周孝信

(中國電力科學(xué)研究院，北京100192)

我國未來電網(wǎng)對超導(dǎo)技術(shù)的需求分析

周孝信

(中國電力科學(xué)研究院，北京100192)

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國的電力需求在中長期將會持續(xù)增長，同時，我國主要的發(fā)電資源與負荷中心在地理上的分布極不均衡，這將會對未來電網(wǎng)的輸電和電網(wǎng)技術(shù)帶來重大挑戰(zhàn)。本文在簡述我國中長期(2030～2050年)可能存在的能源電力供需情景、輸電模式的基礎(chǔ)上，對常規(guī)輸電方式面臨的挑戰(zhàn)進行了分析?；诖?，結(jié)合國內(nèi)外高溫超導(dǎo)輸電技術(shù)發(fā)展和示范應(yīng)用情況，分析了我國未來電網(wǎng)對超導(dǎo)技術(shù)的需求，同時提出了進一步發(fā)展超導(dǎo)技術(shù)的相關(guān)建議。

超導(dǎo)輸電;未來電網(wǎng);電力流;直流輸電;輸電方式;特高壓;電網(wǎng)技術(shù)

1 引言

進入21世紀以來，隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，電力需求也不斷增加。但我國的能源資源與電力負荷在地理上的分布呈現(xiàn)極不均衡的特點。我國的能源資源(常規(guī)化石能源或可再生能源)主要集中在經(jīng)濟發(fā)展相對緩慢的西部和北部，而負荷大部分分布在經(jīng)濟較為發(fā)達的中部和東部地區(qū)［1］。因此，可以預(yù)見，遠距離、高容量、跨區(qū)域輸電將成為我國未來電網(wǎng)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。

經(jīng)過10多年的技術(shù)研發(fā)和實踐，我國交流和直流特高壓輸電技術(shù)和電網(wǎng)技術(shù)獲得重大進展，為實現(xiàn)大容量遠距離輸電奠定了堅實基礎(chǔ)。然而這些建立在常規(guī)技術(shù)基礎(chǔ)上的大容量輸電，在輸電損失、環(huán)境影響、輸電走廊、電網(wǎng)安全等方面都存在一些不足之處。

為了滿足未來的需求，實現(xiàn)性能更為優(yōu)越的輸電方式，一些采用新材料、新器件、新原理的輸電技術(shù)，如新型電壓源直流輸電技術(shù)(VSC-HVDC)、直流電網(wǎng)技術(shù)、超導(dǎo)輸電技術(shù)、新型大容量輸電線路技術(shù)等正分別處于基礎(chǔ)研究、技術(shù)攻關(guān)或試點示范過程之中。如果這些先進輸電的技術(shù)瓶頸獲得突破，并能夠?qū)嵱没?，則將為我國未來電網(wǎng)發(fā)展提供更多的技術(shù)選擇。

本文分析了高溫超導(dǎo)輸電技術(shù)在應(yīng)對我國能源變革和電網(wǎng)發(fā)展所具有的優(yōu)勢，并指出了我國未來電網(wǎng)對其的需求，從而提出進一步發(fā)展超導(dǎo)技術(shù)的相關(guān)建議。

2 我國中長期電力供需情景及電力流預(yù)測

2.1 我國中長期電力需求預(yù)測

截止2013年底，我國全社會用電量達到了5.3223萬億kW·h，2013年，人均用電量達到3911kW·h/人。根據(jù)預(yù)測，2020年以前，電力需求將保持每年5%～6% 的增長，2021～2030年，電力需求年均增速將放緩到3.5%左右，2031～2050年，電力需求年均增速進一步放緩至1%左右，到2050年全國需電量將達到11.6～15萬億kW·h［2］，表1為預(yù)測的我國中長期電力需求。

表1 中國中長期電力需求(需電量)Tab．1 Long-term and medium-term power load demand in China單位:(億kW·h)

我國未來大部分用電量需求集中在經(jīng)濟較為發(fā)達的中部和東部地區(qū)，中國分區(qū)用電量發(fā)展趨勢預(yù)測見表2。

表2 中國分區(qū)用電量發(fā)展趨勢Tab．2 Trend in development of power load demand for different areas in China單位:(億kW·h)

