全球能源互聯網下輸電走廊規劃分析研究

高 晗,劉繼春,劉俊勇,曾平良,施浩波

(1.四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065;2.中國電力科學研究院，北京 100192)

全球能源互聯網下輸電走廊規劃分析研究

高 晗1,劉繼春1,劉俊勇1,曾平良2,施浩波2

(1.四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065;2.中國電力科學研究院，北京 100192)

隨著全球傳統化石能源高度消耗，新的清潔可再生能源快速發展，能源產地越來越遠離負荷中心，能源需求和分布存在時空上的不均衡。全球能源互聯網的建設可實現清潔能源基地電力的全球輸送功能，達到電力能源資源共享，從而是解決此失衡局面有效的方法。在全球能源互聯網的背景下，以中國為起點，德國為終點，將途經的各國進行分區，考慮不同國家的關稅、輸電線路長度、運行維護率、建設成本等因素，對中國—德國輸電走廊規劃問題建立了數學建模，并進行了相應的算例分析。

全球能源互聯網；輸電走廊；經濟性；到網電價

0 引 言

隨著傳統化石能源的大量開發，能源資源日漸枯竭，環境污染和氣候變化問題也日益突出，迫切的需要新的能源來替代傳統能源。新的可再生清潔能源將逐漸替代化石能源，并在一次能源生產和消費中占更大的比例。全球范圍內的能源資源和需求分布呈現非常不平衡的特征，能源基地遠離負荷中心，局部區域存在日益加劇的能源供求矛盾，未來全球跨區域能源貿易規模將不斷增大。建立以清潔能源為主導、以電能為中心、更高電壓等級、更大輸電容量、更遠距離的全球能源配置網絡平臺是未來能源發展的趨勢之一，以滿足清潔能源的大規模、遠距離配置的需求[1]。

1 世界能源發展現狀和全球能源互聯網

圖1 2010—2050年世界經濟總量及電力、能源需求增長情況

1.1 世界能源發展現狀

從圖1和圖2可以看出來，2010—2050年，電力需求增速高于能源需求增速，電力在能源結構中的優勢地位日益凸顯。

從亞洲電力需求增長較快和歐洲的電力需求飽和，可再生能源受入的需求來說，是屬于電力受入區[2]；非洲地區的可再生能源資源非常豐富，大洋洲資源富集，電力需求規模相對較小，屬于電力輸出型地區。北美洲和南美洲電力供需以自我平衡為主。

圖2 2010—2050年全球電力供應結構變化

亞洲是全球最大的電力負荷中心，擁有豐富的可再生能源資源，未來將形成以洲內大型可再生能源基地為電源送出點、連接各大負荷中心的亞洲互聯電網，并接受來自“一極一道”的跨國跨洲電力流。亞洲各大再生能源基地——蒙古國風電和太陽能發電基地、俄羅斯遠東和西伯利亞水電基地、中亞風電和太陽能發電基地、中國“三北”和西北太陽能發電基地、白令海峽及庫頁島風電基地、印度太陽能與風電基地等開發提速，成為亞洲互聯電網的電源送出點。未來俄羅斯遠東西伯利亞地區豐富的可再生能源資源開發，可為實現跨洲、更大范圍的能源電力資源優化配置提供重要參考[3]。

1.2 全球能源互聯網研究現狀

全球能源互聯網是以特高壓為骨干網架(通道)，以輸送清潔能源為主導，全球互聯泛在的堅強智能電網。全球能源互聯網將由跨國跨洲骨干網架和各國各電壓等級電網(輸電網、配電網)構成，連接“一極一道”(北極、赤道)和各洲大型能源基地，適應各種分布式電源需要，能夠將風能、太陽能、海洋能等可再生能源輸送到各類用戶。全球能源互聯網實現各種清潔能源、化石能源轉換成電能后傳輸，并與其他傳統能源傳輸方式(如鐵路、管道等)分工協作、優勢互補；作為連接各類電源和用戶的網絡樞紐，可優化配置電源資源和用戶資源，并成為全球能源交易的載體；同時還可將清潔能源送至千家萬戶，提供增值的公共服務[4]。

