2 个方案下的年有功损耗费用，如表 4 所示。
2 种方案的年运行费用如表 4 最后一列所示，
表 4 运行费用比较
方案 A 高于方案 B。
表 5 给出了不同偿还年限情况下 2 种方案的等年值，这里的等年值综合了一次设备投资费用和年运行费用。
表52 种方案等年费用比较
由表 5 可知，方案 B 的等年值比方案 A 少了17.24%-17.59%。由此可见，对于酒泉千万千瓦级风电场并入西北电网这一案例而言，方案 B 明显优于方案 A。
结论
分频输电通过降低输电频率，降低了线路阻抗，可大幅度提高输电线路输送容量，采用交–交变频器倍频并网，是种新型交流灵活输电方式。与直流输电相比，只有一端换流站，因而更具经济优势。
参考文献：
[1] 魏晓霞.我国大规模风电接入电网面临的挑战[J].中国能源.2010(02).
[2] 王锡凡,曹成军,周志超.分频输电系统的实验研究[J].中国电机工程学报.2011(12).
[3] 孙浩然.风力发电技术综述[J].江苏电机工程.2010(04).
[4] 张乐丰,王增平.风电并网对电力系统的影响[J].江苏电机工程.2011(02).
关键词：分频输电；输电系统；应用
中图分类号：TM621.5文献标识码： A 文章编号：
众所周知，出线走廊资源较为紧张且投资巨大，这也就让提高输电线路传输能力成为电力工程重要研究方向。热极限、稳定功率极限等因素限制着交流输电系统输送功率，而中长距离输电则主要受稳定因素的限制。自变压器发明之后，有效地提升电压等级也就日益成为提高输送能力的重要方式。但是，在现在的电力系统中，交流输电另一重要参数——频率优化也已备受关注。
在电力生产、输送和使用等阶段，不同的频率有着减少设备体积、提高效率等功效，在电力系统发展历程中，先后有25、50/3、133Hz等频率电网。当年的布法罗水电向纽约送电用25Hz 频率，因水电机组转速低，适合发低频电力。随着燃煤气轮发电机组逐渐成为电源主力，需较高的转速(频率)保证经济性，这就让50/60Hz 逐渐成为电网标准频率。
受到石化燃料日益短缺和发电过程对环境污染较大的影响，清洁能源和可再生能源日益受到各国重视。水力发电和风力发电等可再生能源原动机转速低，适合低频电力，且低频输电能降低电抗、提高输送能力等。
一、分频水电系统工程经济性分析
某水电站位于甘肃省南部某河中游，装3台单机容量80MW 发电机组。年平均电站发电量9.07 亿kW h，年用小时数3779h。电站拟接入附近城市，送电距220km。对此类规模水电站和输送距离，直流输电不经济。原设计方案A用工频 330kV 单回交流输电线路送出。
后经对电站研究，发现如果采用分频输电方式B，单回 220kV 输电线路即可完成送出。因此，单回 330kV 工频交流输电或220kV 分频交流输电这2个方案在技术上都可行。
分析对比二者经济性，结果如表 1 所示（对分频输电所用设备进行设计估价）。
表12 种输电方案投资比较
方案A降压变电站投资为1台气体绝缘开关装置与 2 台降压变压器的投资之和。需注意，表 1 中分频变压器经优化设计，其造价约为同容量、同电压等级常规变压器1.8倍。
对该水电站送出工程而言，由于电压等级高，使得工频 330kV 送电方案 A 在输电线路、升压变压器和 GIS 断路器的投资方面大于分频输电方式。方案 B 与方案 A 相比，发电机造价增加 1078 万元，输变电费用减少6940 万元，总费用节约 5862 万元。分频输电方式是工频输电方式总投资的 85%。
经计算，工频330kV和分频输电方式的年损耗费用分别为 203.28 和 457.35万元。若考虑年设备维护费用为投资费用的5%，则方案 A 和方案B 的年运行费用比较如表 2 所示。
表22 种方案等年费用比较
由表2可知，方案B的年运行费用比A少39 万元。因此，方案B更具经济性。
二、大规模远距离分频风力发输电系统分析
1、系统简介
近年来，将分频输电方式应用到风力发电和并网的研究也非常深入。风电经分频输电系统并网的原理结构如图1所示。基本思路是在同一风力场，通过控制系统，调整各风力机风能利用系数，让各同步电机发出电能频率一致，共同汇入汇流母线，然后用分频输电线路将电力送至系统并网处，经交–交变频器将电能转换为工频后与系统并网。
图1 风电经分频输电并入电网原理图
为查清风电经分频输电并网可行性，选择某风电基地经远距离输电线路接入负荷中心某变电，设风电基地装机容量10GW，送电距离915km。计算依据电网规划数据。
为传输 10GW 风电，提出2 种可行方案：方案 A用 750kV、50Hz 交流输电；方案B 则采用 750kV 的分频(50/3Hz)输电系统。
2、方案设立
