全球能源互聯(lián)網(wǎng)下輸電走廊規(guī)劃分析研究

高 晗,劉繼春,劉俊勇,曾平良,施浩波

(1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065;2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192)

全球能源互聯(lián)網(wǎng)下輸電走廊規(guī)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(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065;2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192)

隨著全球傳統(tǒng)化石能源高度消耗，新的清潔可再生能源快速發(fā)展，能源產(chǎn)地越來(lái)越遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，能源需求和分布存在時(shí)空上的不均衡。全球能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)可實(shí)現(xiàn)清潔能源基地電力的全球輸送功能，達(dá)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(lián)網(wǎng)的背景下，以中國(guó)為起點(diǎn)，德國(guó)為終點(diǎn)，將途經(jīng)的各國(guó)進(jìn)行分區(qū)，考慮不同國(guó)家的關(guān)稅、輸電線路長(zhǎng)度、運(yùn)行維護(hù)率、建設(shè)成本等因素，對(duì)中國(guó)—德國(guó)輸電走廊規(guī)劃問(wèn)題建立了數(shù)學(xué)建模，并進(jìn)行了相應(yīng)的算例分析。

全球能源互聯(lián)網(wǎng)；輸電走廊；經(jīng)濟(jì)性；到網(wǎng)電價(jià)

0 引 言

隨著傳統(tǒng)化石能源的大量開(kāi)發(fā)，能源資源日漸枯竭，環(huán)境污染和氣候變化問(wèn)題也日益突出，迫切的需要新的能源來(lái)替代傳統(tǒng)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(chǎn)和消費(fèi)中占更大的比例。全球范圍內(nèi)的能源資源和需求分布呈現(xiàn)非常不平衡的特征，能源基地遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，局部區(qū)域存在日益加劇的能源供求矛盾，未來(lái)全球跨區(qū)域能源貿(mào)易規(guī)模將不斷增大。建立以清潔能源為主導(dǎo)、以電能為中心、更高電壓等級(jí)、更大輸電容量、更遠(yuǎn)距離的全球能源配置網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)是未來(lái)能源發(fā)展的趨勢(shì)之一，以滿足清潔能源的大規(guī)模、遠(yuǎn)距離配置的需求[1]。

1 世界能源發(fā)展現(xiàn)狀和全球能源互聯(lián)網(wǎng)

圖1 2010—2050年世界經(jīng)濟(jì)總量及電力、能源需求增長(zhǎng)情況

1.1 世界能源發(fā)展現(xiàn)狀

從圖1和圖2可以看出來(lái)，2010—2050年，電力需求增速高于能源需求增速，電力在能源結(jié)構(gòu)中的優(yōu)勢(shì)地位日益凸顯。

從亞洲電力需求增長(zhǎng)較快和歐洲的電力需求飽和，可再生能源受入的需求來(lái)說(shuō)，是屬于電力受入?yún)^(qū)[2]；非洲地區(qū)的可再生能源資源非常豐富，大洋洲資源富集，電力需求規(guī)模相對(duì)較小，屬于電力輸出型地區(qū)。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(yīng)結(jié)構(gòu)變化

亞洲是全球最大的電力負(fù)荷中心，擁有豐富的可再生能源資源，未來(lái)將形成以洲內(nèi)大型可再生能源基地為電源送出點(diǎn)、連接各大負(fù)荷中心的亞洲互聯(lián)電網(wǎng)，并接受來(lái)自“一極一道”的跨國(guó)跨洲電力流。亞洲各大再生能源基地——蒙古國(guó)風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電基地、俄羅斯遠(yuǎn)東和西伯利亞水電基地、中亞風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電基地、中國(guó)“三北”和西北太陽(yáng)能發(fā)電基地、白令海峽及庫(kù)頁(yè)島風(fēng)電基地、印度太陽(yáng)能與風(fēng)電基地等開(kāi)發(fā)提速，成為亞洲互聯(lián)電網(wǎng)的電源送出點(diǎn)。未來(lái)俄羅斯遠(yuǎn)東西伯利亞地區(qū)豐富的可再生能源資源開(kāi)發(fā)，可為實(shí)現(xiàn)跨洲、更大范圍的能源電力資源優(yōu)化配置提供重要參考[3]。

