周孝信

(中國電力科學(xué)研究院，北京 100192)

1 新能源變革的目標(biāo)與電網(wǎng)的使命

能源革命是指人類在能源開發(fā)利用和加工轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成電力的應(yīng)用，起源于18世紀(jì)60年代英國的產(chǎn)業(yè)革命。第3次能源革命從20世紀(jì)40年代開始，以可控核反應(yīng)堆的發(fā)明為標(biāo)志。第4次能源革命發(fā)端于1973年世界第1次石油危機(jī)，石油危機(jī)的發(fā)生預(yù)示著化石能源使用進(jìn)入高峰期，加之環(huán)境的壓力，使新能源和可再生能源逐漸興起。

20世紀(jì)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(zhì)能、太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能和氫能?逐步代替化石能源，保證人類能源的可持續(xù)供應(yīng)?；茉炊倘焙涂萁叩念A(yù)期以及全球氣候變化的現(xiàn)實(shí)威脅，成為新能源變革的主要驅(qū)動(dòng)力。

電力行業(yè)的快速發(fā)展，使發(fā)電形式發(fā)生了本質(zhì)的變化，以化石燃料為主的可調(diào)節(jié)發(fā)電比例逐漸減少，以可再生能源為主的不可調(diào)節(jié)發(fā)電比例逐漸增加，給電網(wǎng)運(yùn)行帶來了重大挑戰(zhàn)。另外，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步為電網(wǎng)帶來了各種解決問題的方法和手段，電網(wǎng)如何適應(yīng)發(fā)展帶來的變化，是當(dāng)代電網(wǎng)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(zhuǎn)化為電能來實(shí)現(xiàn)。在新能源變革條件下，電網(wǎng)的重要性日益突出，電網(wǎng)將成為全社會(huì)重要的能源輸送和配給網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比較，未來電網(wǎng)具有以下使命:具有接納大規(guī)?？稍偕茉措娏Φ哪芰?實(shí)現(xiàn)電力需求側(cè)響應(yīng)、分布式電源、儲(chǔ)能裝置、能源綜合高效利用系統(tǒng)與電網(wǎng)有機(jī)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(fēng)險(xiǎn);與通信信息系統(tǒng)廣泛結(jié)合，實(shí)現(xiàn)覆蓋城鄉(xiāng)的能源、電力、信息綜合服務(wù)體系。

2 三代電網(wǎng)的概念及其發(fā)展階段

基于對(duì)世界電網(wǎng)發(fā)展歷史的回顧和對(duì)未來電網(wǎng)發(fā)展的前瞻估計(jì)，根據(jù)電網(wǎng)不同發(fā)展階段的主要技術(shù)、經(jīng)濟(jì)特征，大體上可將電網(wǎng)和電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展劃分為三代。20世紀(jì)前半期的電網(wǎng)屬于第1代電網(wǎng)，其特點(diǎn)是小機(jī)組、低電壓、小電網(wǎng)，其單機(jī)容量為100～200 MW，輸、配電網(wǎng)電壓等級(jí)為220 kV及以下。20世紀(jì)后半期的電網(wǎng)屬于第2代電網(wǎng)，其特點(diǎn)是大機(jī)組、高電壓、互聯(lián)電網(wǎng)，單機(jī)容量為300～1000 MW，采用了330 kV及以上超高壓交/直流輸電網(wǎng)絡(luò)。第3代電網(wǎng)是從21世紀(jì)初開始建設(shè)并設(shè)想到2050年在世界范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)的、可持續(xù)發(fā)展的電網(wǎng)模式，其主要特征是電網(wǎng)內(nèi)非化石能源發(fā)電占較大份額(如40% ～50%)，在輸電、配電和用電等領(lǐng)域廣泛實(shí)現(xiàn)智能化，其電源形式是大型骨干電源與分布式電源相結(jié)合，電網(wǎng)形式是骨干電網(wǎng)與地方電網(wǎng)、微電網(wǎng)結(jié)合。三代電網(wǎng)的概念及其發(fā)展階段劃分見表1。