2.2 我國中長期電力供應(yīng)能力

為應(yīng)對高速增長的負荷需求，我國未來的能源開發(fā)也面臨巨大挑戰(zhàn)。我國能源資源總體分布是西多東少、北多南少。大興安嶺-太行山-雪峰山以西地區(qū)的煤炭資源量為5.1萬億噸，占全國煤炭資源總量的92%;西南地區(qū)(四川、重慶、云南、貴州、西藏)水力資源可開發(fā)量占全國的2/3;全國陸地風(fēng)能資源潛在開發(fā)量約為24億kW，90%以上分布在“三北”地區(qū)(東北、西北、華北北部);青藏高原、甘肅、寧夏北部、新疆南部、蒙西等我國西部地區(qū)太陽能資源最為豐富。

(1)煤電

碳排放氣候變化、環(huán)境保護和煤炭產(chǎn)能是限制煤電發(fā)展的主要因素。受煤炭產(chǎn)能約束，2030年燃煤發(fā)電量上限按6.2～7萬億kW·h、煤電裝機按12.5～14億kW考慮;2050年燃煤發(fā)電量上限按7～7.5萬億kW·h、煤電裝機按14～15億kW考慮。隨著國際國內(nèi)環(huán)境保護壓力的不斷加大，特別是近年來我國中東部廣大地區(qū)面臨嚴重霧霾的現(xiàn)實威脅，減少煤炭利用的呼聲日趨高漲，政府也出臺相應(yīng)的限煤措施。在此情況下，燃煤發(fā)電雖然在煤炭的各種能源利用中效率高、環(huán)境影響小，但由于總量巨大，其進一步發(fā)展規(guī)模的前景仍存在一定的不確定性。

(2)天然氣發(fā)電

綜合考慮國內(nèi)外資源，預(yù)計2030年、2050年我國天然氣最大供應(yīng)能力分別為4600～4800億m3、5500～6000億m3左右。按照遠景年我國天然氣用于發(fā)電比例按20%考慮，2030年天然氣供應(yīng)可支撐發(fā)電量約為0.46～0.48萬億kW·h，裝機約1.0～ 1.1億 kW;2050年可支撐發(fā)電量約為0.6萬億kW·h，裝機約1.3億kW。隨著非常規(guī)天然氣勘探和開采技術(shù)的進一步成熟，2020年后天然氣產(chǎn)量有可能實現(xiàn)跨越性增加;而分布式能源的發(fā)展有可能使天然氣用于發(fā)電的比例大幅提高，預(yù)計氣電發(fā)電量可能增加至1.8萬億kW·h左右，裝機約4億kW，但取決于資源勘探和開發(fā)技術(shù)的進展，此前景的實現(xiàn)仍存在較大的不確定性。

(3)核電

至 2013 年 底，我 國 核 電 裝 機 容 量 為1461萬kW，隨著乏燃料發(fā)電等技術(shù)的發(fā)展，鈾資源已不再構(gòu)成我國未來核電發(fā)展的最主要制約因素。而為了保證核電安全，核電廠址對地震地質(zhì)、水文氣象、環(huán)境保護、人口密度等眾多因素的要求更為嚴格，廠址資源將是我國核電發(fā)展的最主要影響因素。根據(jù)廠址普選工作成果并考慮進一步選址勘察的潛力，遠景核電可滿足3～4億kW的裝機規(guī)模。

(4)水電

我國水電資源豐富。至2013年底，我國水電裝機容量約為28002萬kW，東部水電已開發(fā)完畢，中部水電開發(fā)程度也已將近八成。按照水能蘊藏量統(tǒng)計，遠景年，我國水電發(fā)展上限大致達到5億kW。