1）方案 A：750kV 工频交流发/输电方案。方案选取导线型号6LGJQ–500，热稳定极限7734.043MW。根据线路阻抗参数计算每回线路理想稳态极限传输功率(约为2400MW)。为传输 10000MW 容量，方案 A所需输电线路回路数不得少于 5 回。此时，整个输电系统的传输容量为 12000MW。方案中变电所采用图2所示的 3/2 接线方式。
圖2 方案 A 接线图
2）方案 B：750kV 分频发/输电方案。方案B采用与方案A相同的电压等级和输电线路，此时每回线路的电阻不变，而电抗值则降为原来的 1/3，因此每回线路的理想稳态极限传输功率约为 7200MW，没有超出线路的热极限。方案 B 采用 2 回 750kV 输电线路，静态稳定极限达到14400MW，可以传输 10GW 的功率。
方案 B 的接线形式如图3所示，在风电场侧依然采用 3/2 接线方案。在变电站需装设变频装置，采用 2 个三相 12 脉交–交变频器并联运行，变频器与输电线路之间采用单元接线的形式。
图3 方案 B 接线图
3、系统特性计算分析
对2方案分别进行潮流及稳定计算。计算时系统有功负荷设置为系统的峰荷50651.9MW，风电基地的出力则设置为其额定出力 10000MW。
潮流计算结果表明，方案 A 与方案 B 都可成功传输 10000MW 的风电至终端变电所，系统节点电压和输电线路功率均在约束范围内。方案 A、B 有功损耗分别为 153.66、387.58MW。方案 B 输电线路回数较少，其有功损耗高于方案 A。
分析2 种方案下输电线路末端电压波动，选择一典型日作潮流计算，1d 中方案 A、B 在终端变电所 750kV 母线的最大电压波动分别为 7.46%与 5.86%。由于方案 B 中输电线路电抗小于方案 A，其线路末端电压波动明显减小。计算可得到终端变电所 750kV 高压母线电压波动与系统风电穿透率之间的关系，如图4 所示。
图4 电压波动与风能穿透率之间的关系
由图4 可得，电压波动率限制在 5%以内时，如不采取附加调压措施，2 种方案下风电穿透能力分别为 7800 与 9100MW。
对以上方案作暂态稳定计算，故障点设置在输电线路上。经计算，2 种方案中双馈电机在所设置故障下，可保持暂态稳定。转速可在 15s 左右结束振荡，恢复到稳定状态。
4、经济性分析
表 3 给出了这 2 种方案一次设备总投资金额，2 种方案均采用华锐风电SL-3000 型双馈风机。该风机成本结构中齿轮箱和塔架的占比均为总造价的 17%。
表 3 一次设备投资费用
由表 3 可知，方案 B中风机的成本低于方案 A，主要是因为当双馈风力发电机的发电频率为50/3Hz 时，转速也将降低为原来的 1/3，双馈风机的齿轮箱变比也同比例地下降，齿轮箱的造价明显降低；同时，由于塔架顶端装置的质量减轻，因此也可以减少塔架的造价。当频率为 50/3Hz 时，方案 B 中整个风机的造价将比方案 A 节省 13.6%。
方案 B 中升压变压器和受端变电站的成本相比方案 A 有所增加。但总体上，方案 B 一次设备总投资额较方案 A 减少106.47 亿元，降低约18.75%。
2 种方案的年运行费用分为以下 2 个部分：
1）维护费用。假设每个方案的维护费用为该方案一次设备投资总费用的 5%，则方案 A 的维护费用为 28.386 亿元，而方案 B 的维护费用为23.06 亿元。
2）有功损耗费用。为了评估每个方案的有功损耗费用，需要知道系统的电价水平和最大网损小时数。根据风电厂的风能概率分布，计算出其最大网损小时数(为 1250h)。如前所述，2 种方案在满负荷下的网损值分别为153.66和387.58MW。因此，如取电价为 0.4 元/(kWh)，可以得到 2 个方案下的年有功损耗费用，如表 4 所示。
2 种方案的年运行费用如表 4 最后一列所示，
表 4 运行费用比较
方案 A 高于方案 B。
表 5 给出了不同偿还年限情况下 2 种方案的等年值，这里的等年值综合了一次设备投资费用和年运行费用。
表52 种方案等年费用比较
由表 5 可知，方案 B 的等年值比方案 A 少了17.24%-17.59%。由此可见，对于酒泉千万千瓦级风电场并入西北电网这一案例而言，方案 B 明显优于方案 A。
结论
分频输电通过降低输电频率，降低了线路阻抗，可大幅度提高输电线路输送容量，采用交–交变频器倍频并网，是种新型交流灵活输电方式。与直流输电相比，只有一端换流站，因而更具经济优势。
参考文献：
[1] 魏晓霞.我国大规模风电接入电网面临的挑战[J].中国能源.2010(02).
[2] 王锡凡,曹成军,周志超.分频输电系统的实验研究[J].中国电机工程学报.2011(12).
[3] 孙浩然.风力发电技术综述[J].江苏电机工程.2010(04).
[4] 张乐丰,王增平.风电并网对电力系统的影响[J].江苏电机工程.2011(02).