我國電力工業(yè)始于1882年上海電力公司的誕生并因此產(chǎn)生了第1代電網(wǎng)，到1949年全國發(fā)電設(shè)備裝機(jī)容量為1850 MW，發(fā)電量只有4310 GW·h。此時(shí)的電網(wǎng)以孤立、小型電網(wǎng)為主。第2代電網(wǎng)建設(shè)從20世紀(jì)70年代開始:1971年全長535 km的劉家峽—關(guān)中330 kV輸電線路建成，形成我國第1個(gè)跨省電網(wǎng);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(qū)電網(wǎng)建設(shè);20世紀(jì)末推動(dòng)全國電網(wǎng)互聯(lián)，2005年西北電網(wǎng)750 kV輸電線路投入運(yùn)行，2009年我國1000 kV特高壓輸電線路投入運(yùn)行。

我國電網(wǎng)從小到大、從弱到強(qiáng)，已發(fā)展成世界上最大的互聯(lián)電網(wǎng)之一，電網(wǎng)已成為我國最重要的經(jīng)濟(jì)命脈。結(jié)合電網(wǎng)建設(shè)及大區(qū)聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐，從研究開發(fā)一次設(shè)備和系統(tǒng)，到二次控制、保護(hù)以及安全穩(wěn)定運(yùn)行、仿真分析技術(shù)研究，我國全面掌握了第2代電網(wǎng)技術(shù)，總體達(dá)到國際先進(jìn)水平。

隨著特高壓交/直流輸電和智能電網(wǎng)的開發(fā)建設(shè)，標(biāo)志著我國第3代電網(wǎng)建設(shè)的開始。

3 我國電網(wǎng)發(fā)展的歷程和前景展望

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

華北和華中電網(wǎng)之間的1000 kV交流特高壓聯(lián)網(wǎng)送電線路，從晉東南經(jīng)南陽到湖北荊門，全程645km，為單回線路，采用國產(chǎn)化設(shè)備。該線路于2008年12月調(diào)試成功，2009年1月投入運(yùn)行，經(jīng)過1年的安全運(yùn)行，達(dá)到了試驗(yàn)示范工程的目標(biāo)，2010年正式通過國家驗(yàn)收;擴(kuò)建工程將于2011年12月投產(chǎn)。近期將建設(shè)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(wǎng)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(dá)上海奉賢換流站，全程1 907 km，輸送電力總?cè)萘窟_(dá)6400 MW，該項(xiàng)目于2007年12月開工，2010年7月投入運(yùn)行。另一條±800 kV線路由四川裕隆到達(dá)江蘇同里換流站，全程2 096 km，輸送電力總?cè)萘窟_(dá)7200 MW，該項(xiàng)目于2009年12月開工，預(yù)計(jì)2013年投產(chǎn)。

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

表1 三代電網(wǎng)概念及發(fā)展階段

由于我國能源基地大都位于西北地區(qū)，2009年我國跨區(qū)電力輸送容量約60 GW，2030年預(yù)計(jì)可達(dá)到500 GW。

2020—2030年，我國電網(wǎng)的輸電骨干網(wǎng)，在形態(tài)上應(yīng)是超大規(guī)模超/特高壓交直流混聯(lián)的復(fù)雜電網(wǎng)。2030—2050年，隨著我國西南大規(guī)模水電、西部/北部大規(guī)模風(fēng)電和巨型荒漠太陽能電站、東部沿海海上風(fēng)電等可再生能源電力的集中開發(fā)，具有間歇性、波動(dòng)性等特性的電源比重將不斷提高，在全國范圍內(nèi)建設(shè)靈活可控、低損耗、高可靠性的跨大區(qū)超級(jí)輸電網(wǎng)絡(luò)，成為大范圍資源優(yōu)化配置和相互補(bǔ)償?shù)谋匦?。隨著基于高性能電力電子設(shè)備的多端高壓直流輸電技術(shù)的日趨成熟，高溫超導(dǎo)輸電技術(shù)極有可能取得突破，為建設(shè)基于常規(guī)導(dǎo)體線路和設(shè)備或基于高溫超導(dǎo)體線路和設(shè)備的多端直流超級(jí)輸電網(wǎng)絡(luò)提供了技術(shù)條件。