(5)風(fēng)電

截至2013年底，我國風(fēng)電并網(wǎng)裝機規(guī)模達7548萬kW，居世界第一。就近期而言，電網(wǎng)消納能力是制約“三北地區(qū)”風(fēng)電發(fā)展的最主要因素，開發(fā)成本則是制約海上風(fēng)電發(fā)展的最主要因素。隨著電力裝機結(jié)構(gòu)中調(diào)峰電源比例的不斷提高、智能電網(wǎng)和先進儲能技術(shù)的推廣應(yīng)用，風(fēng)電的消納難題將得以逐步解決，而隨著風(fēng)電技術(shù)的進步、化石燃料發(fā)電成本的增加，未來風(fēng)電的競爭力也將逐漸增加。2020年我國風(fēng)電裝機將達到2億kW，期望到2050年，我國風(fēng)電裝機規(guī)模能達到10億kW。

(6)太陽能發(fā)電

截至2013年底，我國太陽能發(fā)電并網(wǎng)裝機規(guī)模達1479萬kW。隨著太陽能發(fā)電技術(shù)的進步、化石燃料發(fā)電成本的增加，未來太陽能發(fā)電的競爭力將逐漸增加。2020年我國太陽能發(fā)電裝機將達到5000萬kW，期望到2050年，我國太陽能發(fā)電裝機規(guī)模能達到5億kW。

綜合考慮各類發(fā)電資源的供應(yīng)能力，我國遠景2050年能夠?qū)崿F(xiàn)的發(fā)電量最大規(guī)模在14.2～16.6萬億kW·h左右。其中，化石能源發(fā)電量占53.5%～56%左右，非化石能源發(fā)電量占45%左右。裝機容量的最大規(guī)模在38.3～43億kW左右?；茉囱b機規(guī)模占40%～44.2%。最高可支持人均裝機達到2.6～3kW，詳見表3和表4［3］。

表3 中國中長期可支持發(fā)電量及裝機(低方案)Tab．3 Long-term and medium-term supportable installed capacities and power generation(low level scenario)

表4 中國中長期可支持發(fā)電量及裝機(高方案)Tab．4 Long-term and medium-term supportable installed capacities and power generation(high level scenario)

2.3 電源發(fā)展模式和區(qū)域布局預(yù)測

總體上，我國未來電源的發(fā)展應(yīng)遵循骨干電源與分布式電源相結(jié)合的模式。不同類型電源的開發(fā)模式根據(jù)其能源資源的分布、環(huán)境影響、運行和使用特性不同而各有側(cè)重。發(fā)展的區(qū)域分布則更與這些因素密切相關(guān)。

(1)煤電

目前中東部地區(qū)煤電裝機總量約5.4億kW，占煤電裝機總量的比重約2/3，而西部地區(qū)僅占1/3左右。未來中東部地區(qū)新增煤電將受到嚴格控制，新增煤電主要以在西部和北部煤炭產(chǎn)區(qū)建設(shè)現(xiàn)代化大型煤電基地為主要發(fā)展模式;煤電總量也應(yīng)得到控制，預(yù)計在2030年達到供應(yīng)頂點，2030～2050年主要立足于存量調(diào)整，做好存量機組的替代、淘汰和更新工作，煤電裝機總量呈穩(wěn)中下降趨勢。

(2)氣電

天然氣發(fā)電和燃氣分布式能源的發(fā)展，能起到改善能源結(jié)構(gòu)、節(jié)能減排等作用，主要應(yīng)布局在中東部地區(qū)，以采用分布式高效綜合利用為主要發(fā)展模式。在國內(nèi)常規(guī)天然氣開采穩(wěn)步增長，非常規(guī)天然氣開發(fā)取得突破，天然氣國際進口通道逐步完善，具備可靠、穩(wěn)定的天然氣供應(yīng)能力條件下，氣電是替代部分煤電機組、改善我國以煤為主的電力供應(yīng)結(jié)構(gòu)的重要選擇。長遠來看，天然氣發(fā)電裝機規(guī)模有望超過2億kW。

(3)水電

水電開發(fā)呈現(xiàn)逐步西移、梯級推進態(tài)勢，以大型水電基地開發(fā)為主要模式，2030年左右將基本開發(fā)完畢，裝機總量應(yīng)達到4.5～5億kW。

