新能源變革中電網和電網技術的發展前景

周孝信

(中國電力科學研究院，北京 100192)

1 新能源變革的目標與電網的使命

能源革命是指人類在能源開發利用和加工轉換過程中取得的重大突破。人類第1次能源革命是以柴草為主燃料的火的使用。第2次能源革命是化石燃料的使用及轉換成電力的應用，起源于18世紀60年代英國的產業革命。第3次能源革命從20世紀40年代開始，以可控核反應堆的發明為標志。第4次能源革命發端于1973年世界第1次石油危機，石油危機的發生預示著化石能源使用進入高峰期，加之環境的壓力，使新能源和可再生能源逐漸興起。

20世紀90年代以來，清潔能源利用的呼聲日漸高漲，其目的是以新能源和可再生能源(水電能、生物質能、太陽能、風能、地熱能、海洋能和氫能等)逐步代替化石能源，保證人類能源的可持續供應。化石能源短缺和枯竭的預期以及全球氣候變化的現實威脅，成為新能源變革的主要驅動力。

電力行業的快速發展，使發電形式發生了本質的變化，以化石燃料為主的可調節發電比例逐漸減少，以可再生能源為主的不可調節發電比例逐漸增加，給電網運行帶來了重大挑戰。另外，科學技術的進步為電網帶來了各種解決問題的方法和手段，電網如何適應發展帶來的變化，是當代電網迫切需要解決的重大問題。

可再生能源、核能以及化石能源的清潔利用，絕大部分要通過轉化為電能來實現。在新能源變革條件下，電網的重要性日益突出，電網將成為全社會重要的能源輸送和配給網絡。與傳統電網相比較，未來電網具有以下使命:具有接納大規模可再生能源電力的能力;實現電力需求側響應、分布式電源、儲能裝置、能源綜合高效利用系統與電網有機融合，大幅度提高終端能源利用效率;具有極高的供電可靠性，基本排除大面積停電的風險;與通信信息系統廣泛結合，實現覆蓋城鄉的能源、電力、信息綜合服務體系。

2 三代電網的概念及其發展階段

基于對世界電網發展歷史的回顧和對未來電網發展的前瞻估計，根據電網不同發展階段的主要技術、經濟特征，大體上可將電網和電網技術的發展劃分為三代。20世紀前半期的電網屬于第1代電網，其特點是小機組、低電壓、小電網，其單機容量為100～200 MW，輸、配電網電壓等級為220 kV及以下。20世紀后半期的電網屬于第2代電網，其特點是大機組、高電壓、互聯電網，單機容量為300～1000 MW，采用了330 kV及以上超高壓交/直流輸電網絡。第3代電網是從21世紀初開始建設并設想到2050年在世界范圍內實現的、可持續發展的電網模式，其主要特征是電網內非化石能源發電占較大份額(如40% ～50%)，在輸電、配電和用電等領域廣泛實現智能化，其電源形式是大型骨干電源與分布式電源相結合，電網形式是骨干電網與地方電網、微電網結合。三代電網的概念及其發展階段劃分見表1。

我國電力工業始于1882年上海電力公司的誕生并因此產生了第1代電網，到1949年全國發電設備裝機容量為1850 MW，發電量只有4310 GW·h。此時的電網以孤立、小型電網為主。第2代電網建設從20世紀70年代開始:1971年全長535 km的劉家峽—關中330 kV輸電線路建成，形成我國第1個跨省電網;1981年500 kV平頂山—武漢輸電線路建成，開始了以500 kV輸電線路為骨干的大區電網建設;20世紀末推動全國電網互聯，2005年西北電網750 kV輸電線路投入運行，2009年我國1000 kV特高壓輸電線路投入運行。

我國電網從小到大、從弱到強，已發展成世界上最大的互聯電網之一，電網已成為我國最重要的經濟命脈。結合電網建設及大區聯網實踐，從研究開發一次設備和系統，到二次控制、保護以及安全穩定運行、仿真分析技術研究，我國全面掌握了第2代電網技術，總體達到國際先進水平。