國際上針對能源互聯網進行了廣泛的研究，重點研究下一代能源系統，其中歐盟、美國、中國等均提出能源互聯網的構想以及相關的項目。

歐盟開展了未來能源互聯網項目，并與能源部門合作，其核心在于構建未來能源互聯網的ICT平臺。德國聯邦政府開展了E-Energy(智能電網)項目——基于ICT的未來能源系統。并將E-Energy作為一個象征性的項目，旨在推動基于ICT技術的高效能源系統項目。瑞士聯邦政府能源辦公室和產業部共同發起的Vision of Future Energy Networks。該項目的重點是研究多能源傳輸系統的利用和分布式能源的轉換和存儲，開發相應的系統仿真分析模型和軟件工具。美國國家科學基金項目啟動“未來可再生電能傳輸與管理系統”，開展配電系統能源互聯網研究。其研究一種構建適應高滲透率分布式可再生能源發電和分布式儲能并網的高效配電系統，稱之為能源互聯網。日本正在探索未來家庭能源管理系統(HEMS)。未來家庭能源管理HEMS是能源互聯網的基本單元。美國著名未來學家杰里米·里夫金提出的能源互聯網：兩種不同的技術(可再生能源與互聯網)連接在一起，描繪了新的、充滿活力的能源互聯網，在中國引起的廣泛的關注。北京市電力公司承擔了國家科技部863課題“交直流混合配電網關鍵技術”和國家電網公司科技項目“分布式能源高滲透率的交直流混合主動配電網運行生產管控關鍵技術研究”[5]。

全球能源互聯網重點技術領域和關鍵技術是構建全球能源互聯提供技術支撐和保障[6]。具體內容見表1。

在電源、電網、儲能和信息通信等領域全面推動技術創新，需要符合以下4點：一是提高可再生能源的可控性，保障能源安全穩定供應；二是降低清潔能源發電成本，實現能源可持續發展；三是提高特高壓輸電技術水平，加快開發“一極一道”和各洲大型清潔能源基地；四是研制適應極端氣候條件的電力裝備，保證關鍵設備和電網建設運行安全。±1 100 kV直流輸電技術是目前輸送距離最遠、輸送容量最大的輸電技術，其輸送距離可達4 500 km以上，雙極輸電功率達到11 GW。中國—德國輸電線路可考慮按照±1 100 kV、輸電容量11 GW的直流線路直流建設，將新疆地區作為輸電起點，德國作為輸電受端，采用直送輸電方式，并以歐亞大陸橋鐵路沿線路徑作為中-德輸電主體路徑局部路段沿已建公路走線以縮短輸電距離。

中國新疆等地區的某些清潔能源開發潛力巨大，如風能、太陽能等。預計2015年，新疆風電裝機容量達到10 GW以上，2020年達到20 GW。截至2013年年底，新疆地區太陽能裝機約20 MW[7]。根據資源分布情況，未來新疆太陽能開發潛力巨大，如表2所示。

表1 全球能源互聯網重點技術領域和關鍵技術

表2 新疆太陽能資源量和可開發量

截至2013年10月，德國發電裝機總容量187 GW，其中燃煤機組49 GW，約占總容量的26.3%；光伏發電35 GW，約占總容量19.1%；風電32.513 GW，約占總容量的17.4%。近年來，由于核電站的關閉，核能發電產量減少，可再生能源所占比例逐漸增加。中國新疆清潔能源開發潛力巨大，未來德國是歐洲大陸最大的能源消費國，根據其棄核、減排等政策，德國有較大的電力市場空間。

綜上所述，實現全球能源互聯網的建設可以實現清潔能源基地電力的全球輸送功能，東西半球時差和南北半球季節互補、資源共享；提高全球能源配置效率和效益；是解決全球范圍內的能源資源和需求分布呈現非常不平衡的最有效的方法。

2 全球能源互聯網輸電走廊規劃方案計算模型

研究以中國為起點，德國為終點的輸電走廊規劃問題，從圖3(a)可看，從中國到德國將經過哈薩克斯坦、俄羅斯、白俄羅斯、波蘭。圖3(b)表示，將每一個中間國分為3個區，從中國到哈薩克斯坦可選線路有3段，從哈薩克斯坦到俄羅斯，只有相鄰區域才可互聯，與哈薩克斯坦左上角第1個區域相鄰的有2個，與哈薩克斯坦第2個區域相鄰的有3個，

圖3 輸電線路投資模型

中國哈薩克斯坦俄羅斯白俄羅斯波蘭換流站投資/(億元)8684109123115運行維護率/%1.41.81.91.751.6關稅/%7.17.17.14.2線路長度均值/km16632047745691745線路投資均值/(萬元·km-`1)790928122224002400

可行線路用箭頭表示。最后從波蘭有3條路徑可到德國。途經的國家用i表示，細化的區域用j表示。

2.1 分段投資成本計算模型

因為是跨洲跨國輸電，各個國家由于國情不一樣，導致每個國家的線路投資不同，因此需要分段計算。

1)工程投資成本CPi，j

CPi，j=CHi,j+CXi,j·Li,j

(1)

式中：CHi,j為i國j區所建換流站成本；Li,j為從i國到(i+1)國建設線路的長度;CXi,j為此線路的單位建設成本[8]。

2)運行維護費用CYWi,j

CYWi,j=Afixed·i,j·Roper·i,j

(2)