(4)核電

近中期核電開發(fā)以在東中部建設(shè)大型核電基地為主要模式。中長期來看，中國作為能源消耗大國和碳排放大國，在能源需求剛性增長、環(huán)境保護、應(yīng)對氣候變化等多重壓力下，發(fā)展核電仍勢在必行。由于日本福島核事故的影響，預(yù)計2020年發(fā)展規(guī)模很有可能在6000萬kW左右，2021～2030年，若內(nèi)陸缺能省份核電開始規(guī)?；l(fā)展，預(yù)計全國新增核電約7000～9000萬kW，2030年總裝機達1.3～1.5億kW左右，核電的潛在發(fā)展規(guī)模有望達到3億kW左右。

(5)風(fēng)電

近期主要在“三北”地區(qū)發(fā)展大規(guī)模風(fēng)電基地，“三北”10個省區(qū)風(fēng)電開發(fā)規(guī)模已占全國的80%左右。預(yù)計2015年全國風(fēng)電將達到1.2億kW，2020年將達到2億kW，風(fēng)電跨區(qū)消納成為待解決的主要問題。未來應(yīng)采取西部北部大型風(fēng)電基地開發(fā)與中東部分散開發(fā)相結(jié)合的模式，充分利用華中、華東、南方等地區(qū)的風(fēng)能資源條件和消納市場，擴大中東部地區(qū)分散式風(fēng)電開發(fā)規(guī)模，促進海上風(fēng)電規(guī)?；_發(fā)，提高風(fēng)電發(fā)展速度。根據(jù)對清潔能源的需求，遠期全國風(fēng)電裝機規(guī)模期望達到10億kW左右，爭取西部北部大型風(fēng)電基地與中東部開發(fā)(含陸上分散開發(fā)和海上開發(fā))各占一半。

(6)太陽能發(fā)電

太陽能發(fā)電應(yīng)采取西部集中開發(fā)與中東部分散布局并重的發(fā)展模式，近期以分散開發(fā)光伏發(fā)電為主。2020年之后，將以西部北部集中開發(fā)為主，發(fā)展大型光伏電站和太陽能熱發(fā)電站。2020年太陽能發(fā)電裝機有可能達到1億kW。遠期適應(yīng)清潔能源的需求，應(yīng)超過5億kW，爭取大型基地開發(fā)與分散開發(fā)各占一半。由于主要增長空間在西部、北部資源富集地區(qū)，距離中東部負荷中心2000km左右，需要新建和結(jié)合已有煤電、水電、風(fēng)電等輸電通道，實現(xiàn)煤、水、風(fēng)、光聯(lián)合輸送和跨省區(qū)消納。

2.4 我國未來電力流

根據(jù)上述分析，我國能源資源與負荷中心呈逆向分布，能源流向呈現(xiàn)“西煤東送、北煤南運”、“西電東送”、“北電南送”的格局。未來我國能源生產(chǎn)重心將進一步西移和北移，而需求重心則可能長期保持在中東部地區(qū)，能源流規(guī)模和距離將進一步增大，圖1顯示了我國未來的電力流向。

圖1 我國未來電力流示意圖Fig．1 Future expected power flow in China

西電東送的需求根本上應(yīng)是中東部經(jīng)濟發(fā)展對電力的需求與本地電力供給能力的差值。盡管未來我國東中西部地區(qū)用電量的差距將逐步縮小，中東部(含東北)用電量比重將由現(xiàn)況的77%下降到73%，中東部本身的電力供應(yīng)能力由前期的占總量51%增加到后期的占總量56%，但中東部仍有約占總量26%～17%的電量需要通過西電東送供給。

在未來我國電力發(fā)展趨于飽和的情況下(人均年消費電量8000kW·h，約在2030～2050年)，西部輸送到中東部地區(qū)的電力容量將由現(xiàn)況的1億kW增加到4.5～5.5億kW，相應(yīng)輸送電量為2～2.5萬億kW·h，東送輸電線路綜合年利用小時達到4400～4500h。測算中設(shè)定水電年運行3500h;核電年運行7000h;氣電年運行4500h;煤電年運行5000h;風(fēng)電、光電等綜合年運行1800h，其輸電容量按電量不變折算為等價年運行5000h的容量值。

3 常規(guī)輸電方式的重大挑戰(zhàn)