4 面向新一代電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 大規(guī)?？稍偕茉措娏尤腚娋W(wǎng)的影響

可再生能源電力接入系統(tǒng)會(huì)有不同的事故發(fā)生，例如，風(fēng)電場低電壓穿越可能造成的機(jī)組脫網(wǎng)事故。2008年4月吉林電網(wǎng)風(fēng)電場風(fēng)機(jī)就發(fā)生了脫網(wǎng)事故。當(dāng)時(shí)，在吉林白城變電站2.4 km處發(fā)生兩相瞬時(shí)短路事故，線路保護(hù)與過流保護(hù)動(dòng)作，80 ms后三相開關(guān)動(dòng)作，故障切除，1 s內(nèi)開關(guān)重合成功，電網(wǎng)恢復(fù)。但就在這不到1 s的低電壓階段，大唐吉林洮南大通風(fēng)電場內(nèi)所有機(jī)組跳閘，國華富裕風(fēng)電場內(nèi)所有變速風(fēng)機(jī)跳閘，同發(fā)－龍?jiān)磁c同發(fā)－華能風(fēng)電場內(nèi)所有風(fēng)電機(jī)組跳閘。

2011年春，西北電網(wǎng)河西地區(qū)風(fēng)電場先后4次發(fā)生風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故。其中，2011年2月24日事故的原因是三相短路造成開關(guān)跳閘，因風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越能力，風(fēng)電場274臺(tái)機(jī)組脫網(wǎng)，損失出力377.13 MW;故障切除后，因網(wǎng)內(nèi)部分風(fēng)電機(jī)組高電壓保護(hù)動(dòng)作，又造成300臺(tái)機(jī)組脫網(wǎng)，損失出力424.21 MW。故障脫網(wǎng)風(fēng)機(jī)共598臺(tái)，損失出力共計(jì)840.43 MW，致使西北電網(wǎng)的頻率最低降至49.854 Hz。

因此，風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)故障的適應(yīng)性和電網(wǎng)對(duì)大規(guī)模接入的適應(yīng)性都需要進(jìn)行研究。風(fēng)電接入系統(tǒng)需要研究的關(guān)鍵技術(shù)包括風(fēng)電功率的波動(dòng)性和間歇性等特性，抗故障的低電壓穿越能力，穩(wěn)態(tài)有功功率調(diào)節(jié)，調(diào)度控制要求，無功功率調(diào)節(jié)和電壓控制等，而且需要研究開發(fā)大容量集中和分散式儲(chǔ)能技術(shù)，解決發(fā)電側(cè)和用戶側(cè)風(fēng)電功率波動(dòng)的平滑控制問題。

4.2 電網(wǎng)技術(shù)研究課題概述

在中科院技術(shù)科學(xué)部“能源革命中電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展預(yù)測和對(duì)策研究”咨詢課題中，展望了到2050年具有潛在發(fā)展前景的電網(wǎng)新技術(shù)和裝備。在新材料、元器件和裝備方面，研究課題含超導(dǎo)電力、高性能電介質(zhì)材料、電力電子材料及器件、大容量電能儲(chǔ)存技術(shù)等;在新型輸電方式和電力系統(tǒng)方面，研究課題含綜合能源網(wǎng)絡(luò)、電網(wǎng)模式分析、交流半波長輸電及分頻輸電等技術(shù);在先進(jìn)信息、調(diào)度、控制和保護(hù)方面，研究課題含電力物聯(lián)網(wǎng)、未來電網(wǎng)調(diào)度等技術(shù);在智能配用電方面，研究課題含智能配電網(wǎng)和微網(wǎng)、電力市場體系和政策等研究。研究指出，未來電網(wǎng)發(fā)展的10項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)為大規(guī)模可再生能源電力友好接入、大容量輸電、先進(jìn)傳感網(wǎng)絡(luò)、通信與信息、先進(jìn)儲(chǔ)能、新型電力電子器件、超大規(guī)模交直流混聯(lián)電網(wǎng)、電力系統(tǒng)仿真、智能配電網(wǎng)和微網(wǎng)及智能用電技術(shù)。

