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柔性LCC-HVDC系统经济性分析研究学术报告

一、作者与发表信息

本研究由Nan Chen（英国伯明翰大学，IEEE学生会员）、Kunpeng Zha、Haitao Qu、Fangling Li（中国电科院）、Ying Xue（华南理工大学，IEEE高级会员）及Xiao-Ping Zhang（英国伯明翰大学，IEEE/CSEE会士）合作完成，发表于CSEE Journal of Power and Energy Systems 2022年11月刊（第8卷第6期）。研究得到英国伯明翰大学与中国电科院联合项目资助（项目编号：SGN-RPG00WZQT2100564A）。

二、学术背景

研究领域：高压直流输电（HVDC）系统经济性与可靠性分析。
科学问题：传统电网换相换流器高压直流（Line-Commutated Converter HVDC, LCC-HVDC）系统在逆变侧交流故障时易发生换相失败（Commutation Failure, CF），导致功率传输中断甚至系统崩溃。现有研究虽提出多种CF抑制方法（如改进控制策略、拓扑优化），但缺乏对新型柔性LCC-HVDC拓扑经济性的系统评估。
研究目标：通过全生命周期成本分析（Life-Cycle Cost Analysis, LCCA）模型，对比四种LCC-HVDC拓扑（传统型、可控电容型、无交流滤波器型及改进无交流滤波器型）的经济性，验证其在降低成本的同时消除CF的可行性。

三、研究流程与方法

1. 拓扑设计与参数设定

   • 研究对象：基于500 kV/1000 MW单极LCC-HVDC项目，设计四种逆变站拓扑：
     
     • 拓扑1：传统LCC-HVDC（图1）；
       
     • 拓扑2：可控电容型LCC-HVDC（CC LCC-HVDC，图2），每相插入电压等级为额定直流电压28%的可控电容模块；
       
     • 拓扑3：无交流滤波器型（ACFL-CC LCC-HVDC，图3），可控电容电压等级降至14%，并联固定电容提供82.8%额定有功功率的无功补偿；
       
     • 拓扑4：改进无交流滤波器型（图4），采用VSC-HVDC变压器降低成本20%。
       
   • 关键参数：通过文献[22-24]确定电容电压等级与无功补偿比例，变压器容量因无功本地补偿减少164 MVA。

2. 成本模型构建

   • LCCA框架：总成本（CLCCA）包含投资成本（CI）、运行成本（CO）、维护成本（CM）、故障成本（CFF）及废弃成本（CD）（公式1）。
     
   • 数据来源：设备成本参考工业报价（如可控电容50 k$/kV，并联电容3 k$/Mvar），变压器成本11.9 k$/MVA，冗余设计按8%增加备件成本。

3. 案例分析与敏感性测试

   • 基础场景：假设零阻抗接地故障，计算各拓扑的CI与CLCCA。
     
   • 实际故障阻抗：引入平均线路故障电阻4.39 Ω，重新评估电容电压等级（拓扑2降至110 kV，拓扑3/4降至30 kV）。
     
   • 贴现率影响：测试3%-15%贴现率对CLCCA的敏感性。
     
   • 可靠性设计：增加8%冗余模块，分析成本变化。

4. 对比分析

   • 与传统电容换相型HVDC（CCC-HVDC）对比，评估经济性与CF消除能力。

四、主要结果

1. 投资成本（CI）

   • 零阻抗故障场景：拓扑2-4的CI分别为传统拓扑的126%、97%、88%。拓扑4成本最低，归因于变压器成本降低及无滤波器设计。
     
   • 实际故障阻抗场景：拓扑2-4的CI降至120%、90%、81%，可控电容电压等级降低显著减少成本。

2. 全生命周期成本（CLCCA）

   • 基础场景：拓扑2-4的CLCCA为传统拓扑的142%、102%、93%。拓扑4因运行损耗低（1.3 MW）及变压器效率提升（99.7%）表现最优。
     
   • 实际故障场景：拓扑3/4的CLCCA进一步降至传统拓扑的90%、81%，证明其在降低成本的同时可消除CF。
     

3. 敏感性分析

   • 贴现率在3%-15%范围内，拓扑3/4的成本优势保持稳定。
     
   • 冗余设计使拓扑2-4的CLCCA仅增加1%-2%，仍低于传统拓扑。

4. 与CCC-HVDC对比

   • 拓扑4的CLCCA比CCC-HVDC低10%，且后者无法消除CF风险。

五、结论与价值

1. 科学价值：首次系统量化了柔性LCC-HVDC拓扑的经济性，证明无交流滤波器设计（拓扑3/4）可在降低逆变站成本8%-17%的同时完全消除CF，解决了传统LCC-HVDC的固有缺陷。
   
2. 应用价值：为未来HVDC工程选型提供决策依据，尤其适用于高可靠性要求的电网场景（如多馈入直流系统）。
   
3. 创新观点：通过并联电容实现无功本地补偿，可减少变压器容量与谐波损耗，延长设备寿命。

六、研究亮点

1. 方法创新：首次将LCCA模型应用于柔性LCC-HVDC经济性评估，结合实际故障参数与冗余设计，提升结论的工程适用性。
   
2. 技术突破：拓扑4通过VSC变压器与无滤波器设计，实现成本与性能的双重优化。
   
3. 数据支撑：基于工业原型（如ABB变压器、西门子电容）的成本数据，增强结果可信度。

七、其他发现

• 隐性成本节约：无滤波器设计可减少50%电站占地面积，谐波抑制降低变压器老化速率。
  
• 社会效益：CF消除可避免大停电经济损失（如英国2019年停电损失超1500万英镑），提升电网韧性。

此研究为柔性HVDC技术的工程化推广提供了关键经济性论证，未来需通过工业级示范项目验证其规模化应用的可行性。