覆盖中国的超级电网

EETOP 2022-02-08 12:13

以下文章来源于悦智网 ，作者Peter Fairley

悦智网 .

悦智网是IEEE Spectrum中文版《科技纵览》杂志官网。IEEE Spectrum是国际期刊界卓越的技术写作和报道的一盏明灯。我们旨在提供一个跨学科技术领域的“全局”，让读者了解工程学、科学和技术领域的创新成果与发展趋势。

图片
━━ ━━
在中国西北部狂风肆虐、一片荒凉的河西走廊上，矗立着一座孤独的公用电站。2000多年前，来自中亚和欧洲的丝绸之路贸易商穿过这片贫瘠、狭窄的平原，跨越南面的险峻群山和北面的茫茫戈壁，满载着珍贵货物向着当时的皇城北京进发。如今，这条走廊承载着一种独特的现代商品：为中国东部大城市输送的数千兆瓦电功率。这个过程中的一个关键路点就是特高压（UHV）换流站，位于甘肃省酒泉市城外。
该地区风电场、太阳能电站和燃煤电厂生产的电力以交流电的形式送达该站点。24台重500吨的变压器将交流电馈入一个巨大的大厅，大厅内28米高的天花板上悬挂着交直流变频电路，持续地发出嗡鸣。每条电路内的固态开关晶闸管将交流电转换为800千伏的直流电输出。
图片
从这里开始，输电线路途经另外3个省份，最终进入2300多公里外湖南省的一座合作电站。在那里，直流电又被转换为交流电，并被馈入区域电网。自2017年年中开通以来，这条价值262亿元人民币的甘肃—湖南输电线已输送了约24太瓦时的电力。
新线路的庞大规模和先进的电网技术令其他国家相形见绌。而这条新线路不过是中国电网建设的一个小小的组成部分，中国电网运营者在过去10年里共建成了22个特高压超级项目。在新疆西北部，中国近期开通了其最大的特高压线路：一条造价逾407亿元的1100千伏直流电路。这条新线路的输电塔更高，线路更强健，与甘肃—湖南输电线并行穿过河西走廊，馈入东部的安徽省。
图片
一个全国性的超级电网就此形成，它将连通中国的6个区域电网，协调中国清洁电力生产区（北部和西部）和电力消费区（人口稠密的东部）之间巨大的地区差异。相对交流电而言，直流电能够更均匀地流过导体。通过使用电压更高的直流电，新的传输线路大大降低了传输过程中的电力损耗。
就在中国庆祝3万多公里特高压线路竣工之际，电力工程师们依然在为由此形成的交直流混合输电系统而奋战。他们必须确保新的长距离直流输电线路不会破坏中国区域交流电网的稳定性。例如，如果源自甘肃的8千兆瓦直流输电线路意外停运，电力冲击可能会导致湖南乃至其他地区大面积停电。
图片
为了最大程度地降低这种威胁，运营中国大部分输配电网络的国有企业——中国国家电网公司特意将这条线路的输送能力限制在了4.5千兆瓦以下。实际上，这条线路的平均承载容量还不到设计容量的1/4。因此，2017年甘肃省有超过1/3的理论风力发电和1/5的太阳能发电潜力未得到利用。邻近地区的其他特高压线路也同样在低容量运行。东部省份还没有足够的动力引入更多特高压线路提供的较为清洁的能源。
国家电网公司的工程师表示，这两个问题的最终解决方案是加大特高压的投入力度。他们认为，中国必须通过特高压直流线路输送更多能源，最大限度地利用可再生能源，同时减少对煤炭的依赖。此外，国家电网公司还在建设一批世界领先的特高压交流输电线，帮助华东地区的交流电网吸收这些大型线路输出的电力。
图片
国家电网中国电力科学研究院电力系统规划副主任秦晓辉表示：“特高压交流电网就像一个深水港，特高压直流电网则像一条万吨船舶。只有深水港才能支撑万吨重的船。”
与此同时，各国电力部门都在密切关注。匹兹堡大学能源中心负责人、直流输电专家格雷戈里•里德（Gregory Reed）称，中国的特高压电网远远领先于世界其他地区。“他们正在进行重大投资，从起步之初就达到了最高技术水平。无论哪个国家都无法与之匹敌。这种局面类似于有人驾驶F1赛车飞驰而过，而我们还在蹬自行车。”
━━ ━━
中国的特高压建设计划最初是在一辆车里诞生的。2004年末，时任国家电网董事长的刘振亚与国家发改委主任马凯共乘一辆车。中国政策专家徐义冲在其2017年的著作《肌肉力量：中国国家电网公司的政治》（Sinews of Power，牛津大学出版社）中描述，马凯主任对当下严重的电力短缺状况表示关注。刘振亚形容当时的中国国家电网“脆弱且碎片化”，没有足够的设备来交换大量电力。他提出了一个大胆的解决方案：利用最先进的特高压技术铺设横跨中国的大规模输电线路。