1.2 全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究現(xiàn)狀

全球能源互聯(lián)網(wǎng)是以特高壓為骨干網(wǎng)架(通道)，以輸送清潔能源為主導(dǎo)，全球互聯(lián)泛在的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)。全球能源互聯(lián)網(wǎng)將由跨國(guó)跨洲骨干網(wǎng)架和各國(guó)各電壓等級(jí)電網(wǎng)(輸電網(wǎng)、配電網(wǎng))構(gòu)成，連接“一極一道”(北極、赤道)和各洲大型能源基地，適應(yīng)各種分布式電源需要，能夠?qū)L(fēng)能、太陽(yáng)能、海洋能等可再生能源輸送到各類用戶。全球能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各種清潔能源、化石能源轉(zhuǎn)換成電能后傳輸，并與其他傳統(tǒng)能源傳輸方式(如鐵路、管道等)分工協(xié)作、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)；作為連接各類電源和用戶的網(wǎng)絡(luò)樞紐，可優(yōu)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(shí)還可將清潔能源送至千家萬(wàn)戶，提供增值的公共服務(wù)[4]。

國(guó)際上針對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了廣泛的研究，重點(diǎn)研究下一代能源系統(tǒng)，其中歐盟、美國(guó)、中國(guó)等均提出能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想以及相關(guān)的項(xiàng)目。

歐盟開(kāi)展了未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目，并與能源部門合作，其核心在于構(gòu)建未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)的ICT平臺(tái)。德國(guó)聯(lián)邦政府開(kāi)展了E-Energy(智能電網(wǎng))項(xiàng)目——基于ICT的未來(lái)能源系統(tǒng)。并將E-Energy作為一個(gè)象征性的項(xiàng)目，旨在推動(dòng)基于ICT技術(shù)的高效能源系統(tǒng)項(xiàng)目。瑞士聯(lián)邦政府能源辦公室和產(chǎn)業(yè)部共同發(fā)起的Vision of Future Energy Networks。該項(xiàng)目的重點(diǎn)是研究多能源傳輸系統(tǒng)的利用和分布式能源的轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的系統(tǒng)仿真分析模型和軟件工具。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金項(xiàng)目啟動(dòng)“未來(lái)可再生電能傳輸與管理系統(tǒng)”，開(kāi)展配電系統(tǒng)能源互聯(lián)網(wǎng)研究。其研究一種構(gòu)建適應(yīng)高滲透率分布式可再生能源發(fā)電和分布式儲(chǔ)能并網(wǎng)的高效配電系統(tǒng)，稱之為能源互聯(lián)網(wǎng)。日本正在探索未來(lái)家庭能源管理系統(tǒng)(HEMS)。未來(lái)家庭能源管理HEMS是能源互聯(lián)網(wǎng)的基本單元。美國(guó)著名未來(lái)學(xué)家杰里米·里夫金提出的能源互聯(lián)網(wǎng)：兩種不同的技術(shù)(可再生能源與互聯(lián)網(wǎng))連接在一起，描繪了新的、充滿活力的能源互聯(lián)網(wǎng)，在中國(guó)引起的廣泛的關(guān)注。北京市電力公司承擔(dān)了國(guó)家科技部863課題“交直流混合配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)”和國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目“分布式能源高滲透率的交直流混合主動(dòng)配電網(wǎng)運(yùn)行生產(chǎn)管控關(guān)鍵技術(shù)研究”[5]。

全球能源互聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域和關(guān)鍵技術(shù)是構(gòu)建全球能源互聯(lián)提供技術(shù)支撐和保障[6]。具體內(nèi)容見(jiàn)表1。

在電源、電網(wǎng)、儲(chǔ)能和信息通信等領(lǐng)域全面推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新，需要符合以下4點(diǎn)：一是提高可再生能源的可控性，保障能源安全穩(wěn)定供應(yīng)；二是降低清潔能源發(fā)電成本，實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展；三是提高特高壓輸電技術(shù)水平，加快開(kāi)發(fā)“一極一道”和各洲大型清潔能源基地；四是研制適應(yīng)極端氣候條件的電力裝備，保證關(guān)鍵設(shè)備和電網(wǎng)建設(shè)運(yùn)行安全?！? 100 kV直流輸電技術(shù)是目前輸送距離最遠(yuǎn)、輸送容量最大的輸電技術(shù)，其輸送距離可達(dá)4 500 km以上，雙極輸電功率達(dá)到11 GW。中國(guó)—德國(guó)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(shè)，將新疆地區(qū)作為輸電起點(diǎn)，德國(guó)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(guó)新疆等地區(qū)的某些清潔能源開(kāi)發(fā)潛力巨大，如風(fēng)能、太陽(yáng)能等。預(yù)計(jì)2015年，新疆風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到10 GW以上，2020年達(dá)到20 GW。截至2013年年底，新疆地區(qū)太陽(yáng)能裝機(jī)約20 MW[7]。根據(jù)資源分布情況，未來(lái)新疆太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)潛力巨大，如表2所示。