隨著特高壓交/直流輸電和智能電網的開發建設，標志著我國第3代電網建設的開始。

3 我國電網發展的歷程和前景展望

根據中國電力企業聯合會的年度報告，我國2010年發電裝機容量為962 GW，火電、水電、核電和風電裝機容量分別占總裝機容量的73.5%，22.1%，1.2%和3.2%，水電、核電和風電為低碳能源，其裝機容量之和占總裝機容量的26.5%。我國電網分別為東北、華北、華中、西北、華東和南方電網，另外還包括新疆和西藏電網。其中，華北和華中電網以交流特高壓方式相連，東北和華北電網以直流背靠背方式相連，華中電網分別和西北(背靠背)、華東、南方電網以直流方式相連。

華北和華中電網之間的1000 kV交流特高壓聯網送電線路，從晉東南經南陽到湖北荊門，全程645km，為單回線路，采用國產化設備。該線路于2008年12月調試成功，2009年1月投入運行，經過1年的安全運行，達到了試驗示范工程的目標，2010年正式通過國家驗收;擴建工程將于2011年12月投產。近期將建設的交流輸電線路還有淮南—皖南—浙北—上海特高壓UHV(Ultra-high Voltage)雙回輸電線路，全程650km。

華中和華東電網之間由多條直流輸電線路相連。其中一條±800 kV直流特高壓輸電線路從四川向家壩到達上海奉賢換流站，全程1 907 km，輸送電力總容量達6400 MW，該項目于2007年12月開工，2010年7月投入運行。另一條±800 kV線路由四川裕隆到達江蘇同里換流站，全程2 096 km，輸送電力總容量達7200 MW，該項目于2009年12月開工，預計2013年投產。

國家發改委能源研究所《中國風電發展路線圖2050》中提出，到2020，2030和2050年，我國風電裝機容量將分別達到200，400和1 000 GW，2050年的風電電量將滿足國內17%的電力需求;太陽能裝機容量將分別達到20，50和400 GW;水電裝機容量將分別達到320，400和450 GW。2010年人均裝機容量為0.74 kW，2020年將達到1.00 kW;若未來控制能源消費總量的目標能夠實現，則2050年人均電力裝機容量有可能控制到1.50 kW以內。屆時煤電約占40%，水電約占15%，核電約占10%，天然氣發電約占5%，其他約30%為可再生能源發電。

表1 三代電網概念及發展階段

由于我國能源基地大都位于西北地區，2009年我國跨區電力輸送容量約60 GW，2030年預計可達到500 GW。

2020—2030年，我國電網的輸電骨干網，在形態上應是超大規模超/特高壓交直流混聯的復雜電網。2030—2050年，隨著我國西南大規模水電、西部/北部大規模風電和巨型荒漠太陽能電站、東部沿海海上風電等可再生能源電力的集中開發，具有間歇性、波動性等特性的電源比重將不斷提高，在全國范圍內建設靈活可控、低損耗、高可靠性的跨大區超級輸電網絡，成為大范圍資源優化配置和相互補償的必需。隨著基于高性能電力電子設備的多端高壓直流輸電技術的日趨成熟，高溫超導輸電技術極有可能取得突破，為建設基于常規導體線路和設備或基于高溫超導體線路和設備的多端直流超級輸電網絡提供了技術條件。

4 面向新一代電網的關鍵技術

4.1 大規模可再生能源電力接入電網的影響

可再生能源電力接入系統會有不同的事故發生，例如，風電場低電壓穿越可能造成的機組脫網事故。2008年4月吉林電網風電場風機就發生了脫網事故。當時，在吉林白城變電站2.4 km處發生兩相瞬時短路事故，線路保護與過流保護動作，80 ms后三相開關動作，故障切除，1 s內開關重合成功，電網恢復。但就在這不到1 s的低電壓階段，大唐吉林洮南大通風電場內所有機組跳閘，國華富裕風電場內所有變速風機跳閘，同發－龍源與同發－華能風電場內所有風電機組跳閘。

