覆蓋中國的超級(jí)電網(wǎng)

 

該地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)、太陽能電站和燃煤電廠生產(chǎn)的電力以交流電的形式送達(dá)該站點(diǎn)。24臺(tái)重500噸的變壓器將交流電饋入一個(gè)巨大的大廳，大廳內(nèi)28米高的天花板上懸掛著交直流變頻電路，持續(xù)地發(fā)出嗡鳴。每條電路內(nèi)的固態(tài)開關(guān)晶閘管將交流電轉(zhuǎn)換為800千伏的直流電輸出。

 

 

從這里開始，輸電線路途經(jīng)另外3個(gè)省份，最終進(jìn)入2300多公里外湖南省的一座合作電站。在那里，直流電又被轉(zhuǎn)換為交流電，并被饋入?yún)^(qū)域電網(wǎng)。自2017年年中開通以來，這條價(jià)值262億元人民幣的甘肅—湖南輸電線已輸送了約24太瓦時(shí)的電力。

 

新線路的龐大規(guī)模和先進(jìn)的電網(wǎng)技術(shù)令其他國家相形見絀。而這條新線路不過是中國電網(wǎng)建設(shè)的一個(gè)小小的組成部分，中國電網(wǎng)運(yùn)營者在過去10年里共建成了22個(gè)特高壓超級(jí)項(xiàng)目。在新疆西北部，中國近期開通了其最大的特高壓線路：一條造價(jià)逾407億元的1100千伏直流電路。這條新線路的輸電塔更高，線路更強(qiáng)健，與甘肅—湖南輸電線并行穿過河西走廊，饋入東部的安徽省。

 

 

一個(gè)全國性的超級(jí)電網(wǎng)就此形成，它將連通中國的6個(gè)區(qū)域電網(wǎng)，協(xié)調(diào)中國清潔電力生產(chǎn)區(qū)（北部和西部）和電力消費(fèi)區(qū)（人口稠密的東部）之間巨大的地區(qū)差異。相對(duì)交流電而言，直流電能夠更均勻地流過導(dǎo)體。通過使用電壓更高的直流電，新的傳輸線路大大降低了傳輸過程中的電力損耗。

 

就在中國慶祝3萬多公里特高壓線路竣工之際，電力工程師們依然在為由此形成的交直流混合輸電系統(tǒng)而奮戰(zhàn)。他們必須確保新的長距離直流輸電線路不會(huì)破壞中國區(qū)域交流電網(wǎng)的穩(wěn)定性。例如，如果源自甘肅的8千兆瓦直流輸電線路意外停運(yùn)，電力沖擊可能會(huì)導(dǎo)致湖南乃至其他地區(qū)大面積停電。

 

 

為了最大程度地降低這種威脅，運(yùn)營中國大部分輸配電網(wǎng)絡(luò)的國有企業(yè)——中國國家電網(wǎng)公司特意將這條線路的輸送能力限制在了4.5千兆瓦以下。實(shí)際上，這條線路的平均承載容量還不到設(shè)計(jì)容量的1/4。因此，2017年甘肅省有超過1/3的理論風(fēng)力發(fā)電和1/5的太陽能發(fā)電潛力未得到利用。鄰近地區(qū)的其他特高壓線路也同樣在低容量運(yùn)行。東部省份還沒有足夠的動(dòng)力引入更多特高壓線路提供的較為清潔的能源。

 

國家電網(wǎng)公司的工程師表示，這兩個(gè)問題的最終解決方案是加大特高壓的投入力度。他們認(rèn)為，中國必須通過特高壓直流線路輸送更多能源，最大限度地利用可再生能源，同時(shí)減少對(duì)煤炭的依賴。此外，國家電網(wǎng)公司還在建設(shè)一批世界領(lǐng)先的特高壓交流輸電線，幫助華東地區(qū)的交流電網(wǎng)吸收這些大型線路輸出的電力。

 

 

國家電網(wǎng)中國電力科學(xué)研究院電力系統(tǒng)規(guī)劃副主任秦曉輝表示：“特高壓交流電網(wǎng)就像一個(gè)深水港，特高壓直流電網(wǎng)則像一條萬噸船舶。只有深水港才能支撐萬噸重的船。”

