實(shí)現(xiàn)全球超級電網(wǎng)之夢

對于電力價(jià)格奇高，電網(wǎng)服務(wù)參差不齊的地區(qū)，居民用戶和商家自己發(fā)電和利用儲能技術(shù)是一個很好的選擇，相關(guān)的報(bào)道也比比皆是。但對于全世界其他大部分地區(qū)，則應(yīng)該將各個地區(qū)的電網(wǎng)互連，形成一個全球性的超級電網(wǎng)。 超級電網(wǎng)的理念之所以如此引入矚目是因?yàn)楫?dāng)前電網(wǎng)面臨如下挑戰(zhàn)：能源需求隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大而迅猛增加，大量零碳可再生能源(風(fēng)能和太陽能)的快速擴(kuò)張以及不斷增長的電氣和物理攻擊下保證電網(wǎng)安全的需求。規(guī)模越小且越孤立的電網(wǎng)在維持電力實(shí)時(shí)供需平衡方面的能力就越差，電網(wǎng)的更新?lián)Q代迫在眉睫。 當(dāng)前，遠(yuǎn)距離大容量低損耗的輸電技術(shù)已經(jīng)成熟，在整個大洲、甚至全球范圍內(nèi)的實(shí)現(xiàn)電力的供需平衡已經(jīng)成為可能。若某個國家發(fā)生電力中斷，幾千公里之外的電能可以彌補(bǔ)其發(fā)電功率的不足。類似的，如果一個平常依賴風(fēng)能的地區(qū)突然沒有風(fēng)，相鄰地區(qū)的電力能夠快速彌補(bǔ)風(fēng)力下降帶來的電力缺口。或者如果一個地區(qū)正經(jīng)歷暴雨，水電站則可以將這些能量儲存起來，并(以電能的方式)輸送至需要的地方。超級電網(wǎng)可以全部或幾乎全部接納當(dāng)前電網(wǎng)中的電能，因此可以有效的減少向風(fēng)電場支付補(bǔ)償費(fèi)用讓其削減發(fā)電量的情況。(儲能技術(shù)可以緩解可再生能源波動性問題，但是大規(guī)模經(jīng)濟(jì)性的儲能技術(shù)還未成熟。) 總之，超級電網(wǎng)可以將遠(yuǎn)離人口中心的電能傳輸?shù)截?fù)荷中心(譯者注：由于可再生能源發(fā)電依賴自然資源，很多大容量集中式可再生能源發(fā)電廠往往建設(shè)在偏遠(yuǎn)地區(qū))。例如， 人煙稀少的澳大利亞達(dá)爾文南部區(qū)域擁有充足的太陽能資源，據(jù)估計(jì)該地區(qū)一個養(yǎng)牛場面積大小的太陽能發(fā)電站足夠供應(yīng)整個澳大利亞的電能需求，若通過海底電纜連接到東南亞，其富余的電能還可以輸送到印度尼西亞、巴布亞新幾內(nèi)亞和新加坡。超級電網(wǎng)具有大范圍的潮流輸送和轉(zhuǎn)移能力，電網(wǎng)運(yùn)營商可以大量減少旋轉(zhuǎn)備用容量配置以提升電網(wǎng)效率。 建設(shè)一個全球超級電網(wǎng)究竟需要什么?技術(shù)上來講，這將取決于全球高壓直流輸電系統(tǒng)(HVDC)的建設(shè)情況。事實(shí)上，構(gòu)成這一系統(tǒng)的大部分組件已經(jīng)存在。除此之外，各地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)營商需考慮如何籌集足夠的資金來建設(shè)一個超級電網(wǎng)，制定各地區(qū)電網(wǎng)間進(jìn)行電力交易的規(guī)則，以及制定相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)保證該超級電網(wǎng)安全可靠地運(yùn)行。 對于超級電網(wǎng)應(yīng)該采用哪種輸電技術(shù)可以追溯至電力工業(yè)起步之初，兩個偉大的發(fā)明家托馬斯?愛迪生(Thomas Edison)和尼古拉?特斯拉(Nikola Tesla)之間展開的“交直流之戰(zhàn)”。