表1 全球能源互聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域和關(guān)鍵技術(shù)

表2 新疆太陽(yáng)能資源量和可開(kāi)發(fā)量

截至2013年10月，德國(guó)發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘?87 GW，其中燃煤機(jī)組49 GW，約占總?cè)萘康?6.3%；光伏發(fā)電35 GW，約占總?cè)萘?9.1%；風(fēng)電32.513 GW，約占總?cè)萘康?7.4%。近年來(lái)，由于核電站的關(guān)閉，核能發(fā)電產(chǎn)量減少，可再生能源所占比例逐漸增加。中國(guó)新疆清潔能源開(kāi)發(fā)潛力巨大，未來(lái)德國(guó)是歐洲大陸最大的能源消費(fèi)國(guó)，根據(jù)其棄核、減排等政策，德國(guó)有較大的電力市場(chǎng)空間。

綜上所述，實(shí)現(xiàn)全球能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)可以實(shí)現(xiàn)清潔能源基地電力的全球輸送功能，東西半球時(shí)差和南北半球季節(jié)互補(bǔ)、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(nèi)的能源資源和需求分布呈現(xiàn)非常不平衡的最有效的方法。

2 全球能源互聯(lián)網(wǎng)輸電走廊規(guī)劃方案計(jì)算模型

研究以中國(guó)為起點(diǎn)，德國(guó)為終點(diǎn)的輸電走廊規(guī)劃問(wèn)題，從圖3(a)可看，從中國(guó)到德國(guó)將經(jīng)過(guò)哈薩克斯坦、俄羅斯、白俄羅斯、波蘭。圖3(b)表示，將每一個(gè)中間國(guó)分為3個(gè)區(qū)，從中國(guó)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(qū)域才可互聯(lián)，與哈薩克斯坦左上角第1個(gè)區(qū)域相鄰的有2個(gè)，與哈薩克斯坦第2個(gè)區(qū)域相鄰的有3個(gè)，

圖3 輸電線路投資模型

中國(guó)哈薩克斯坦俄羅斯白俄羅斯波蘭換流站投資/(億元)8684109123115運(yùn)行維護(hù)率/%1.41.81.91.751.6關(guān)稅/%7.17.17.14.2線路長(zhǎng)度均值/km16632047745691745線路投資均值/(萬(wàn)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(guó)。途經(jīng)的國(guó)家用i表示，細(xì)化的區(qū)域用j表示。

2.1 分段投資成本計(jì)算模型

因?yàn)槭强缰蘅鐕?guó)輸電，各個(gè)國(guó)家由于國(guó)情不一樣，導(dǎo)致每個(gè)國(guó)家的線路投資不同，因此需要分段計(jì)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(guó)j區(qū)所建換流站成本；Li,j為從i國(guó)到(i+1)國(guó)建設(shè)線路的長(zhǎng)度;CXi,j為此線路的單位建設(shè)成本[8]。

2)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用CYWi,j

CYWi,j=Afixed·i,j·Roper·i,j

(2)

式中：Afixed·i,j為i國(guó)j區(qū)固定資產(chǎn)原值，近似按工程投資計(jì)算；Roper·i,j為運(yùn)行維護(hù)費(fèi)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(guó)j區(qū)后的上網(wǎng)電價(jià)；Eδ·i,j為線損電量；Ream為電廠利潤(rùn)率；Hδ為線損利用小時(shí)；Capa為額定輸電容量;δi,j為線損率。

