实现全球超级电网之梦

对于电力价格奇高，电网服务参差不齐的地区，居民用户和商家自己发电和利用储能技术是一个很好的选择，相关的报道也比比皆是。但对于全世界其他大部分地区，则应该将各个地区的电网互连，形成一个全球性的超级电网。 超级电网的理念之所以如此引入瞩目是因为当前电网面临如下挑战：能源需求随着城市规模的不断扩大而迅猛增加，大量零碳可再生能源(风能和太阳能)的快速扩张以及不断增长的电气和物理攻击下保证电网安全的需求。规模越小且越孤立的电网在维持电力实时供需平衡方面的能力就越差，电网的更新换代迫在眉睫。 当前，远距离大容量低损耗的输电技术已经成熟，在整个大洲、甚至全球范围内的实现电力的供需平衡已经成为可能。若某个国家发生电力中断，几千公里之外的电能可以弥补其发电功率的不足。类似的，如果一个平常依赖风能的地区突然没有风，相邻地区的电力能够快速弥补风力下降带来的电力缺口。或者如果一个地区正经历暴雨，水电站则可以将这些能量储存起来，并(以电能的方式)输送至需要的地方。超级电网可以全部或几乎全部接纳当前电网中的电能，因此可以有效的减少向风电场支付补偿费用让其削减发电量的情况。(储能技术可以缓解可再生能源波动性问题，但是大规模经济性的储能技术还未成熟。) 总之，超级电网可以将远离人口中心的电能传输到负荷中心(译者注：由于可再生能源发电依赖自然资源，很多大容量集中式可再生能源发电厂往往建设在偏远地区)。例如， 人烟稀少的澳大利亚达尔文南部区域拥有充足的太阳能资源，据估计该地区一个养牛场面积大小的太阳能发电站足够供应整个澳大利亚的电能需求，若通过海底电缆连接到东南亚，其富余的电能还可以输送到印度尼西亚、巴布亚新几内亚和新加坡。超级电网具有大范围的潮流输送和转移能力，电网运营商可以大量减少旋转备用容量配置以提升电网效率。 建设一个全球超级电网究竟需要什么?技术上来讲，这将取决于全球高压直流输电系统(HVDC)的建设情况。事实上，构成这一系统的大部分组件已经存在。除此之外，各地区电网运营商需考虑如何筹集足够的资金来建设一个超级电网，制定各地区电网间进行电力交易的规则，以及制定相应的技术标准保证该超级电网安全可靠地运行。 对于超级电网应该采用哪种输电技术可以追溯至电力工业起步之初，两个伟大的发明家托马斯?爱迪生(Thomas Edison)和尼古拉?特斯拉(Nikola Tesla)之间展开的“交直流之战”。1982年，爱迪生成功地运营了第一座商业化的直流发电厂，但最终特斯拉的交流电技术主宰了如今的电网。 1895年，特斯拉所梦寐以求的美国尼亚加拉大瀑布的水利资源开发终于取得成功。几年内，这里所生产的电能通过交流输电线路可以传输到 700公里外的纽约市，证明了交流电的优越性。整个20世纪，世界上所有的电力系统几乎都基于交流电技术。 交流电取得胜利的关键是交流电可以通过电磁感应非常容易地升到更高的电压，从而以更低的电流输送很长的距离，从而最小化电阻带来的输电损耗，随后在进行地区性电力配送时则会降低电压等级。在当时，直流输电无法做到这一点。但是，电力工程师也清楚地知道，电压较高时，直流输电系统的表现要优于交流输电系统，因为与交流电相比，直流传输的电能损失要少得多。 那么减少的损失是多少?假定通过高压直流传输一定量的电能：若电压升高1倍，则电流将降为原交流系统的一半，可以减少4倍的电能损失(译者注：此处是比较电压升高后的直流输电与原交流输电系统之间的关系)。同时，对电缆的需求也大大减少了，因为当直流电在通过电缆时，其内部的电流密度是均匀分布的，而交流电在通过电缆时，边缘的电流密度要大于导体中心的电流密度，甚至中心没有电流通过。即便是同一尺寸的导线，交流输电的阻抗更大，将有更多电能以热能的形式损失掉。在实际运行中，这意味着在输电线路建设时交流输电对基础设施的需求更大。例如利用765kV 交流输电系统传输6000MW电能，需要三根单回输电线，输电走廊需要180米宽。与之相比，800kV直流输电系统的输电走廊只需80米宽。 