1982年，愛迪生成功地運(yùn)營了第一座商業(yè)化的直流發(fā)電廠，但最終特斯拉的交流電技術(shù)主宰了如今的電網(wǎng)。 1895年，特斯拉所夢寐以求的美國尼亞加拉大瀑布的水利資源開發(fā)終于取得成功。幾年內(nèi)，這里所生產(chǎn)的電能通過交流輸電線路可以傳輸?shù)?700公里外的紐約市，證明了交流電的優(yōu)越性。整個20世紀(jì)，世界上所有的電力系統(tǒng)幾乎都基于交流電技術(shù)。 交流電取得勝利的關(guān)鍵是交流電可以通過電磁感應(yīng)非常容易地升到更高的電壓，從而以更低的電流輸送很長的距離，從而最小化電阻帶來的輸電損耗，隨后在進(jìn)行地區(qū)性電力配送時(shí)則會降低電壓等級。在當(dāng)時(shí)，直流輸電無法做到這一點(diǎn)。但是，電力工程師也清楚地知道，電壓較高時(shí)，直流輸電系統(tǒng)的表現(xiàn)要優(yōu)于交流輸電系統(tǒng)，因?yàn)榕c交流電相比，直流傳輸?shù)碾娔軗p失要少得多。 那么減少的損失是多少?假定通過高壓直流傳輸一定量的電能：若電壓升高1倍，則電流將降為原交流系統(tǒng)的一半，可以減少4倍的電能損失(譯者注：此處是比較電壓升高后的直流輸電與原交流輸電系統(tǒng)之間的關(guān)系)。同時(shí)，對電纜的需求也大大減少了，因?yàn)楫?dāng)直流電在通過電纜時(shí)，其內(nèi)部的電流密度是均勻分布的，而交流電在通過電纜時(shí)，邊緣的電流密度要大于導(dǎo)體中心的電流密度，甚至中心沒有電流通過。即便是同一尺寸的導(dǎo)線，交流輸電的阻抗更大，將有更多電能以熱能的形式損失掉。在實(shí)際運(yùn)行中，這意味著在輸電線路建設(shè)時(shí)交流輸電對基礎(chǔ)設(shè)施的需求更大。例如利用765kV 交流輸電系統(tǒng)傳輸6000MW電能，需要三根單回輸電線，輸電走廊需要180米寬。與之相比，800kV直流輸電系統(tǒng)的輸電走廊只需80米寬。 HVDC也能非常容易的實(shí)現(xiàn)兩個不同頻率電網(wǎng)間的電能傳輸。但與交流輸電線路相比，HVDC系統(tǒng)中換流器、電纜和斷路器等設(shè)施的造價(jià)更加昂貴，因此通常輸電距離大于500公里時(shí)HVDC技術(shù)才具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。隨著關(guān)鍵器件成本的降低，HVDC的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢會更加顯著。 鑒于直流輸電技術(shù)的這些優(yōu)勢，整個20世紀(jì)，電力工程師們不斷嘗試各種直流輸電技術(shù)。高壓直流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵組件是位于輸電線兩端的交直流換流器，它可以將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，通過直流線路將直流功率傳輸?shù)搅硪欢说膿Q流器再轉(zhuǎn)化為交流電。在1960年代，換流器主要采用汞弧閥技術(shù)，這種電子開關(guān)只能打開但不能關(guān)閉，大范圍使用受到限制。 1970年代出現(xiàn)了新一代的換流技術(shù)——水冷晶閥管，一種既能打開又能關(guān)閉的大型固態(tài)開關(guān)。1978年，世界首個采用晶閥管技術(shù)的直流輸電工程在Nelson River建成，將位于加拿大馬尼托巴省北部的水力發(fā)電站的電能通過該輸電線送至加拿大人口密集的南部。 之后，HVDC技術(shù)在北美的發(fā)展十分有限，但在巴西、中國、印度、和西歐則取得了飛速發(fā)展。