我國能源分布與消費(fèi)不平衡的狀況，要求未來輸變電技術(shù)必須能夠滿足遠(yuǎn)距離、大容量輸送的要求。未來保護(hù)環(huán)境和節(jié)省輸電走廊的壓力會(huì)更大，發(fā)展大容量輸變電技術(shù)是解決問題的根本途徑。

根據(jù)預(yù)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(shù)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(shù)將獲得初步發(fā)展。2050年前，隨著全國范圍內(nèi)大規(guī)模集中式水電、風(fēng)電、太陽能發(fā)電的開發(fā)，各種類型電源相互補(bǔ)償將獲得重大技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益;隨著高溫超導(dǎo)材料關(guān)鍵技術(shù)的突破和多端直流輸電技術(shù)的成熟，有可能進(jìn)一步構(gòu)建高溫超導(dǎo)(或常規(guī)導(dǎo)體)多端直流輸電網(wǎng)模式。目前，世界上已有兩端輸電系統(tǒng)，多端直流輸電系統(tǒng)幾乎都是基于線電壓換相電流源換流器技術(shù)的常規(guī)直流輸電系統(tǒng)。隨著基于全控元件的電壓源換流器構(gòu)成的多端直流輸電技術(shù)的完善和成熟，最終將有可能形成以電壓源換相技術(shù)為主體的直流輸電網(wǎng)，使電網(wǎng)形態(tài)出現(xiàn)重大的變革。

基于電壓源換流器的多端直流輸電技術(shù)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(shè)備裝備研究，包括IGBT高壓串聯(lián)閥及其電壓源換流器、直流斷路器、高壓直流電纜等;系統(tǒng)研究，包括電壓源換相直流輸電系統(tǒng)分析與仿真，電壓源換相直流輸電系統(tǒng)過電壓分析與絕緣配合，電壓源換相直流輸電系統(tǒng)成套設(shè)計(jì)，電壓源換相直流系統(tǒng)控制保護(hù)策略等;網(wǎng)絡(luò)研究，包括直流輸電網(wǎng)功率傳輸特性與運(yùn)行特性研究，多端直流輸電網(wǎng)控制和調(diào)度技術(shù)，直流輸電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)等。

4.3 研究中的電網(wǎng)新技術(shù)

4.3.1 超導(dǎo)輸電

隨著超導(dǎo)技術(shù)的進(jìn)步，重點(diǎn)將開發(fā)超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)儲(chǔ)能等電力設(shè)備和技術(shù)，長遠(yuǎn)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)大容量、遠(yuǎn)距離、超導(dǎo)直流輸電，通過試點(diǎn)和示范工程加速超導(dǎo)電力技術(shù)在我國的實(shí)用化進(jìn)程。

4.3.2 輸能管網(wǎng)

輸能管網(wǎng)技術(shù)由美國首先提出，其核心是建立跨北美大陸的同時(shí)輸送電能和液態(tài)氫的輸能地下超導(dǎo)管線網(wǎng)絡(luò)。輸電部件采用高溫超導(dǎo)技術(shù)，用高壓直流超導(dǎo)電纜輸送電能，而液態(tài)氫在電纜芯的管道中流動(dòng)，主要用于供應(yīng)燃料電池汽車并兼作超導(dǎo)冷卻介質(zhì)。設(shè)想的輸能管網(wǎng)可同時(shí)輸電和輸氫，液態(tài)氫(20 K)可解決高溫超導(dǎo)運(yùn)行的制冷問題，同時(shí)制氫相當(dāng)于儲(chǔ)能，可解決電網(wǎng)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(dǎo)線材銥鋇銅氧已能達(dá)到液氮溫度77 K，如果溫度能進(jìn)一步提高到110 K，則可實(shí)現(xiàn)同時(shí)輸電與輸送液化天然氣。