2011年春，西北電網河西地區風電場先后4次發生風機脫網事故。其中，2011年2月24日事故的原因是三相短路造成開關跳閘，因風電機組不具備低電壓穿越能力，風電場274臺機組脫網，損失出力377.13 MW;故障切除后，因網內部分風電機組高電壓保護動作，又造成300臺機組脫網，損失出力424.21 MW。故障脫網風機共598臺，損失出力共計840.43 MW，致使西北電網的頻率最低降至49.854 Hz。

因此，風電機組對電網故障的適應性和電網對大規模接入的適應性都需要進行研究。風電接入系統需要研究的關鍵技術包括風電功率的波動性和間歇性等特性，抗故障的低電壓穿越能力，穩態有功功率調節，調度控制要求，無功功率調節和電壓控制等，而且需要研究開發大容量集中和分散式儲能技術，解決發電側和用戶側風電功率波動的平滑控制問題。

4.2 電網技術研究課題概述

在中科院技術科學部“能源革命中電網技術發展預測和對策研究”咨詢課題中，展望了到2050年具有潛在發展前景的電網新技術和裝備。在新材料、元器件和裝備方面，研究課題含超導電力、高性能電介質材料、電力電子材料及器件、大容量電能儲存技術等;在新型輸電方式和電力系統方面，研究課題含綜合能源網絡、電網模式分析、交流半波長輸電及分頻輸電等技術;在先進信息、調度、控制和保護方面，研究課題含電力物聯網、未來電網調度等技術;在智能配用電方面，研究課題含智能配電網和微網、電力市場體系和政策等研究。研究指出，未來電網發展的10項關鍵技術為大規模可再生能源電力友好接入、大容量輸電、先進傳感網絡、通信與信息、先進儲能、新型電力電子器件、超大規模交直流混聯電網、電力系統仿真、智能配電網和微網及智能用電技術。

我國能源分布與消費不平衡的狀況，要求未來輸變電技術必須能夠滿足遠距離、大容量輸送的要求。未來保護環境和節省輸電走廊的壓力會更大，發展大容量輸變電技術是解決問題的根本途徑。

根據預測，2030年前特高壓交、直流輸電，緊湊型、同塔多回、柔性交流輸電技術等將普及。若在2020年前研制出高壓直流斷路器，多端直流輸電技術將獲得初步發展。2050年前，隨著全國范圍內大規模集中式水電、風電、太陽能發電的開發，各種類型電源相互補償將獲得重大技術和經濟效益;隨著高溫超導材料關鍵技術的突破和多端直流輸電技術的成熟，有可能進一步構建高溫超導(或常規導體)多端直流輸電網模式。目前，世界上已有兩端輸電系統，多端直流輸電系統幾乎都是基于線電壓換相電流源換流器技術的常規直流輸電系統。隨著基于全控元件的電壓源換流器構成的多端直流輸電技術的完善和成熟，最終將有可能形成以電壓源換相技術為主體的直流輸電網，使電網形態出現重大的變革。

基于電壓源換流器的多端直流輸電技術包括:電力電子器件研究，如碳化硅電力電子器件、新型絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)器件等;設備裝備研究，包括IGBT高壓串聯閥及其電壓源換流器、直流斷路器、高壓直流電纜等;系統研究，包括電壓源換相直流輸電系統分析與仿真，電壓源換相直流輸電系統過電壓分析與絕緣配合，電壓源換相直流輸電系統成套設計，電壓源換相直流系統控制保護策略等;網絡研究，包括直流輸電網功率傳輸特性與運行特性研究，多端直流輸電網控制和調度技術，直流輸電網保護技術等。

4.3 研究中的電網新技術

4.3.1 超導輸電

隨著超導技術的進步，重點將開發超導電纜、超導變壓器、超導限流器、超導儲能等電力設備和技術，長遠目標是實現大容量、遠距離、超導直流輸電，通過試點和示范工程加速超導電力技術在我國的實用化進程。