1990年代末，隨著半導(dǎo)體器件技術(shù)的進(jìn)步，絕緣柵雙極型晶體管(IGBTs)的出現(xiàn)使得HVDC技術(shù)得到了更廣泛的應(yīng)用，絕緣柵雙極型晶體管每周期的開斷可以切換多次，當(dāng)前最先進(jìn)的絕緣柵雙極型晶體管的打開(關(guān)閉)只需十億分之一秒。 目前最廣泛使用的HVDC換流器是電壓源換流器(VSC)。雖然傳統(tǒng)換流器依然在更高電壓、更高容量的輸電系統(tǒng)中應(yīng)用，但VSC便于直流線路整合到現(xiàn)有電網(wǎng)中。1997年3月世界上第一個采用VSC的直流輸電工程在瑞典的Hellsjon和Grangesberg投入使用，其輸送功率和電壓分別只有3 MW和10 kV。5年后，該技術(shù)又被用于長島海峽(位于美國紐約州和康涅狄格州之間)的Cross-Sound Cable 工程之中，其輸送功率達(dá)到了330MW，但轉(zhuǎn)換中的電能損失依然較高，達(dá)到了2.5%。目前，最先進(jìn)的VSC已經(jīng)可以將損失降至1%。 此外，目前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)在一條HVDC線路上擁有多個終端(即多端直流輸電技術(shù))，除了直流輸電線路的兩端，線路的中間點(diǎn)也可以接入換流器，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)直流聯(lián)網(wǎng)，這使控制方法更加復(fù)雜，但也可能使電網(wǎng)更加強(qiáng)壯。 全球超級電網(wǎng)計(jì)劃的起步 Desertec項(xiàng)目：該項(xiàng)目在2009年首先由德國公司領(lǐng)頭的財(cái)團(tuán)提出，旨在開發(fā)地中海和世界上其他沙漠區(qū)域的太陽能，再通過HVDC傳輸?shù)饺丝诿芗呢?fù)荷中心。 Medgrid項(xiàng)目：類似于Desertec項(xiàng)目，該項(xiàng)目呼吁在北非開發(fā)20 GW太陽能電站，其中5GW電能將傳輸?shù)綒W洲。Medgrid電網(wǎng)將成為歐洲超級電網(wǎng)的骨干。中國超級電網(wǎng)項(xiàng)目：為了將北方的太陽能和風(fēng)能，以及南方的水能傳輸?shù)綎|南部城市，中國已經(jīng)安裝了世界上規(guī)模最大的高壓交直流網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)在正在建設(shè)13到20條新的HVDC線路繼續(xù)擴(kuò)張電網(wǎng)規(guī)模。 Gobitec項(xiàng)目：同樣以Desertec項(xiàng)目為模板，Gobitec項(xiàng)目將在戈壁沙漠開發(fā)風(fēng)能和太陽能，并通過HVDC網(wǎng)絡(luò)將電能從北部的伊爾庫茨克(俄羅斯)傳輸?shù)侥喜康纳虾?中國)和首爾(韓國)，以及東部的東京(日本)。 東南亞超級電網(wǎng)項(xiàng)目：該項(xiàng)目是通過建設(shè)海底HVDC電纜從澳大利亞北部海岸沿著印度尼西亞群島，連接到菲律賓、馬來西亞、中南半島和中國，目的是將澳大利亞北部豐富的太陽能傳輸?shù)綎|南亞國家。 亞洲超級電網(wǎng)項(xiàng)目：該項(xiàng)目將在中國、日本、韓國和蒙古，甚至可能包括俄羅斯之間建立電網(wǎng)連接，以便更自由地在各國之間進(jìn)行電力交易。日本軟銀的總裁孫正義是該項(xiàng)目堅(jiān)定的支持者。 北歐電網(wǎng)項(xiàng)目：到2030年，北歐的風(fēng)力和水力發(fā)電預(yù)計(jì)將大幅增長。