根據(jù)上文的分析可知，我國未來電網(wǎng)將面臨遠距離、高容量輸送電能的巨大挑戰(zhàn)。我國西電東送的電力流，即西部輸送到中東部地區(qū)的電力容量將由現(xiàn)況的1億kW增加到4.5～5.5億kW，相應(yīng)輸送電量為2～2.5萬億kW·h/年，這是對輸電和電網(wǎng)技術(shù)的重大挑戰(zhàn)。

經(jīng)過10多年的技術(shù)研發(fā)和實踐，我國交流和直流特高壓輸電技術(shù)和電網(wǎng)技術(shù)獲得重大進展，為實現(xiàn)大容量遠距離輸電奠定了堅實基礎(chǔ)。然而這些建立在常規(guī)技術(shù)基礎(chǔ)上的大容量輸電，在輸電損失、環(huán)境影響、輸電走廊、電網(wǎng)安全等方面都存在一些不足之處。

在輸電損失方面，我國當(dāng)前和未來大容量遠距離輸電主要采用超高壓(±400～±600kV)或特高壓(±800～±1000kV)直流輸電。直流輸電系統(tǒng)的損耗包括兩端換流站損耗、直流輸電線路損耗和接地極損耗三部分。其中接地極系統(tǒng)損耗很小，可以忽略不計。直流輸電線路損耗取決于輸電線路長度以及導(dǎo)線截面選擇，對遠距離輸電線路通常約占額定輸送容量的5%～7%。換流站的損耗約為換流站額定輸送功率的0.5% ～1%。特高壓直流輸電與超高壓直流輸電相比線路損失較小，但由于輸電距離長，輸電損失仍不容小視。如±500kV超高壓直流輸電，額定輸送容量3000MW，經(jīng)濟輸電距離小于1000km，線損率4.49% ～7.48%;±800kV特高壓直流輸電，額定輸送容量7200MW，經(jīng)濟輸電距離1400～2500km，線損率5.98% ～9.5%;±1000kV特高壓直流輸電，額定輸送容量9000MW，經(jīng)濟輸電距離2500～4500km，線損率6.54% ～10.58%［4］。由此可見，即使采用特高壓直流輸電技術(shù)，其線路功率損失加上兩端換流站損失也會達到其額定輸送功率的8%～10%。對于西電東送電力容量4.5～5.5億kW，輸送電量2～2.5萬億kW·h/年的需求，輸電的功率損失可高達4000萬kW，相當(dāng)于二個三峽電站的裝機容量。

在輸電走廊需求方面，現(xiàn)有大容量遠距離輸電均采用架空輸電技術(shù)。西電東送電力容量4.5～5.5億kW，按采用±1000kV特高壓直流輸電，每回線路輸送1000萬kW計，也需要45～55回線路。特高壓直流輸電單回線路走廊寬度約為34m，與其他線路共用走廊時為80m?？傆嬚加幂旊娮呃葘挾群兔娣e都是一個巨大的數(shù)字。特別是我國西部多為山區(qū)，能夠供輸電線路通過的路徑缺乏，局部輸電通道狹窄。如我國西南水電特別是川西、西藏水電開發(fā)外送，河谷狹小、橫斷山脈高海拔、地質(zhì)災(zāi)害頻繁，穿越線路的難度極大;又如新疆、甘肅、青海風(fēng)能、太陽能資源豐富，未來將大規(guī)模開發(fā)，然而送出通道受限于山口、走廊的寬度，除電力輸送外，鐵路公路、油氣管道等都需要通過，給電力輸送的資源有限。