一年之内，国家发改委批准了一项雄心勃勃的综合性计划，基本符合刘振亚的愿景。它结合了适合远距离传输大量电力的特高压直流线路，以及能够可靠地将电力分配给消费者的特高压交流主干网。该工程由国家电网公司主导，确保90%的特高压设备由中国国内供应商生产，从而为中国创建一个新的高技术出口领域。
在接下来的10年里，有约2000名国家电网公司工程师参与这个项目，300多名教授和1000多名来自中国各个大学的研究生进行电网相关的研发。国家电网公司扩大并调整了研究中心的工作重点，对特高压的具体相关问题进行攻关，包括如何安全处理更高的电磁场以及整流和故障期间更强的脉冲。
2009年1月，国家电网公司启动了首条特高压示范线——一条连接华北和华中地区电网、长达650公里的1000千伏特高压交流输电线路。10年过去了，在拟建的30条特高压线路中，国家电网公司已经完成了19条。在中国核电产能扩张延迟，地方煤电的发展因空气质量问题也受到限制的情况下，这种积极的扩建帮助上海等快速发展的城市中心避免了电力短缺。全新特高压电网也在帮助中国引领全球向可再生能源发电转型，中国仅2017年就输送了161.5太瓦时的水电、风电和太阳能电力。
ABB、西门子和其他国际电力技术公司在开发和验证中国特高压电网关键组件方面发挥了重要作用，国家电网公司坚持就其要求开发的技术共享知识产权。
在2014年的一次采访中，国家电网公司副总经理刘泽洪讲述了2006年的一段紧张的插曲，当时国家电网公司要求国际供应商协助开发6英寸晶闸管，它能比5英寸晶闸管处理更多电流。刘泽洪说，供应商起初犹豫不决，但考虑到国家电网公司的“坚定态度”和中国市场的“巨大市场机遇”，最终还是让步了。两年后，中国公司开始制造6英寸的开关。
━━ ━━
尽管中国国家电网取得了巨大进展，但其特高压线路的部署仍不均衡且不完备。到2020年，中国计划铺设的8.9万公里特高压线路可能仅有半数完工，而且拟铺设的邻接哈萨克斯坦、蒙古和俄罗斯的特高压线路也将延后完成。许多拟建项目，尤其是特高压交流电主干网相关项目都未获国家发改委批准。因此，许多地区仍然没有特高压交流电线路，两类特高压线路的发展都远低于预期。
有关特高压未来前景的激烈辩论阻碍了特高压的全面部署。一些中国电网专家对特高压项目数千亿元的花费存在质疑，在他们看来，国家电网公司在电网工程和制造上处于垄断地位。省级官员对特高压要求的集中化电网规划和运行也感到为难。
一些专家也质疑建立特高压交流主干网的最终目标（即连接和同步中国的区域电网），他们认为此举过于冒险。中国工程院院士、清华大学教授韩英铎告诫说，电网一体化后，中国将更容易受到级联停电的威胁，2003年美国东北部和加拿大的停电事故已经为我们敲响警钟。
建设特高压交直流混合电网在世界上尚无先例，国家电网公司工程师不得不摸索前进。在传统的低压网络中，电网运营者通常会储备应急电力，以备电网最大资产突然产生损失时使用。这可能意味着运营者要备好1～2千兆瓦的额外发电功率。
图片
如果在当前电网中增加多条特高压线路，每条线路的功率为8～12千兆瓦，那么对备用电力的要求会大大提高。
在特高压电网中维持理想电压也极具挑战性。基于晶闸管的特高压换流器消耗的是无功功率，这在电流和电压相位不一致的交流系统中会出现。（相比之下，有功或有效功率是电网负荷实际消耗的功率；它的电流和电压波一致。）特高压换流器消耗无功功率，往往会拉低周围交流线路的电压，因此换流站要配备提供无功功率和支撑交流电压的设备。
如果交流线路的电压骤降，附近的换流器将消耗更多的无功功率，进一步拉低电压。电压骤降也会破坏晶闸管切换电流路径的能力（这个过程被称为整流）。严重的整流故障将造成换流器关闭，使交流电压进一步下降，并启动潜在的破坏性反馈回路，最终可能导致停电。国家电网公司中国电力科学研究院系统规划专家秦晓辉表示：“连续的直流整流故障会引发连锁反应。”
国家电网公司国家电力调度控制中心（位于北京）的系统操作员张放指出，由此造成的停电可能会以极快的速度影响诸多地区。特高压直流电路意外中断时，它会在数百公里乃至数千公里以外的交流电网上产生功率骤增。张放称：“特高压直流线路实际上起到了放大器的作用。接收端一次小小的交流干扰就可能演变成发送端电网的一次大型交流干扰。”
为了将多次换流器故障和级联停电风险降至最低，国家电网公司华东地区电网的工程师部署了一个光纤控制网络，可以自动重新平衡供需。必要时，可以使用一组内置于华东电网交直流换流器中的故障响应装置，在电压下降的200毫秒内提高线路电压。一旦光纤网络发现特高压直流线路故障，换流器就会在其余直流线路上额外供应10%的电量，以保证电网正常运行。这种光学控制方案还可以通过释放抽水蓄能电厂（通过抽水至上水库蓄能）的电量来恢复平衡。此外，它还能触发小型可控停电，关闭一些配电馈线以减少需求，同时分散医院负荷和其他基本负荷。