雖然許多北歐國家的電網(wǎng)之間已經(jīng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，但北歐的電網(wǎng)還需進(jìn)一步發(fā)展，以便向歐洲其他國家傳輸富余的電能。 北海海上電網(wǎng)項(xiàng)目：類似于北歐電網(wǎng)項(xiàng)目，計(jì)劃開發(fā)北海和波羅的海的風(fēng)能并傳輸?shù)狡渌胤健?Ice link項(xiàng)目：該項(xiàng)目是一個60年前就萌發(fā)的想法，通過蘇格蘭將冰島的電網(wǎng)與歐洲的電網(wǎng)相連。歐洲越來越高的電價(jià)以及更高的可再生能源目標(biāo)，使得該項(xiàng)目越來越有吸引力。 巴西超級電網(wǎng)項(xiàng)目：為了充分利用內(nèi)陸的水資源，巴西正在建設(shè)的超級電網(wǎng)，包括高壓交流輸電線路和600kV的直流輸電線路，其中還包括沿著長達(dá)2385公里長馬德拉河(Rio Madeira)的世界上最長的輸電線路。 氫-電能源超級網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目：設(shè)想中的氫-電能源超級網(wǎng)絡(luò)將是一個橫跨整個大洲的地下HVDC傳輸網(wǎng)絡(luò)，其能量來源將是以氫為燃料的先進(jìn)核反應(yīng)堆。由超導(dǎo)電纜制成的傳輸線路將在輸電的同時(shí)傳輸氫能以冷卻導(dǎo)線。氫能還將在白天提供能源儲備來平衡能量消耗高峰。多余的氫能可以在當(dāng)?shù)氐碾娏κ袌龀鍪刍蛴糜谄渌虡I(yè)用途。 大西洋風(fēng)能互聯(lián)項(xiàng)目：該項(xiàng)目的輸電線路橫跨新澤西州和佛吉尼亞州(位于美國的中大西洋地區(qū))，通過海上輸電線路連接由聯(lián)邦政府指定的風(fēng)能開發(fā)區(qū)域的風(fēng)電場。 全球超級電網(wǎng)還需要能夠快速響應(yīng)的大容量斷路器，能夠承受超過60千安培的短路電流并在毫秒內(nèi)對檢測到的故障做出響應(yīng)。三年前瑞士ABB公司推出的混合式斷路器的性能已經(jīng)十分接近這個目標(biāo)。今年初，西門子宣布已成功地在四川溪洛渡—浙江金華的HVDC線路上測試了5 千安培斷路器。阿爾斯通也推出了類似性能的斷路器原型。但依然還需要做很多努力降低這些斷路器的成本和尺寸，并提升它們的性能。 長遠(yuǎn)來看，高溫超導(dǎo)材料逐步代替銅或鋁電纜將加快全球超級電網(wǎng)的部署，因?yàn)槌瑢?dǎo)材料能夠以接近零的能量損耗傳輸更多的電能。盡管超導(dǎo)材料需要冷卻到液氮溫度(低于77 開爾文)，但制冷產(chǎn)生的成本還不到傳統(tǒng)的交流和直流架空輸電線路電能損失的一半。此外與傳統(tǒng)電纜相比，超導(dǎo)直流電纜的線路走廊更窄。目前，已經(jīng)有好幾個工程成功測試了短距離超導(dǎo)電纜傳輸，比如韓國濟(jì)州島上的500米、80 kV直流線路工程。但是，與傳統(tǒng)電纜相比，當(dāng)前超導(dǎo)電纜的制造成本依然高很多。 另一個有前途的領(lǐng)域涉及了非硅材料的先進(jìn)電力電子器件。硅具有資源豐富、成本低廉、加工簡單、以及室溫運(yùn)行等特點(diǎn)，因此它成為了半導(dǎo)體器件的首選材料。但針對HVDC網(wǎng)絡(luò)中功率切換要求，碳化硅、氮化鎵等新型材料具有更好的前景。與傳統(tǒng)硅相比，這些寬帶隙半導(dǎo)體材料能夠工作在更好的溫度，支持更高的電流和電壓，電阻也更小。如果，這些寬帶隙半導(dǎo)體材料能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化，將能夠在減少成本的同時(shí)，增強(qiáng)HVDC換流器的功能。 那么，我們應(yīng)該從哪里開始建設(shè)全球超級電網(wǎng)?