4 我國未來電網(wǎng)的發(fā)展模式

在不遠的將來，我國大規(guī)模新能源和可再生能源的開發(fā)與利用將進入新的階段。風(fēng)能、太陽能、水能資源豐富的三北地區(qū)和西南地區(qū)在滿足當(dāng)?shù)毓╇姷幕A(chǔ)上，將承擔(dān)起向中東部負荷中心提供清潔能源的重任。風(fēng)電、太陽能等新能源具有間歇性和大幅度長時間尺度隨機功率波動特性，大容量遠距離輸送新能源將對電網(wǎng)的送受端均產(chǎn)生沖擊，解決新能源功率波動引起的大電網(wǎng)潮流躥動、保證清潔能源的高效可靠利用成為電網(wǎng)的主要任務(wù)。在此情況下，隨著直流輸電技術(shù)快速發(fā)展，在多端直流輸電和直流電網(wǎng)等先進輸電技術(shù)的技術(shù)瓶頸和關(guān)鍵技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，在我國西部構(gòu)建送端直流輸電網(wǎng)，有其必要性和優(yōu)越性:

(1)能夠更好地滿足未來電力由西部向中東部地區(qū)遠距離、大容量輸送的重大需求;

(2)能夠在西部送端實現(xiàn)風(fēng)電、太陽能發(fā)電、水電、煤電等不同特性電源之間補償調(diào)節(jié)，有效解決新能源出力的隨機性和波動性帶來的問題;

(3)可以充分利用輸電走廊和線路資源，提高輸電系統(tǒng)資產(chǎn)利用效率;

(4)能實現(xiàn)西部廣大地區(qū)各交流電網(wǎng)的異步連接，提高運行的穩(wěn)定性，滿足西部的用電需求。

因此可以預(yù)期，2030～2050年的遠期，我國將逐步形成西部送端直流輸電網(wǎng)與中東部受端超/特高壓交流電網(wǎng)相融合的輸電網(wǎng)模式，能夠?qū)⑽鞑亢捅辈看笮兔弘娀亍⑽髂洗笮退娀?、風(fēng)電與太陽能發(fā)電等可再生能源基地構(gòu)成一個互聯(lián)的直流輸電網(wǎng)，完成電源匯集，遠距離輸送到京津冀魯、華中東四省、華東、南方兩廣等負荷中心地區(qū)消納，從而形成一個全新的電網(wǎng)格局。遠期西部送端直流輸電網(wǎng)和中東部受端超/特高壓交流電網(wǎng)相融合的輸電網(wǎng)模式示意如圖2所示。

圖2 西部送端直流輸電網(wǎng)和中東部受端超/特高壓交流電網(wǎng)相融合的輸電網(wǎng)模式Fig．2 Future transmission mode which combines west sending-end DC grid and mid-eastern receiving-end UHV/EHV AC grid

5 未來電網(wǎng)對超導(dǎo)技術(shù)的需求

為了應(yīng)對我國未來電網(wǎng)上述所面臨的輸電挑戰(zhàn)，實現(xiàn)性能更為優(yōu)越的輸電方式，一些采用新材料、新器件、新原理的輸電技術(shù)，如直流電網(wǎng)技術(shù)、超導(dǎo)輸電技術(shù)等正分別處于基礎(chǔ)研究、技術(shù)攻關(guān)或試點示范過程之中。如果這些先進輸電的技術(shù)瓶頸獲得突破，并能夠?qū)嵱没?，則將為我國未來電網(wǎng)發(fā)展提供更多的技術(shù)選擇。

超導(dǎo)技術(shù)以其在一定條件下無電阻效應(yīng)的特點，用于電力輸送領(lǐng)域具有體積小、重量輕、損耗低、容量大等優(yōu)點，長期以來得到業(yè)內(nèi)密切關(guān)注［5］。

從20世紀90年代起，美國、日本和丹麥等國都相繼開展高溫超導(dǎo)電纜的研究，并進行示范性實驗。美國能源部提出了“美國電網(wǎng)2030計劃”［6］。在該計劃中，超導(dǎo)電力技術(shù)是極其重要的組成部分，計劃建造的骨干網(wǎng)絡(luò)和區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)將采用超導(dǎo)技術(shù)。