HVDC也能非常容易的实现两个不同频率电网间的电能传输。但与交流输电线路相比，HVDC系统中换流器、电缆和断路器等设施的造价更加昂贵，因此通常输电距离大于500公里时HVDC技术才具有经济优势。随着关键器件成本的降低，HVDC的经济优势会更加显著。 鉴于直流输电技术的这些优势，整个20世纪，电力工程师们不断尝试各种直流输电技术。高压直流输电系统的关键组件是位于输电线两端的交直流换流器，它可以将交流电转换为直流电，通过直流线路将直流功率传输到另一端的换流器再转化为交流电。在1960年代，换流器主要采用汞弧阀技术，这种电子开关只能打开但不能关闭，大范围使用受到限制。 1970年代出现了新一代的换流技术——水冷晶阀管，一种既能打开又能关闭的大型固态开关。1978年，世界首个采用晶阀管技术的直流输电工程在Nelson River建成，将位于加拿大马尼托巴省北部的水力发电站的电能通过该输电线送至加拿大人口密集的南部。 之后，HVDC技术在北美的发展十分有限，但在巴西、中国、印度、和西欧则取得了飞速发展。1990年代末，随着半导体器件技术的进步，绝缘栅双极型晶体管(IGBTs)的出现使得HVDC技术得到了更广泛的应用，绝缘栅双极型晶体管每周期的开断可以切换多次，当前最先进的绝缘栅双极型晶体管的打开(关闭)只需十亿分之一秒。 目前最广泛使用的HVDC换流器是电压源换流器(VSC)。虽然传统换流器依然在更高电压、更高容量的输电系统中应用，但VSC便于直流线路整合到现有电网中。1997年3月世界上第一个采用VSC的直流输电工程在瑞典的Hellsjon和Grangesberg投入使用，其输送功率和电压分别只有3 MW和10 kV。5年后，该技术又被用于长岛海峡(位于美国纽约州和康涅狄格州之间)的Cross-Sound Cable 工程之中，其输送功率达到了330MW，但转换中的电能损失依然较高，达到了2.5%。目前，最先进的VSC已经可以将损失降至1%。 此外，目前已经能够实现在一条HVDC线路上拥有多个终端(即多端直流输电技术)，除了直流输电线路的两端，线路的中间点也可以接入换流器，实现多点直流联网，这使控制方法更加复杂，但也可能使电网更加强壮。 全球超级电网计划的起步 Desertec项目：该项目在2009年首先由德国公司领头的财团提出，旨在开发地中海和世界上其他沙漠区域的太阳能，再通过HVDC传输到人口密集的负荷中心。 Medgrid项目：类似于Desertec项目，该项目呼吁在北非开发20 GW太阳能电站，其中5GW电能将传输到欧洲。Medgrid电网将成为欧洲超级电网的骨干。中国超级电网项目：为了将北方的太阳能和风能，以及南方的水能传输到东南部城市，中国已经安装了世界上规模最大的高压交直流网络。现在正在建设13到20条新的HVDC线路继续扩张电网规模。 Gobitec项目：同样以Desertec项目为模板，Gobitec项目将在戈壁沙漠开发风能和太阳能，并通过HVDC网络将电能从北部的伊尔库茨克(俄罗斯)传输到南部的上海(中国)和首尔(韩国)，以及东部的东京(日本)。 东南亚超级电网项目：该项目是通过建设海底HVDC电缆从澳大利亚北部海岸沿着印度尼西亚群岛，连接到菲律宾、马来西亚、中南半岛和中国，目的是将澳大利亚北部丰富的太阳能传输到东南亚国家。 亚洲超级电网项目：该项目将在中国、日本、韩国和蒙古，甚至可能包括俄罗斯之间建立电网连接，以便更自由地在各国之间进行电力交易。日本软银的总裁孙正义是该项目坚定的支持者。 北欧电网项目：到2030年，北欧的风力和水力发电预计将大幅增长。虽然许多北欧国家的电网之间已经实现互联，但北欧的电网还需进一步发展，以便向欧洲其他国家传输富余的电能。 北海海上电网项目：类似于北欧电网项目，计划开发北海和波罗的海的风能并传输到其他地方。 Ice link项目：该项目是一个60年前就萌发的想法，通过苏格兰将冰岛的电网与欧洲的电网相连。