 

與此同時(shí)，各國電力部門都在密切關(guān)注。匹茲堡大學(xué)能源中心負(fù)責(zé)人、直流輸電專家格雷戈里里德（Gregory Reed）稱，中國的特高壓電網(wǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于世界其他地區(qū)。“他們正在進(jìn)行重大投資，從起步之初就達(dá)到了最高技術(shù)水平。無論哪個(gè)國家都無法與之匹敵。這種局面類似于有人駕駛F1賽車飛馳而過，而我們還在蹬自行車。”

 

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中國的特高壓建設(shè)計(jì)劃最初是在一輛車?yán)镎Q生的。2004年末，時(shí)任國家電網(wǎng)董事長的劉振亞與國家發(fā)改委主任馬凱共乘一輛車。中國政策專家徐義沖在其2017年的著作《肌肉力量：中國國家電網(wǎng)公司的政治》（Sinews of Power，牛津大學(xué)出版社）中描述，馬凱主任對(duì)當(dāng)下嚴(yán)重的電力短缺狀況表示關(guān)注。劉振亞形容當(dāng)時(shí)的中國國家電網(wǎng)“脆弱且碎片化”，沒有足夠的設(shè)備來交換大量電力。他提出了一個(gè)大膽的解決方案：利用最先進(jìn)的特高壓技術(shù)鋪設(shè)橫跨中國的大規(guī)模輸電線路。

 

一年之內(nèi)，國家發(fā)改委批準(zhǔn)了一項(xiàng)雄心勃勃的綜合性計(jì)劃，基本符合劉振亞的愿景。它結(jié)合了適合遠(yuǎn)距離傳輸大量電力的特高壓直流線路，以及能夠可靠地將電力分配給消費(fèi)者的特高壓交流主干網(wǎng)。該工程由國家電網(wǎng)公司主導(dǎo)，確保90%的特高壓設(shè)備由中國國內(nèi)供應(yīng)商生產(chǎn)，從而為中國創(chuàng)建一個(gè)新的高技術(shù)出口領(lǐng)域。

 

在接下來的10年里，有約2000名國家電網(wǎng)公司工程師參與這個(gè)項(xiàng)目，300多名教授和1000多名來自中國各個(gè)大學(xué)的研究生進(jìn)行電網(wǎng)相關(guān)的研發(fā)。國家電網(wǎng)公司擴(kuò)大并調(diào)整了研究中心的工作重點(diǎn)，對(duì)特高壓的具體相關(guān)問題進(jìn)行攻關(guān)，包括如何安全處理更高的電磁場(chǎng)以及整流和故障期間更強(qiáng)的脈沖。

 

2009年1月，國家電網(wǎng)公司啟動(dòng)了首條特高壓示范線——一條連接華北和華中地區(qū)電網(wǎng)、長達(dá)650公里的1000千伏特高壓交流輸電線路。10年過去了，在擬建的30條特高壓線路中，國家電網(wǎng)公司已經(jīng)完成了19條。在中國核電產(chǎn)能擴(kuò)張延遲，地方煤電的發(fā)展因空氣質(zhì)量問題也受到限制的情況下，這種積極的擴(kuò)建幫助上海等快速發(fā)展的城市中心避免了電力短缺。全新特高壓電網(wǎng)也在幫助中國引領(lǐng)全球向可再生能源發(fā)電轉(zhuǎn)型，中國僅2017年就輸送了161.5太瓦時(shí)的水電、風(fēng)電和太陽能電力。

 

ABB、西門子和其他國際電力技術(shù)公司在開發(fā)和驗(yàn)證中國特高壓電網(wǎng)關(guān)鍵組件方面發(fā)揮了重要作用，國家電網(wǎng)公司堅(jiān)持就其要求開發(fā)的技術(shù)共享知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

 