日本各大電力公司(如東京電力、九州電力)及東芝、日立等公司都投資超導(dǎo)電力技術(shù)的研究開發(fā)，日本政府批準了Super ACE［7］計劃以促進超導(dǎo)電力技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。歐洲一些大的公司如ABB、西門子、NEXAN等也積極投資于這方面的研究，以爭取未來的市場。歐洲也批準相應(yīng)的發(fā)展超導(dǎo)電力技術(shù)及相關(guān)超導(dǎo)材料技術(shù)的計劃，如超導(dǎo)電力聯(lián)接計劃、歐洲超導(dǎo)技術(shù)公司合作計劃等。韓國政府批準了D能AS計劃，主要研究開發(fā)高溫超導(dǎo)電纜、高溫超導(dǎo)限流器、高溫超導(dǎo)變壓器和高溫超導(dǎo)電動機等，并以商業(yè)化為目標，投入資金達1.5億美元。

1995年日本研制出長7m、66kV/2kA的三相交流電纜;隨后，住友電氣公司、古河電氣公司以及日本電力公司等合作，于1997年分別研制出長50m、1200A和2200A的交流超導(dǎo)輸電電纜;2001年東京電力公司和住友電工合作研制出長100m、66kV/ 1kA的三相高溫超導(dǎo)交流電纜，并進行了通電、負荷變動和耐壓等試驗［8］。2004年Furukawa和電力工業(yè)中心研究所等研制出長500m、77kV/1kA單相高溫超導(dǎo)電纜并進行現(xiàn)場試驗。韓國也于2001年制定了高溫超導(dǎo)技術(shù)十年發(fā)展規(guī)劃，開展高溫超導(dǎo)輸電電纜等研究，并于2005年研制出100m、22.9kV/ 1.2kA的三相高溫超導(dǎo)交流電纜。2004年日本東京電力公司研制出500m、77kV/1kA單芯高溫超導(dǎo)電纜。美國Southwire AMSC公司等在2006年分別研制出200m、13.5kV/3kA，350m、34.5kV/0.8kA和610m、138kV/2.4kA的三相高溫超導(dǎo)交流電纜并投入實際運行［9-11］，其中，美國紐約長島電力局(LIPA)與美國超導(dǎo)公司聯(lián)合建設(shè)的世界上第一條高溫超導(dǎo)電纜(610m、138kV/2.4kA)已于2008年4月22日投入商業(yè)運行［12］。這一超導(dǎo)輸電系統(tǒng)在滿負荷運轉(zhuǎn)時能夠滿足30萬戶家庭的用電需求，僅由三根138kV的電纜組成。相比同樣粗細的銅導(dǎo)線，它們的輸電能力高達150倍，輸電纜溝的寬度僅為1m左右。

《國家電網(wǎng)2030技術(shù)路線圖》技術(shù)報告(之三):輸電技術(shù)與設(shè)備研究報告中指出，1998年中國科學(xué)院電工研究所與西北有色金屬研究院和北京有色金屬研究總院合作，成功研制了長1m、1000A的高溫超導(dǎo)直流輸電電纜模型，2000年又完成長6m、2000A高溫超導(dǎo)直流輸電電纜的研制和實驗。“十五”期間，在國家“863”計劃的支持下，中國科學(xué)院電工研究所于 2003年研制出長 10m、10.5kV/ 1.5kA三相交流高溫超導(dǎo)輸電電纜［13］。在此基礎(chǔ)上，2004年中國科學(xué)院電工研究所與甘肅長通電纜公司等合作研制成功長75m、10.5kV/1.5kA三相交流高溫超導(dǎo)電纜，并安裝在甘肅長通電纜公司為車間供電運行。2001年云南電力公司與北京英納超導(dǎo)公司合資成立云電英納超導(dǎo)電纜公司，從事高溫超導(dǎo)電纜的研究開發(fā)，2004年完成長30m、35kV/ 2kA高溫超導(dǎo)交流電纜的開發(fā)，安裝在云南普吉變電站試驗運行。

當(dāng)前國內(nèi)外超導(dǎo)輸電技術(shù)的研究重點在高溫超導(dǎo)材料研制、高溫超導(dǎo)電纜工藝、高溫超導(dǎo)故障限流器、超導(dǎo)儲能裝置以及高溫超導(dǎo)變壓器的開發(fā)。截至目前，高溫超導(dǎo)電纜、高溫超導(dǎo)限流器、高溫超導(dǎo)變壓器和高溫超導(dǎo)電動機已進入示范試驗運行階段，高溫超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)也有相應(yīng)的試驗樣機問世。