欧洲越来越高的电价以及更高的可再生能源目标，使得该项目越来越有吸引力。 巴西超级电网项目：为了充分利用内陆的水资源，巴西正在建设的超级电网，包括高压交流输电线路和600kV的直流输电线路，其中还包括沿着长达2385公里长马德拉河(Rio Madeira)的世界上最长的输电线路。 氢-电能源超级网络项目：设想中的氢-电能源超级网络将是一个横跨整个大洲的地下HVDC传输网络，其能量来源将是以氢为燃料的先进核反应堆。由超导电缆制成的传输线路将在输电的同时传输氢能以冷却导线。氢能还将在白天提供能源储备来平衡能量消耗高峰。多余的氢能可以在当地的电力市场出售或用于其它商业用途。 大西洋风能互联项目：该项目的输电线路横跨新泽西州和佛吉尼亚州(位于美国的中大西洋地区)，通过海上输电线路连接由联邦政府指定的风能开发区域的风电场。 全球超级电网还需要能够快速响应的大容量断路器，能够承受超过60千安培的短路电流并在毫秒内对检测到的故障做出响应。三年前瑞士ABB公司推出的混合式断路器的性能已经十分接近这个目标。今年初，西门子宣布已成功地在四川溪洛渡—浙江金华的HVDC线路上测试了5 千安培断路器。阿尔斯通也推出了类似性能的断路器原型。但依然还需要做很多努力降低这些断路器的成本和尺寸，并提升它们的性能。 长远来看，高温超导材料逐步代替铜或铝电缆将加快全球超级电网的部署，因为超导材料能够以接近零的能量损耗传输更多的电能。尽管超导材料需要冷却到液氮温度(低于77 开尔文)，但制冷产生的成本还不到传统的交流和直流架空输电线路电能损失的一半。此外与传统电缆相比，超导直流电缆的线路走廊更窄。目前，已经有好几个工程成功测试了短距离超导电缆传输，比如韩国济州岛上的500米、80 kV直流线路工程。但是，与传统电缆相比，当前超导电缆的制造成本依然高很多。 另一个有前途的领域涉及了非硅材料的先进电力电子器件。硅具有资源丰富、成本低廉、加工简单、以及室温运行等特点，因此它成为了半导体器件的首选材料。但针对HVDC网络中功率切换要求，碳化硅、氮化镓等新型材料具有更好的前景。与传统硅相比，这些宽带隙半导体材料能够工作在更好的温度，支持更高的电流和电压，电阻也更小。如果，这些宽带隙半导体材料能够实现商业化，将能够在减少成本的同时，增强HVDC换流器的功能。 那么，我们应该从哪里开始建设全球超级电网?显然，在电网技术，尤其是HVDC的发展和部署已经处于世界领先地位的中国作为超级电网的建设起点，将是一个不错的选择。中国已经开始开发其北部非常丰富的太阳能和风能资源，以及南部丰富的水能资源。为了将约1300GW的电能传输到东部和南部的人口和工业中心，中国已经建设了全世界规模最大的HVAC和HVDC电网，并计划在未来五年建造13到20条特高压直流输电线路(UHVDC，800-1100 kV)。这些项目的投资金额十分巨大：2014年中国对此类项目的投资额达到了650亿美元，预计未来五年的资金投入规模会继续维持在这一高位。国际能源署(IEA)估计， 到2040年中国需要花费超过4万亿美元彻底改变电力传输和配送的方式。中国电力科学研究院的负责可再生能源和智能电网技术的副院长姚良忠说，他的团队正在研究连接中国、欧洲、中东和北非的洲际输电网的可行性。 欧洲是另一个全球电网建设可能的起点。自2008年以来，欧洲委员会(European Commission)一直在呼吁建设泛欧洲超级电网计划。该计划由代表34个欧洲国家的41个电网运营商的欧洲电力传输系统运营商(European Network of Transmission SystemOperators for Electricity，ENTSO-E)牵头。 泛欧洲超级电网计划是建设一个连接欧洲国家与包括哈萨克斯坦、北非和土耳其在内的周边地区的HVDC网络。德国卡塞尔大学的Gregor Czish研究发现，基于泛欧洲超级电网，欧洲大部分的能源需求可以由风力发电提供，只需部署少量的生物质发电作为补充。