在2014年的一次采訪中，國家電網(wǎng)公司副總經(jīng)理劉澤洪講述了2006年的一段緊張的插曲，當(dāng)時(shí)國家電網(wǎng)公司要求國際供應(yīng)商協(xié)助開發(fā)6英寸晶閘管，它能比5英寸晶閘管處理更多電流。劉澤洪說，供應(yīng)商起初猶豫不決，但考慮到國家電網(wǎng)公司的“堅(jiān)定態(tài)度”和中國市場(chǎng)的“巨大市場(chǎng)機(jī)遇”，最終還是讓步了。兩年后，中國公司開始制造6英寸的開關(guān)。

 

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盡管中國國家電網(wǎng)取得了巨大進(jìn)展，但其特高壓線路的部署仍不均衡且不完備。到2020年，中國計(jì)劃鋪設(shè)的8.9萬公里特高壓線路可能僅有半數(shù)完工，而且擬鋪設(shè)的鄰接哈薩克斯坦、蒙古和俄羅斯的特高壓線路也將延后完成。許多擬建項(xiàng)目，尤其是特高壓交流電主干網(wǎng)相關(guān)項(xiàng)目都未獲國家發(fā)改委批準(zhǔn)。因此，許多地區(qū)仍然沒有特高壓交流電線路，兩類特高壓線路的發(fā)展都遠(yuǎn)低于預(yù)期。

 

有關(guān)特高壓未來前景的激烈辯論阻礙了特高壓的全面部署。一些中國電網(wǎng)專家對(duì)特高壓項(xiàng)目數(shù)千億元的花費(fèi)存在質(zhì)疑，在他們看來，國家電網(wǎng)公司在電網(wǎng)工程和制造上處于壟斷地位。省級(jí)官員對(duì)特高壓要求的集中化電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行也感到為難。

 

一些專家也質(zhì)疑建立特高壓交流主干網(wǎng)的最終目標(biāo)（即連接和同步中國的區(qū)域電網(wǎng)），他們認(rèn)為此舉過于冒險(xiǎn)。中國工程院院士、清華大學(xué)教授韓英鐸告誡說，電網(wǎng)一體化后，中國將更容易受到級(jí)聯(lián)停電的威脅，2003年美國東北部和加拿大的停電事故已經(jīng)為我們敲響警鐘。

 

建設(shè)特高壓交直流混合電網(wǎng)在世界上尚無先例，國家電網(wǎng)公司工程師不得不摸索前進(jìn)。在傳統(tǒng)的低壓網(wǎng)絡(luò)中，電網(wǎng)運(yùn)營者通常會(huì)儲(chǔ)備應(yīng)急電力，以備電網(wǎng)最大資產(chǎn)突然產(chǎn)生損失時(shí)使用。這可能意味著運(yùn)營者要備好1～2千兆瓦的額外發(fā)電功率。

 

 

如果在當(dāng)前電網(wǎng)中增加多條特高壓線路，每條線路的功率為8～12千兆瓦，那么對(duì)備用電力的要求會(huì)大大提高。

 

在特高壓電網(wǎng)中維持理想電壓也極具挑戰(zhàn)性?；诰чl管的特高壓換流器消耗的是無功功率，這在電流和電壓相位不一致的交流系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)。（相比之下，有功或有效功率是電網(wǎng)負(fù)荷實(shí)際消耗的功率；它的電流和電壓波一致。）特高壓換流器消耗無功功率，往往會(huì)拉低周圍交流線路的電壓，因此換流站要配備提供無功功率和支撐交流電壓的設(shè)備。

 

如果交流線路的電壓驟降，附近的換流器將消耗更多的無功功率，進(jìn)一步拉低電壓。電壓驟降也會(huì)破壞晶閘管切換電流路徑的能力（這個(gè)過程被稱為整流）。嚴(yán)重的整流故障將造成換流器關(guān)閉，使交流電壓進(jìn)一步下降，并啟動(dòng)潛在的破壞性反饋回路，最終可能導(dǎo)致停電。國家電網(wǎng)公司中國電力科學(xué)研究院系統(tǒng)規(guī)劃專家秦曉輝表示：“連續(xù)的直流整流故障會(huì)引發(fā)連鎖反應(yīng)。”

 