顯然，在電網(wǎng)技術(shù)，尤其是HVDC的發(fā)展和部署已經(jīng)處于世界領(lǐng)先地位的中國作為超級電網(wǎng)的建設(shè)起點(diǎn)，將是一個不錯的選擇。中國已經(jīng)開始開發(fā)其北部非常豐富的太陽能和風(fēng)能資源，以及南部豐富的水能資源。為了將約1300GW的電能傳輸?shù)綎|部和南部的人口和工業(yè)中心，中國已經(jīng)建設(shè)了全世界規(guī)模最大的HVAC和HVDC電網(wǎng)，并計(jì)劃在未來五年建造13到20條特高壓直流輸電線路(UHVDC，800-1100 kV)。這些項(xiàng)目的投資金額十分巨大：2014年中國對此類項(xiàng)目的投資額達(dá)到了650億美元，預(yù)計(jì)未來五年的資金投入規(guī)模會繼續(xù)維持在這一高位。國際能源署(IEA)估計(jì)， 到2040年中國需要花費(fèi)超過4萬億美元徹底改變電力傳輸和配送的方式。中國電力科學(xué)研究院的負(fù)責(zé)可再生能源和智能電網(wǎng)技術(shù)的副院長姚良忠說，他的團(tuán)隊(duì)正在研究連接中國、歐洲、中東和北非的洲際輸電網(wǎng)的可行性。 歐洲是另一個全球電網(wǎng)建設(shè)可能的起點(diǎn)。自2008年以來，歐洲委員會(European Commission)一直在呼吁建設(shè)泛歐洲超級電網(wǎng)計(jì)劃。該計(jì)劃由代表34個歐洲國家的41個電網(wǎng)運(yùn)營商的歐洲電力傳輸系統(tǒng)運(yùn)營商(European Network of Transmission SystemOperators for Electricity，ENTSO-E)牽頭。 泛歐洲超級電網(wǎng)計(jì)劃是建設(shè)一個連接歐洲國家與包括哈薩克斯坦、北非和土耳其在內(nèi)的周邊地區(qū)的HVDC網(wǎng)絡(luò)。德國卡塞爾大學(xué)的Gregor Czish研究發(fā)現(xiàn)，基于泛歐洲超級電網(wǎng)，歐洲大部分的能源需求可以由風(fēng)力發(fā)電提供，只需部署少量的生物質(zhì)發(fā)電作為補(bǔ)充。一個名叫超級電網(wǎng)聯(lián)盟(Friends of the Supergrid)的工業(yè)團(tuán)體也一直在呼吁推動實(shí)現(xiàn)這一雄心勃勃的計(jì)劃所需要的技術(shù)、監(jiān)管和融資業(yè)務(wù)。 SiemensFrench Connection：最近竣工的法國與西班牙之間的HVDC互聯(lián)線路使得兩國之間的電能傳輸容量達(dá)到了原來的兩倍，線路兩端都有圖中所示的換流站，將高壓的交流電轉(zhuǎn)為直流電，也可以將直流轉(zhuǎn)為交流電。 到目前為止，歐洲許多關(guān)鍵的HVDC線路的互聯(lián)已經(jīng)基本完成或者已經(jīng)達(dá)到計(jì)劃中較晚期的階段，包括能源豐富的德國北部和能源匱乏的德國南部電網(wǎng)的連接(該項(xiàng)目金額達(dá)100億歐元)，還有兩個連接德國和挪威、挪威和丹麥的HVDC線路，以及新近竣工的法國和西班牙的互聯(lián)線路。 可以確定的是，全球超級電網(wǎng)的建設(shè)還需要相當(dāng)多的基礎(chǔ)設(shè)施：據(jù)筆者的估計(jì)，根據(jù)規(guī)劃中的項(xiàng)目和某些地區(qū)所假定的冗余程度，大約需要10萬公里的HVDC線路和115座電能換流站。其中，有幾個換流站是“超級換流站”，例如新墨西哥州Tres Amigas項(xiàng)目中的換流站。Tres Amigas項(xiàng)目計(jì)劃連接北美的三個主要電網(wǎng)(西部電網(wǎng)、東部電網(wǎng)和德克薩斯州電網(wǎng))，還提供一些富余電能儲存容量。