4.3.2 輸能管網

輸能管網技術由美國首先提出，其核心是建立跨北美大陸的同時輸送電能和液態氫的輸能地下超導管線網絡。輸電部件采用高溫超導技術，用高壓直流超導電纜輸送電能，而液態氫在電纜芯的管道中流動，主要用于供應燃料電池汽車并兼作超導冷卻介質。設想的輸能管網可同時輸電和輸氫，液態氫(20 K)可解決高溫超導運行的制冷問題，同時制氫相當于儲能，可解決電網峰谷差問題，解決燃料電池所需的氫配送問題。目前高溫超導線材銥鋇銅氧已能達到液氮溫度77 K，如果溫度能進一步提高到110 K，則可實現同時輸電與輸送液化天然氣。

氣體絕緣線路(GIL)是輸電線路技術發展的又一方向，已建成投產的德國法蘭克福機場380 kV直埋氣體絕緣輸電示范線路，全長1 km，輸送能力為1800 MV·A。

4.3.3 先進儲能技術

儲能技術是實現風能、太陽能等可再生能源發電規模化利用的關鍵技術。儲能技術及其產業的規模化發展，能夠使間歇性的、隨機的、低密度的可再生清潔能源得以廣泛、有效的利用。大容量、高性能、規模化儲能技術應用之后，電力成為可以儲存的商品，將成為促進電網結構、規劃、設計、運行管理及使用等發生革命性變化的催化劑。電力系統的儲能技術包括抽水蓄能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能、超導儲能(SMES)、超級電容器儲能及電池儲能等。不同儲能形式具有明顯的差異，包括儲能容量、儲放能時間及儲能經濟性等。

4.3.4 新型電力電子器件

電力電子裝置是實現電能轉換和控制的執行單元，其應用貫穿于電力的發、輸、配、用各個環節。未來電網中大部分電能可能都需要通過電力電子裝置實現控制和轉換。未來40年，新型電力電子技術的發展要實現以下目標:實現硅、碳化硅、金剛石器件等新型電力電子器件的技術升級及推廣應用;實現柔性交流輸電系統(FACTS)、固態電力電子裝置、分頻輸電用電力電子裝置在輸電領域的靈活應用，為我國大容量、遠距離輸電提供有力保障。

4.3.5 靈活交流輸電系統

靈活交流輸電技術能有效地控制潮流，為電網的自愈、可調提供了實現手段;可阻尼電力系統振蕩，提高系統穩定性，為電網的安全、穩定運行提供技術支撐;可提高系統輸送能力，平衡無功分布，降低網損。因此，該技術是智能電網建設不可或缺的關鍵環節。

5 結論

當前人類面臨化石能源日漸枯竭和全球氣候變化的威脅。在新形勢下，能源結構將發生重大變化，電力將成為最重要的能源載體，對電網的安全性、適應性、資源優化配置能力提出了更高的要求，因此，建設新一代電網的時期已經來到。新一代電網是第3代電網，是廣義的智能電網。第1代和第2代電網的發展都經過了大約50年，推測第3代電網相關目標的實現也要50年。在此期間，將逐步實現大型電源與分布式電源相結合、骨干電網與微型電網相結合的網絡格局，預計包括可再生能源在內的清潔能源發電比重將超過50%。

新一代電網技術包括大規模可再生能源電力友好接入技術、大容量輸電技術、先進儲能技術、新型電力電子器件及應用技術等，這些技術的創新和發展將為新一代電網發展奠定基礎。

大規模海上和陸地風能、荒漠太陽能、水電等可再生能源電力的開發，對電力系統提出了大容量、遠距離輸電的要求。因此，應在現有輸電技術的基礎上研究探索新的輸電方式和輸電技術，為發展新的輸電網絡提前做技術儲備。多端高壓直流輸電和直流輸電網技術作為未來可能的輸電方式已成為各國研究的熱點。未來電網中大部分電能可能都需要通過電力電子裝置實現控制和轉換，電力電子技術的研究和開發至關重要。