國家電網(wǎng)公司國家電力調(diào)度控制中心（位于北京）的系統(tǒng)操作員張放指出，由此造成的停電可能會(huì)以極快的速度影響諸多地區(qū)。特高壓直流電路意外中斷時(shí)，它會(huì)在數(shù)百公里乃至數(shù)千公里以外的交流電網(wǎng)上產(chǎn)生功率驟增。張放稱：“特高壓直流線路實(shí)際上起到了放大器的作用。接收端一次小小的交流干擾就可能演變成發(fā)送端電網(wǎng)的一次大型交流干擾。”

 

為了將多次換流器故障和級(jí)聯(lián)停電風(fēng)險(xiǎn)降至最低，國家電網(wǎng)公司華東地區(qū)電網(wǎng)的工程師部署了一個(gè)光纖控制網(wǎng)絡(luò)，可以自動(dòng)重新平衡供需。必要時(shí)，可以使用一組內(nèi)置于華東電網(wǎng)交直流換流器中的故障響應(yīng)裝置，在電壓下降的200毫秒內(nèi)提高線路電壓。一旦光纖網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)特高壓直流線路故障，換流器就會(huì)在其余直流線路上額外供應(yīng)10%的電量，以保證電網(wǎng)正常運(yùn)行。這種光學(xué)控制方案還可以通過釋放抽水蓄能電廠（通過抽水至上水庫蓄能）的電量來恢復(fù)平衡。此外，它還能觸發(fā)小型可控停電，關(guān)閉一些配電饋線以減少需求，同時(shí)分散醫(yī)院負(fù)荷和其他基本負(fù)荷。

 

通過這些措施，從中國西南電網(wǎng)輸送水電的3條特高壓直流輸電線路能夠以21.6千兆瓦的聯(lián)合設(shè)計(jì)功率持續(xù)運(yùn)行。就此獲得了電力三方共贏：中國城市化和工業(yè)化最密集的大上海地區(qū)獲得了更多清潔能源；長三角的巨型水壩在汛期溢水量減少；中國國家電網(wǎng)從特高壓投資中獲得了更多收益。即便如此，上海每年夏季仍會(huì)面臨數(shù)周的電力短缺，供電部門要求工業(yè)用電大戶停產(chǎn)限產(chǎn)。要想跟上增長步伐，上?？赡苄枰?0年內(nèi)引入3倍電力輸入。

 

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在北京的國家電力調(diào)度控制中心，通過國家電網(wǎng)公司特高壓線路輸送更多清潔電力的壓力日益增長。主屏幕顯示了交直流干線的狀態(tài)，提供了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)視圖。左墻上主要是追蹤25個(gè)省份可再生能源棄能狀況的警示燈，以及修復(fù)責(zé)任方。綠燈表示所有潛在太陽能和風(fēng)能皆在利用中。藍(lán)色、黃色和橙色的燈則表示可再生能源存在不同程度的浪費(fèi)情況，國家電網(wǎng)公司的省級(jí)、地區(qū)級(jí)或國家級(jí)控制機(jī)構(gòu)必須分別設(shè)法制止這些浪費(fèi)。

 

張放說：“我們決心要最大限度地使用可再生能源。這是我們的職責(zé)所在。”控制機(jī)構(gòu)可能會(huì)將電力從電力需求較低的省份轉(zhuǎn)移到電力需求較高的省份?；蛘邔㈦娏斔偷絿译娋W(wǎng)的21座抽水蓄能電廠，這些電廠可吸收的總功率高達(dá)19千兆瓦。

 

理論上，中國法律一直要求電網(wǎng)運(yùn)營者優(yōu)先考慮可再生能源，但實(shí)際上，每個(gè)省份都有自己的規(guī)劃和重點(diǎn)工作，這往往有利于當(dāng)?shù)匕l(fā)電事業(yè)。例如，彭博新能源財(cái)經(jīng)的分析人士稱，上海以南的浙江省強(qiáng)烈反對(duì)引入電力，這阻礙了寧夏一條8千兆瓦特高壓直流輸電線路的接入運(yùn)行。

 