式中：Afixed·i,j為i國j區固定資產原值，近似按工程投資計算；Roper·i,j為運行維護費率。

3)線損成本CXSi,j

CXSi,j=Pr·i,jEδ·i,j(1-Ream)

(3)

Eδ·i,j=Capaδi,j%Hδ

(4)

式中：Pr·i,j為入境i國j區后的上網電價；Eδ·i,j為線損電量；Ream為電廠利潤率；Hδ為線損利用小時；Capa為額定輸電容量;δi,j為線損率。

2.2 電價競爭力模型

通過這條跨洲跨國輸電線路到達德國的電力到網電價越低，越具有競爭力。

di,j=Pr·i,j+ei,j+ci,j

(5)

ci,j=Pr·i,jδi,j%/(1-δi,j%)

(6)

Pr·i,j=dr·(i,j)-1(1+fi,j)

(7)

式中：di,j、ei,j和ci,j分別為入境i國j區后的到網電價、輸電電價和線損電價；dr·(i,j)-1為出境i國j區前的到網電價；fi,j為入境i國j區時關稅[9]。

2.3 目標函數

以總投資成本最少和到網電價最低為目標函數。

minC=∑CPi,j+CYWi,j+CXSi,j

(8)

mindG

(9)

式中：C為總投資成本；dG為到德國到網電價。

3 算例分析

3.1 基本數據

如圖4所示，選取4個中間國：哈薩克斯坦、俄羅斯、白俄羅斯、波蘭，并對輸電線路進行編號，可行的輸電線路共有27條。

圖4 輸電線路建設計算模型

根據2015年國網北京經濟技術研究院《亞歐洲際輸電經濟競爭力研究》報告，將其數據做參考和引申，將輸電工程的利用小時選取為6 000 h，相應線損利用小時為4 000 h，電廠利潤率約為8%。中國光伏上網電價取0.55元/kWh。具體參數如表3所示。

3.2 計算結果

每條線路的工程投資成本、運行維護成本不受到其他線路建設參數的影響，計算結果如圖5、圖6所示。

不同線路輸電電價、運行維護率不同，會產生不同的上網電價，導致各線路在不同組合下線損成本不同，計算結果如圖7所示。

因為每條線路的輸電電價不同，每個國家的關稅不同，所以不同的輸電組合有不同的到網電價，計算結果如圖8所示。

圖5 不同線路的工程投資成本

圖6 不同線路的運維成本

圖7 不同組合下各條線路的線損成本

圖8 不同組合下的到網電價

綜合不同組合下不同線路工程投資成本、運行維護成本、線損成本，可得到不同組合下的總投資成本，計算結果如圖9所示。

根據圖8可看出，組合20，即通過輸電線路2-7-14-20-25的到網電價最低，為1.650 3元/kWh;

圖9 不同組合下的總成本

根據圖9可看出，組合6，即通過輸電線路1-5-13-18-25的總成本最低，為358.771億元。選取加權系數求解多目標優化問題的最優解，可得到組合18為最佳輸電途徑，即2-7-13-18-25，到網電價為1.667 1元/kWh，投資總成本為403.572億元。

4 結 論

清潔替代和電能替代是全球能源可持續發展的必由之路。全球能源互聯網的建設是解決全球范圍內的能源資源和需求分布呈現非常不平衡的最有效的方法。以中國新疆光伏通過特高壓直流輸送到德國的實例為研究對象，構建了中國—德國的輸電走廊規劃方案，結論表明特高壓直流輸電技術實現洲際范圍內的清潔能源資源配置在技術上是可行的，而且輸電線路的長短、不同國家關稅、運行維護率、建設成本等的不同都會影響全球能源互聯網下輸電走廊的規劃。后期將考慮更多因素，如不同國家線路建設完工時間不同等，使輸電走廊規劃更具經濟性。

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With the rapid consumption of global traditional fossil energy, the new clean and renewable energy sources develop fast, because the energy sources are more and more away from the load center, the energy demand and distribution are uneven on time and space. The construction of global energy Internet can realize the global transmission function for the electricity of the clean energy base, and achieve the sharing of electric energy resource, which is an effective way to solve the unbalanced situation. Under the background of global energy Internet, taking China as a starting point and Germany as the end, the middle countries which are passing by are partitioned. Considering the tariff, the length of transmission lines, the operation and maintenance rate, construction cost of different countries, the mathematical models are established for the transmission corridor planning form China to Germany, and a corresponding example analysis is carried out.

global energy Internet; transmission corridor; economical efficiency; power price

科技項目：國家電網公司科技項目(XT71-15-040)

TM72

A

1003-6954(2017)03-0015-06

高 晗(1991)，碩士研究生，研究方向為全球能源互聯網；

2017-02-20)

劉繼春(1975)，教授、博士，研究方向為電力系統經濟性分析、電力市場以能源互聯網。