通过这些措施，从中国西南电网输送水电的3条特高压直流输电线路能够以21.6千兆瓦的联合设计功率持续运行。就此获得了电力三方共赢：中国城市化和工业化最密集的大上海地区获得了更多清洁能源；长三角的巨型水坝在汛期溢水量减少；中国国家电网从特高压投资中获得了更多收益。即便如此，上海每年夏季仍会面临数周的电力短缺，供电部门要求工业用电大户停产限产。要想跟上增长步伐，上海可能需要在10年内引入3倍电力输入。
━━ ━━
在北京的国家电力调度控制中心，通过国家电网公司特高压线路输送更多清洁电力的压力日益增长。主屏幕显示了交直流干线的状态，提供了整个系统的实时视图。左墙上主要是追踪25个省份可再生能源弃能状况的警示灯，以及修复责任方。绿灯表示所有潜在太阳能和风能皆在利用中。蓝色、黄色和橙色的灯则表示可再生能源存在不同程度的浪费情况，国家电网公司的省级、地区级或国家级控制机构必须分别设法制止这些浪费。
张放说：“我们决心要最大限度地使用可再生能源。这是我们的职责所在。”控制机构可能会将电力从电力需求较低的省份转移到电力需求较高的省份。或者将电力输送到国家电网的21座抽水蓄能电厂，这些电厂可吸收的总功率高达19千兆瓦。
理论上，中国法律一直要求电网运营者优先考虑可再生能源，但实际上，每个省份都有自己的规划和重点工作，这往往有利于当地发电事业。例如，彭博新能源财经的分析人士称，上海以南的浙江省强烈反对引入电力，这阻碍了宁夏一条8千兆瓦特高压直流输电线路的接入运行。
2018年的一个多风而阳光明媚的日子，我参观了甘肃的直流换流站，其特高压线路的运行功率仅为3千兆瓦，远远低于其8千兆瓦的额定功率。这是几个可再生能源电厂的累计产量。其实该省另外还有15千兆瓦的太阳能和风能发电连接到了新线路，但尚未获得向新线路输电的许可。
改变即将来临。在我到访的两个月后，沿海的江苏省电力公司签订协议，通过另一条特高压直流线路从甘肃最大的风电场购买电力。2018年11月，国家电网公司开始从青海省铺设一条特高压直流输电线路，用以输送来自甘肃的更多可再生能源电力。与此同时，国家发改委正通过强制要求每个地区达到可再生能源的最低使用率来刺激需求。
图片
专家表示，国家电网公司互通区域电网的长期目标还应包括降低弃能。清华大学可再生能源整合专家张宁指出，西南电网的水力发电可以平衡西北风能和太阳能发电量的波动。他预计：“如果将西部互通起来，那里的弃风量可以从20%多降至5%。”这两个地区的煤炭使用量也可相应减少。
━━ ━━
中国国家电网公司在解决特高压电网问题的同时，正将其设备和专业技术向海外推广。中国通过国际电工委员会和IEEE率先制定了9项特高压标准。位于美国伊利诺伊州的阿贡国家实验室的研究人员称，这一举措将帮助中国供应商“将其他供应商挤出全球市场”。
中国国家电网公司已经在着手开展首个国际特高压直流项目：两条800千伏的线路将从巴西贝罗蒙提（Belo Monte）的巨型大坝输送电力。不过随后的特高压推广销售进展缓慢，原因可能在于大多数国家还不需要或负担不起1000千伏交流或直流线路。
国家电网公司前董事长刘振亚依然勇往直前，现正积极投身于建设跨大陆和洲际特高压电网。这条从新疆到安徽的1100千伏线路所用到的技术，可以有效地将电力输送到5000公里以外。ABB四方电力系统有限公司（瑞士电力工程巨头ABB与北京四方继保自动化股份有限公司在北京成立的合资企业）的总经理马格努斯•卡拉维克（Magnus Callavik）说：“这条线朝西发展即可接近欧洲，技术颇为可行。”
卡拉维克表示，他相信迟早会出现大洲规模的特高压直流输电。在这个必须脱碳的世界里，人们越来越关注如何平衡太阳能和风能等可变能源供应与地区负荷之间的关系。卡拉维克还说：“电力传输是一种非常经济有效的方式。”
中国面临的问题是，国家电网公司如何才能迅速消除技术和政治障碍，充分发挥特高压的减排潜力。如果中国继续高度依赖煤电，那么来自数千公里外的煤电将有助于中国东部大城市的空气净化，但中国的碳足迹将保持不变，对全球气候的贡献将为零。另一方面，通过特高压电网调动数千兆瓦的可再生能源电力有望给中国和世界带来真正的改变。
作者：Peter Fairley

精品IC课程打折倒计时！

图片