2018年的一個(gè)多風(fēng)而陽光明媚的日子，我參觀了甘肅的直流換流站，其特高壓線路的運(yùn)行功率僅為3千兆瓦，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其8千兆瓦的額定功率。這是幾個(gè)可再生能源電廠的累計(jì)產(chǎn)量。其實(shí)該省另外還有15千兆瓦的太陽能和風(fēng)能發(fā)電連接到了新線路，但尚未獲得向新線路輸電的許可。

 

改變即將來臨。在我到訪的兩個(gè)月后，沿海的江蘇省電力公司簽訂協(xié)議，通過另一條特高壓直流線路從甘肅最大的風(fēng)電場(chǎng)購買電力。2018年11月，國家電網(wǎng)公司開始從青海省鋪設(shè)一條特高壓直流輸電線路，用以輸送來自甘肅的更多可再生能源電力。與此同時(shí)，國家發(fā)改委正通過強(qiáng)制要求每個(gè)地區(qū)達(dá)到可再生能源的最低使用率來刺激需求。

 

 

專家表示，國家電網(wǎng)公司互通區(qū)域電網(wǎng)的長期目標(biāo)還應(yīng)包括降低棄能。清華大學(xué)可再生能源整合專家張寧指出，西南電網(wǎng)的水力發(fā)電可以平衡西北風(fēng)能和太陽能發(fā)電量的波動(dòng)。他預(yù)計(jì)：“如果將西部互通起來，那里的棄風(fēng)量可以從20%多降至5%。”這兩個(gè)地區(qū)的煤炭使用量也可相應(yīng)減少。

 

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中國國家電網(wǎng)公司在解決特高壓電網(wǎng)問題的同時(shí)，正將其設(shè)備和專業(yè)技術(shù)向海外推廣。中國通過國際電工委員會(huì)和IEEE率先制定了9項(xiàng)特高壓標(biāo)準(zhǔn)。位于美國伊利諾伊州的阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員稱，這一舉措將幫助中國供應(yīng)商“將其他供應(yīng)商擠出全球市場(chǎng)”。

 

中國國家電網(wǎng)公司已經(jīng)在著手開展首個(gè)國際特高壓直流項(xiàng)目：兩條800千伏的線路將從巴西貝羅蒙提（Belo Monte）的巨型大壩輸送電力。不過隨后的特高壓推廣銷售進(jìn)展緩慢，原因可能在于大多數(shù)國家還不需要或負(fù)擔(dān)不起1000千伏交流或直流線路。

 

國家電網(wǎng)公司前董事長劉振亞依然勇往直前，現(xiàn)正積極投身于建設(shè)跨大陸和洲際特高壓電網(wǎng)。這條從新疆到安徽的1100千伏線路所用到的技術(shù)，可以有效地將電力輸送到5000公里以外。ABB四方電力系統(tǒng)有限公司（瑞士電力工程巨頭ABB與北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司在北京成立的合資企業(yè)）的總經(jīng)理馬格努斯卡拉維克（Magnus Callavik）說：“這條線朝西發(fā)展即可接近歐洲，技術(shù)頗為可行。”

 

卡拉維克表示，他相信遲早會(huì)出現(xiàn)大洲規(guī)模的特高壓直流輸電。在這個(gè)必須脫碳的世界里，人們?cè)絹碓疥P(guān)注如何平衡太陽能和風(fēng)能等可變能源供應(yīng)與地區(qū)負(fù)荷之間的關(guān)系。卡拉維克還說：“電力傳輸是一種非常經(jīng)濟(jì)有效的方式。”

 

中國面臨的問題是，國家電網(wǎng)公司如何才能迅速消除技術(shù)和政治障礙，充分發(fā)揮特高壓的減排潛力。如果中國繼續(xù)高度依賴煤電，那么來自數(shù)千公里外的煤電將有助于中國東部大城市的空氣凈化，但中國的碳足跡將保持不變，對(duì)全球氣候的貢獻(xiàn)將為零。另一方面，通過特高壓電網(wǎng)調(diào)動(dòng)數(shù)千兆瓦的可再生能源電力有望給中國和世界帶來真正的改變。