區(qū)域高壓直流電網(wǎng)將建成

整理撰稿人：中科院國(guó)家科學(xué)圖書館武漢分館先進(jìn)能源團(tuán)隊(duì)

張軍（E-mail:zhangjun@mail.whlib.ac.cn）、陳偉、李桂菊

審稿專家：中科院電工所肖立業(yè)研究員

1 高壓直流電網(wǎng)技術(shù)是適應(yīng)規(guī)模化可再生能源發(fā)電的關(guān)鍵

中國(guó)可再生能源發(fā)電具有大規(guī)模發(fā)展的資源基礎(chǔ)，將在未來發(fā)揮主流甚至主導(dǎo)能源的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年全國(guó)陸地接收的太陽(yáng)輻射總量相當(dāng)于24000億噸標(biāo)煤。離地10米高的風(fēng)能資源總儲(chǔ)量約為32.26億千瓦，可開發(fā)利用風(fēng)能儲(chǔ)量約10億千瓦。水能資源理論蘊(yùn)藏量近7億千瓦，占中國(guó)常規(guī)能源資源量的40%。

截至2011年底，全國(guó)并網(wǎng)可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到5159萬(wàn)千瓦，占總裝機(jī)容量的4.89%，其中并網(wǎng)風(fēng)電4505.11萬(wàn)千瓦，約占并網(wǎng)可再生能源發(fā)電裝機(jī)的87.33%；并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏裝機(jī)214.30萬(wàn)千瓦，約占4.15%。2011年我國(guó)并網(wǎng)可再生能源發(fā)電量933.55億千瓦時(shí)，約占總發(fā)電量的2%。其中并網(wǎng)風(fēng)電發(fā)電量為731.74億千瓦時(shí)，約占并網(wǎng)可再生能源發(fā)電量的78.38%；并網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電量9.14億千瓦時(shí)，約占0.98%[1]。

但受限于電力系統(tǒng)消納能力，大部分可再生能源未得到有效利用，甚至出現(xiàn)“棄風(fēng)”、“棄光”現(xiàn)象；另一方面風(fēng)電、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電具有間歇性、波動(dòng)性、分散性的特點(diǎn)，其發(fā)電模式完全不同于常規(guī)能源發(fā)電模式。隨著我國(guó)可再生能源基地建設(shè)步伐的日益加快和規(guī)模的迅速擴(kuò)大，現(xiàn)有的交流電網(wǎng)越來越難以消納，傳統(tǒng)的電力裝備、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行技術(shù)等在接納超大規(guī)模可再生能源方面也越來越力不從心，對(duì)電網(wǎng)動(dòng)態(tài)安全穩(wěn)定性帶來革命性挑戰(zhàn)。為此必須采用新技術(shù)、新裝備和新電網(wǎng)結(jié)構(gòu)來滿足未來能源格局的深刻變化。

基于常規(guī)直流及柔性直流的多端直流輸電系統(tǒng)和直流電網(wǎng)技術(shù)是解決這一問題的有效技術(shù)手段之一。近年來，直流輸配電網(wǎng)技術(shù)研究得到了越來越多的關(guān)注，歐洲和美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)啟動(dòng)了直流電網(wǎng)的建設(shè)和相關(guān)技術(shù)研發(fā)。實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)從交流運(yùn)行模式向交直流組合運(yùn)行或完全直流運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)變，將提高電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性，并對(duì)能源生產(chǎn)、輸配和利用方式、電氣行業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響，孕育一批高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

2 中國(guó)高壓直流電網(wǎng)發(fā)展與技術(shù)需求

中國(guó)高壓直流電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展起步較早。1990年8月，葛洲壩—上海南橋±500千伏直流輸電工程建成，這是我國(guó)第一項(xiàng)大型直流輸電工程。工程輸送距離1054公里，額定輸送容量120萬(wàn)千瓦。之后又陸續(xù)建設(shè)了三峽—常州、三峽—上海、三峽—廣東±500千伏直流輸電工程，直流線路全長(zhǎng)2900余公里。