2.2 電價(jià)競(jìng)爭(zhēng)力模型

通過(guò)這條跨洲跨國(guó)輸電線路到達(dá)德國(guó)的電力到網(wǎng)電價(jià)越低，越具有競(jìng)爭(zhēng)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(guó)j區(qū)后的到網(wǎng)電價(jià)、輸電電價(jià)和線損電價(jià)；dr·(i,j)-1為出境i國(guó)j區(qū)前的到網(wǎng)電價(jià)；fi,j為入境i國(guó)j區(qū)時(shí)關(guān)稅[9]。

2.3 目標(biāo)函數(shù)

以總投資成本最少和到網(wǎng)電價(jià)最低為目標(biāo)函數(shù)。

minC=∑CPi,j+CYWi,j+CXSi,j

(8)

mindG

(9)

式中：C為總投資成本；dG為到德國(guó)到網(wǎng)電價(jià)。

3 算例分析

3.1 基本數(shù)據(jù)

如圖4所示，選取4個(gè)中間國(guó)：哈薩克斯坦、俄羅斯、白俄羅斯、波蘭，并對(duì)輸電線路進(jìn)行編號(hào)，可行的輸電線路共有27條。

圖4 輸電線路建設(shè)計(jì)算模型

根據(jù)2015年國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院《亞歐洲際輸電經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力研究》報(bào)告，將其數(shù)據(jù)做參考和引申，將輸電工程的利用小時(shí)選取為6 000 h，相應(yīng)線損利用小時(shí)為4 000 h，電廠利潤(rùn)率約為8%。中國(guó)光伏上網(wǎng)電價(jià)取0.55元/kWh。具體參數(shù)如表3所示。

3.2 計(jì)算結(jié)果

每條線路的工程投資成本、運(yùn)行維護(hù)成本不受到其他線路建設(shè)參數(shù)的影響，計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示。

不同線路輸電電價(jià)、運(yùn)行維護(hù)率不同，會(huì)產(chǎn)生不同的上網(wǎng)電價(jià)，導(dǎo)致各線路在不同組合下線損成本不同，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

因?yàn)槊織l線路的輸電電價(jià)不同，每個(gè)國(guó)家的關(guān)稅不同，所以不同的輸電組合有不同的到網(wǎng)電價(jià)，計(jì)算結(jié)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(yùn)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(wǎng)電價(jià)

綜合不同組合下不同線路工程投資成本、運(yùn)行維護(hù)成本、線損成本，可得到不同組合下的總投資成本，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

根據(jù)圖8可看出，組合20，即通過(guò)輸電線路2-7-14-20-25的到網(wǎng)電價(jià)最低，為1.650 3元/kWh;

圖9 不同組合下的總成本

根據(jù)圖9可看出，組合6，即通過(guò)輸電線路1-5-13-18-25的總成本最低，為358.771億元。選取加權(quán)系數(shù)求解多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的最優(yōu)解，可得到組合18為最佳輸電途徑，即2-7-13-18-25，到網(wǎng)電價(jià)為1.667 1元/kWh，投資總成本為403.572億元。

4 結(jié) 論

清潔替代和電能替代是全球能源可持續(xù)發(fā)展的必由之路。全球能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)是解決全球范圍內(nèi)的能源資源和需求分布呈現(xiàn)非常不平衡的最有效的方法。以中國(guó)新疆光伏通過(guò)特高壓直流輸送到德國(guó)的實(shí)例為研究對(duì)象，構(gòu)建了中國(guó)—德國(guó)的輸電走廊規(guī)劃方案，結(jié)論表明特高壓直流輸電技術(shù)實(shí)現(xiàn)洲際范圍內(nèi)的清潔能源資源配置在技術(shù)上是可行的，而且輸電線路的長(zhǎng)短、不同國(guó)家關(guān)稅、運(yùn)行維護(hù)率、建設(shè)成本等的不同都會(huì)影響全球能源互聯(lián)網(wǎng)下輸電走廊的規(guī)劃。后期將考慮更多因素，如不同國(guó)家線路建設(shè)完工時(shí)間不同等，使輸電走廊規(guī)劃更具經(jīng)濟(jì)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(xiàng)目：國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(XT71-15-040)

TM72

A

1003-6954(2017)03-0015-06

高 晗(1991)，碩士研究生，研究方向?yàn)槿蚰茉椿ヂ?lián)網(wǎng)；

2017-02-20)

劉繼春(1975)，教授、博士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析、電力市場(chǎng)以能源互聯(lián)網(wǎng)。