6 進一步發(fā)展超導(dǎo)技術(shù)的建議

通過對未來電網(wǎng)所面臨的挑戰(zhàn)及對超導(dǎo)技術(shù)的需求進行分析，本文提出如下發(fā)展超導(dǎo)技術(shù)的建議:

(1)未來超導(dǎo)輸電的廣泛應(yīng)用從根本上應(yīng)取決于基礎(chǔ)研究，即物理學(xué)和材料科學(xué)的突破，發(fā)現(xiàn)性能更為優(yōu)越的新材料;在技術(shù)上能夠以先進的工藝研制出性價比更高的基礎(chǔ)線材和元器件。因此首先建議加強超導(dǎo)的基礎(chǔ)研究，針對超導(dǎo)輸電的技術(shù)需求，有針對性地開展研究。

(2)在有特殊需求有條件的輸配電系統(tǒng)中，如穿越江河輸電通道、城市電網(wǎng)大容量狹小空間輸送通道等，建設(shè)示范工程，積累經(jīng)驗。

針對大容量遠距離輸電的需求，特別是針對我國西部新疆、青海、甘肅未來太陽能光伏和風(fēng)電的發(fā)展，借鑒美國Grid 2030計劃［14］的概念，開展“風(fēng)光余電制氫、液氫超導(dǎo)氫電混合輸送”(如圖3所示)的可行性研究，并于適當(dāng)時機建設(shè)試驗驗證工程。

圖3 液氫和超導(dǎo)直流混合輸送管道Fig．3 Mixing power transmission pipeline which delivers liquid hydrogen and superconductimg DC electricity

致謝:本文有關(guān)未來電網(wǎng)發(fā)展目標吸納了中國科學(xué)院咨詢項目《我國中長期能源電力供需及傳輸發(fā)展的預(yù)測與對策》報告的部分觀點和數(shù)據(jù)，在此向該項目的所有參與專家致謝。

［1］Y Liu，L Xiao，H Wang，et al．Investigation on the spatiotemporal complementarity of wind energy resources in China［J］．Science China Technological Sciences，2012，55(3):725-734．

［2］周孝信，魯宗相，劉應(yīng)梅，等 (Zhou Xiaoxin，Lu Zongxiang，Liu Yingmei，et al．)．中國未來電網(wǎng)的發(fā)展模式和關(guān)鍵技術(shù) (Development models and key technologies of future grid in China)［J］．中國電機工程學(xué)報 (Proceedings of the CSEE)，2014，34(29):4999-5008．

［3］中國科學(xué)院咨詢報告《我國中長期 (2030-2050年)能源電力供需及傳輸?shù)念A(yù)測和對策》(The Consulting Report by Chinese Academy of Sciences，Prediction and countermeasures forthe long-term and medium-term (2030-2050)supply and demand situation and transmission of electricity of China)［R］．2014-12．

［4］中國電力科學(xué)研究院 (China Electric Power Research Institute)．特高壓輸電技術(shù)直流輸電分冊 (Extra-high voltage(EHV)DC transmission technology)［M］．北京:中國電力出版社 (Beijing:China Electric Power Press)，2012．

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［14］United States Department of Energy Office of Electric Transmission and Distribution．‘Grid 2030’-A national vision for electricity’s second 100 years［R］．2003-07．

Analysis on requirements of superconducting technology for future power grid

ZHOU Xiao-xin
(China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China)

The rapid increase of the long-term and medium-term electrical load demand and the uneven geographic distribution of load and power sources will bring a significant challenge to power transmission and grid technology in China．This paper presents analysis on the challenges of current common transmission mode based on briefly illustrating the possible long-term and medium-term electrical supply scenario and transmission mode．By analyzing the requirements of superconducting technology for future power grid based on the development and application of it，this paper puts forward to several suggestions for the further development of superconducting technology．

superconducting transmission;future power grid;power flow;DC transmission;transmission mode; extra-high voltage;grid technology

TK89

A

1003-3076(2015)05-0001-07

2014-12-29

周孝信(1940-)，男，山東籍，院士，主要從事電力系統(tǒng)研究。