近年來以建設(shè)強(qiáng)交強(qiáng)直的交直流互聯(lián)電網(wǎng)架構(gòu)為指導(dǎo)思想，我國(guó)開始推動(dòng)特高壓直流輸電工程建設(shè)。2010年7月8日向家壩—上海特高壓直流輸電示范工程成功投運(yùn)，并正在推進(jìn)錦屏—蘇南、哈密—鄭州、溪洛渡—金華等特高壓直流輸電工程建設(shè)。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)規(guī)劃，擬構(gòu)建華北—華東—華中1000kV交流主網(wǎng)架，與西北和東北送端電網(wǎng)通過直流異步相聯(lián)，所需的區(qū)外來電分別通過特高壓直流和特高壓交流輸入。山西、蒙西、陜北、寧夏、錫盟等大型煤電、風(fēng)電和四川水電以及沿海核電通過特高壓交流接入，西北、東北等地大型煤電、風(fēng)電和西南大型水電通過特高壓直流輸電通道送入[2]。

中國(guó)現(xiàn)有電網(wǎng)以交流為運(yùn)行模式，已經(jīng)形成一個(gè)龐大與之相適應(yīng)的電工與電氣裝備制造產(chǎn)業(yè)鏈。在以直流為主導(dǎo)運(yùn)行模式的電網(wǎng)研究上，中科院電工所對(duì)我國(guó)未來直流電網(wǎng)建設(shè)的合理性、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和廣域可再生能源資源互補(bǔ)利用模式及超導(dǎo)直流輸電技術(shù)等開展了研究，并啟動(dòng)了基于多種能源互補(bǔ)（含多種儲(chǔ)能系統(tǒng)）的直流電網(wǎng)示范系統(tǒng)的建設(shè)，建成了360米、萬(wàn)安培級(jí)的超導(dǎo)直流輸電示范工程。

從未來發(fā)展來看，我國(guó)要在直流電網(wǎng)的理論體系和關(guān)鍵技術(shù)等方面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性整體突破，還需要解決一批關(guān)鍵科技問題：在信息層面，包括新型高性能傳感器及其網(wǎng)絡(luò)、功率預(yù)測(cè)與預(yù)報(bào)技術(shù)、廣域海量數(shù)據(jù)快速傳輸、直流電網(wǎng)的建模與仿真技術(shù)、直流電網(wǎng)云計(jì)算和海計(jì)算技術(shù)、廣域直流網(wǎng)通用信息平臺(tái)的構(gòu)造及信息安全技術(shù)等；在物理層面，包括電網(wǎng)的演化及未來直流電網(wǎng)的構(gòu)造、直流電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性理論、新型電力電子器件、高壓大功率電力電子裝備、直流斷路器及限流技術(shù)、廣域直流網(wǎng)協(xié)調(diào)調(diào)度與優(yōu)化運(yùn)行控制、故障定位與網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、分布式電網(wǎng)及其接入、儲(chǔ)能技術(shù)、超導(dǎo)電力技術(shù)、新型電工材料等。

3 未來發(fā)展目標(biāo)及可突破的技術(shù)點(diǎn)

發(fā)展直流電網(wǎng)來解決中國(guó)未來可再生能源規(guī)模接入電網(wǎng)的問題是緊迫的任務(wù)。預(yù)計(jì)中國(guó)將在直流電網(wǎng)基礎(chǔ)理論和多端直流輸電技術(shù)方面取得突破，并在西北部可再生能源資源豐富地區(qū)建成區(qū)域直流電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域可再生能源的規(guī)模化應(yīng)用，提高可再生能源的比例。

根據(jù)《國(guó)家能源科技十二五發(fā)展規(guī)劃》，“十二五”期間，主要的柔性交流輸電FACTS裝置實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化；研制成短路故障限流器、直流斷路器、電力電子變壓器、超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)、超導(dǎo)直流輸電等示范系統(tǒng)；VSC-HVDC直流換流器在100kV系統(tǒng)得到應(yīng)用。

我國(guó)直流電網(wǎng)發(fā)展的預(yù)期目標(biāo)是：在2020年前，建立與中國(guó)國(guó)情相適應(yīng)的直流電網(wǎng)理論體系和技術(shù)體系以及標(biāo)準(zhǔn)體系，全面突破直流電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，為今后中國(guó)新一代電網(wǎng)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

未來電網(wǎng)向直流運(yùn)行模式的革命性轉(zhuǎn)變，將催生大量的科技創(chuàng)新機(jī)遇和一大批戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，直流電網(wǎng)科技的系統(tǒng)性突破，將為中國(guó)未來清潔能源體系的整體建立提供技術(shù)保障。

1 中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)信息部.2011年電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)快報(bào)，2012.

2 劉振亞，張啟平.國(guó)家電網(wǎng)發(fā)展模式研究.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（7）:1-10.