全球電網(wǎng)需要將全球任何地方的相似的區(qū)域性電網(wǎng)相連接。(見“全球超級電網(wǎng)計(jì)劃的起步”，列出了亞洲、歐洲以及其它地方所提出的超級電網(wǎng)計(jì)劃) 目前，全球超級電網(wǎng)面臨的最大障礙是如何籌集資金。由于項(xiàng)目的宏大規(guī)模和復(fù)雜程度，很難針對需要的資金給出一個確定的數(shù)字，但超級電網(wǎng)的支持者認(rèn)為其帶來的收益將遠(yuǎn)超過成本支出。2013年，在Renewable Energy雜志上由Spyros Chatzivasileiadis， Damien Ernst， 以及 G?ran Andersson發(fā)表的一篇文章，回顧了超級電網(wǎng)的已有研究以及已經(jīng)竣工的各個工程，評估了建造一條5500公里(該長度足夠連接紐約和葡萄牙的波爾圖)，800 kV，3GW海底HVDC電纜所需要的代價(jià)。(目前，800kV電壓等級的海底電纜還無法實(shí)現(xiàn)商業(yè)化)。該文的作者們總結(jié)到：電纜本身將花費(fèi)大約115萬歐元/公里～180萬歐元/公里，兩個終端的換流器將花費(fèi)3億歐元。假定傳輸中的電能損失為3%，電纜的服役年限是40年，研究者們估計(jì)通過該電纜傳輸?shù)碾娔軆r(jià)格在0.0166-0.0251歐元/千瓦時(shí)(0.0189-0.0286美元/千瓦時(shí))之間。相對應(yīng)的，美國居民支付的輸電價(jià)格約為 0.011美元/千瓦時(shí)(不含發(fā)電成本)。由于運(yùn)營商能夠從最便宜的地方購電，因此由HVDC輸送的電能價(jià)格要比當(dāng)前的電能價(jià)格低很多。 世界各國組織和資助建設(shè)全球超級電網(wǎng)的前提是各國對可再生能源(或核能)的態(tài)度達(dá)成共識。如果對溫室氣體排放征稅能夠達(dá)成全球性的共識，將會給向零碳能源轉(zhuǎn)型提供金融激勵，從而加速推進(jìn)全球超級電網(wǎng)的建設(shè)。超級電網(wǎng)建設(shè)的起步階段將主要依賴于政府資助，而一旦這個階段完成之后，碳稅將幫助吸引更多的私人投資者。 除了財(cái)政之外，政府和電網(wǎng)運(yùn)營商間需建立相應(yīng)的電能自由交易的規(guī)則。通過一個統(tǒng)一的電能批發(fā)市場，或者分割成多個區(qū)域性市場，超級電網(wǎng)的運(yùn)營會更有效率。 此外，還需考慮如何更好地將現(xiàn)有的電網(wǎng)和未來的超級電網(wǎng)進(jìn)行融合。如前文所述，中國和歐洲都在規(guī)劃HVDC輸電網(wǎng)絡(luò)，但美國的輸電規(guī)劃很大程度上依然是州等級的規(guī)劃，部分原因是各個州控制著土地使用并監(jiān)管著私營的電力公用事業(yè)企業(yè)。超級電網(wǎng)連接點(diǎn)位置的選擇、如何部署HVDC網(wǎng)絡(luò)，電壓等級、使用架空電纜還是海底電纜系統(tǒng)等技術(shù)的選擇或項(xiàng)目的組織，都需要反復(fù)推敲才能確定。 最后還需注意的一點(diǎn)是，全球超級電網(wǎng)能夠安全、可靠和穩(wěn)定的運(yùn)行還需要各參與方在決定輸電線路、換流站和發(fā)電機(jī)參數(shù)的一些技術(shù)規(guī)格上達(dá)成一致。 必須承認(rèn)，全球超級電網(wǎng)的建設(shè)需要投入大量的資金，也肯定會需要幾十年的時(shí)間才能完成。但這種全球性的互聯(lián)合作已經(jīng)在國際運(yùn)輸和電信行業(yè)有成功的先例，另一方面，比起什么都不做或繼續(xù)嚴(yán)重依賴化石能源為主的、低效的、互相隔離的電網(wǎng)，全球超級電網(wǎng)付出的代價(jià)顯然更少。