氣體絕緣線路(GIL)是輸電線路技術(shù)發(fā)展的又一方向，已建成投產(chǎn)的德國法蘭克福機(jī)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(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)

儲(chǔ)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電規(guī)模化利用的關(guān)鍵技術(shù)。儲(chǔ)能技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展，能夠使間歇性的、隨機(jī)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(guī)?；瘍?chǔ)能技術(shù)應(yīng)用之后，電力成為可以儲(chǔ)存的商品，將成為促進(jìn)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理及使用等發(fā)生革命性變化的催化劑。電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能技術(shù)包括抽水蓄能、飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能(SMES)、超級(jí)電容器儲(chǔ)能及電池儲(chǔ)能等。不同儲(chǔ)能形式具有明顯的差異，包括儲(chǔ)能容量、儲(chǔ)放能時(shí)間及儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性等。

4.3.4 新型電力電子器件

電力電子裝置是實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換和控制的執(zhí)行單元，其應(yīng)用貫穿于電力的發(fā)、輸、配、用各個(gè)環(huán)節(jié)。未來電網(wǎng)中大部分電能可能都需要通過電力電子裝置實(shí)現(xiàn)控制和轉(zhuǎn)換。未來40年，新型電力電子技術(shù)的發(fā)展要實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo):實(shí)現(xiàn)硅、碳化硅、金剛石器件等新型電力電子器件的技術(shù)升級(jí)及推廣應(yīng)用;實(shí)現(xiàn)柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)、固態(tài)電力電子裝置、分頻輸電用電力電子裝置在輸電領(lǐng)域的靈活應(yīng)用，為我國大容量、遠(yuǎn)距離輸電提供有力保障。

4.3.5 靈活交流輸電系統(tǒng)

靈活交流輸電技術(shù)能有效地控制潮流，為電網(wǎng)的自愈、可調(diào)提供了實(shí)現(xiàn)手段;可阻尼電力系統(tǒng)振蕩，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，為電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支撐;可提高系統(tǒng)輸送能力，平衡無功分布，降低網(wǎng)損。因此，該技術(shù)是智能電網(wǎng)建設(shè)不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

5 結(jié)論

當(dāng)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(jié)構(gòu)將發(fā)生重大變化，電力將成為最重要的能源載體，對(duì)電網(wǎng)的安全性、適應(yīng)性、資源優(yōu)化配置能力提出了更高的要求，因此，建設(shè)新一代電網(wǎng)的時(shí)期已經(jīng)來到。新一代電網(wǎng)是第3代電網(wǎng)，是廣義的智能電網(wǎng)。第1代和第2代電網(wǎng)的發(fā)展都經(jīng)過了大約50年，推測第3代電網(wǎng)相關(guān)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)也要50年。在此期間，將逐步實(shí)現(xiàn)大型電源與分布式電源相結(jié)合、骨干電網(wǎng)與微型電網(wǎng)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)格局，預(yù)計(jì)包括可再生能源在內(nèi)的清潔能源發(fā)電比重將超過50%。

新一代電網(wǎng)技術(shù)包括大規(guī)?？稍偕茉措娏τ押媒尤爰夹g(shù)、大容量輸電技術(shù)、先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)、新型電力電子器件及應(yīng)用技術(shù)等，這些技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展將為新一代電網(wǎng)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

大規(guī)模海上和陸地風(fēng)能、荒漠太陽能、水電等可再生能源電力的開發(fā)，對(duì)電力系統(tǒng)提出了大容量、遠(yuǎn)距離輸電的要求。因此，應(yīng)在現(xiàn)有輸電技術(shù)的基礎(chǔ)上研究探索新的輸電方式和輸電技術(shù)，為發(fā)展新的輸電網(wǎng)絡(luò)提前做技術(shù)儲(chǔ)備。多端高壓直流輸電和直流輸電網(wǎng)技術(shù)作為未來可能的輸電方式已成為各國研究的熱點(diǎn)。未來電網(wǎng)中大部分電能可能都需要通過電力電子裝置實(shí)現(xiàn)控制和轉(zhuǎn)換，電力電子技術(shù)的研究和開發(fā)至關(guān)重要。