一个名叫超级电网联盟(Friends of the Supergrid)的工业团体也一直在呼吁推动实现这一雄心勃勃的计划所需要的技术、监管和融资业务。 SiemensFrench Connection：最近竣工的法国与西班牙之间的HVDC互联线路使得两国之间的电能传输容量达到了原来的两倍，线路两端都有图中所示的换流站，将高压的交流电转为直流电，也可以将直流转为交流电。 到目前为止，欧洲许多关键的HVDC线路的互联已经基本完成或者已经达到计划中较晚期的阶段，包括能源丰富的德国北部和能源匮乏的德国南部电网的连接(该项目金额达100亿欧元)，还有两个连接德国和挪威、挪威和丹麦的HVDC线路，以及新近竣工的法国和西班牙的互联线路。 可以确定的是，全球超级电网的建设还需要相当多的基础设施：据笔者的估计，根据规划中的项目和某些地区所假定的冗余程度，大约需要10万公里的HVDC线路和115座电能换流站。其中，有几个换流站是“超级换流站”，例如新墨西哥州Tres Amigas项目中的换流站。Tres Amigas项目计划连接北美的三个主要电网(西部电网、东部电网和德克萨斯州电网)，还提供一些富余电能储存容量。全球电网需要将全球任何地方的相似的区域性电网相连接。(见“全球超级电网计划的起步”，列出了亚洲、欧洲以及其它地方所提出的超级电网计划) 目前，全球超级电网面临的最大障碍是如何筹集资金。由于项目的宏大规模和复杂程度，很难针对需要的资金给出一个确定的数字，但超级电网的支持者认为其带来的收益将远超过成本支出。2013年，在Renewable Energy杂志上由Spyros Chatzivasileiadis， Damien Ernst， 以及 G?ran Andersson发表的一篇文章，回顾了超级电网的已有研究以及已经竣工的各个工程，评估了建造一条5500公里(该长度足够连接纽约和葡萄牙的波尔图)，800 kV，3GW海底HVDC电缆所需要的代价。(目前，800kV电压等级的海底电缆还无法实现商业化)。该文的作者们总结到：电缆本身将花费大约115万欧元/公里～180万欧元/公里，两个终端的换流器将花费3亿欧元。假定传输中的电能损失为3%，电缆的服役年限是40年，研究者们估计通过该电缆传输的电能价格在0.0166-0.0251欧元/千瓦时(0.0189-0.0286美元/千瓦时)之间。相对应的，美国居民支付的输电价格约为 0.011美元/千瓦时(不含发电成本)。由于运营商能够从最便宜的地方购电，因此由HVDC输送的电能价格要比当前的电能价格低很多。 世界各国组织和资助建设全球超级电网的前提是各国对可再生能源(或核能)的态度达成共识。如果对温室气体排放征税能够达成全球性的共识，将会给向零碳能源转型提供金融激励，从而加速推进全球超级电网的建设。超级电网建设的起步阶段将主要依赖于政府资助，而一旦这个阶段完成之后，碳税将帮助吸引更多的私人投资者。 除了财政之外，政府和电网运营商间需建立相应的电能自由交易的规则。通过一个统一的电能批发市场，或者分割成多个区域性市场，超级电网的运营会更有效率。 此外，还需考虑如何更好地将现有的电网和未来的超级电网进行融合。如前文所述，中国和欧洲都在规划HVDC输电网络，但美国的输电规划很大程度上依然是州等级的规划，部分原因是各个州控制着土地使用并监管着私营的电力公用事业企业。超级电网连接点位置的选择、如何部署HVDC网络，电压等级、使用架空电缆还是海底电缆系统等技术的选择或项目的组织，都需要反复推敲才能确定。 最后还需注意的一点是，全球超级电网能够安全、可靠和稳定的运行还需要各参与方在决定输电线路、换流站和发电机参数的一些技术规格上达成一致。 必须承认，全球超级电网的建设需要投入大量的资金，也肯定会需要几十年的时间才能完成。但这种全球性的互联合作已经在国际运输和电信行业有成功的先例，另一方面，比起什么都不做或继续严重依赖化石能源为主的、低效的、互相隔离的电网，全球超级电网付出的代价显然更少。