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吴安平:走出交流特高压的认识误区

北极星输配电网  来源:电力法律观察  作者:吴安平  2018/12/19 14:35:38  我要投稿  

北极星输配电网讯:一、引言

交流特高压工程建设的必要性一直是一个有争议的问题。支持的观点主要有两种:一种认为我国没有像西方发达国家那样放弃发展交流特高压,是因为国情不同,我国东部地区经济相对发达,但能源资源不足;西部地区能源资源丰富,经济却相对落后,能源资源与负荷需求呈现出逆向分布的状况,西部电力要长距离向东部输送,所以需要交流特高压。这种观点等于说交流特高压基本只适合于中国。另一种则认为,发展交流特高压是建设“全球能源互联网”(即以交流特高压电网为骨干网架的全球统一电网)、实现可再生能源资源全球配置的需要,中国建设交流特高压电网,是实现该目标的第一步(中国也是实验示范区)。这种观点表明,交流特高压并非只适合中国,而是全世界的需要。显然,两种观点是有矛盾的。

质疑交流特高压的观点认为,我国能源资源与负荷需求逆向分布指的是传统能源资源,对于可再生能源资源来说,西部比东部多只是一种相对的关系,实际上我国东部也有较丰富的可再生能源资源,比欧洲德国的状况可能还要好些;电力的远距离输送主要依靠直流特高压和直流超高压;建设以交流特高压电网为骨干网架的全球统一电网,是一个根本不可能实现、贻笑大方的幻想。因此不仅中国,全世界都不需要交流特高压。

对交流特高压工程的建设出现不同看法,一个重要原因是人们对交流特高压的认识存在不少误区,比如:误以为电网的电压等级越高电网就越先进、混淆了交流特高压技术与交流特高压工程的区别、将交流特高压工程与直流特高压工程等同看待、对交流特高压电网与能源互联网的关系认识不清等。

步入新时代,为了真正实现我国电网的高质量发展,客观科学认识交流特高压,走出误区是十分必要的。

(来源:电力法律观察 ID:higuanchajun 作者:吴安平)

二、电压等级高低不是电网先进与否的评判标准

世界电网100多年的历史,是一部沿着“单机容量越来越大、电源越来越集中、电压等级越来越高”的路线前进的历史。这一发展过程使人们普遍产生了一种看法,认为电压等级的提高体现了电网技术的进步,因此,电网的电压等级越高意味着电网越先进。这种观点看似有道理,其实是一种误解。我国交流特高压技术通过实验示范工程取得成功,说明我国的传统电网技术,包括高电压绝缘、电气设备制造、电网运行控制等技术处于世界领先水平,这是毋庸置疑的,但不能因此得出结论说:“交流特高压技术使我国电网成为今天世界上最先进的电网”。

电网是多电压层次的“立体型”网络,一个电网需要几个电压层次,是根据具体情况确定的。各个电压等级的电网有复杂与简单,技术含量高与低的不同,但没有先进与落后的区别。后来出现的高等级电压电网,并不能替代原来的低等级电压电网,这是由电网的技术规律决定的,因此电网的发展过程中,不存在“先进的高电压”,淘汰“落后的低电压”的问题。恰恰相反的是,配电网的电压尽管很低,但它却是电力系统的核心,在一定条件下,配电网可以不依赖于超高压和(或)特高压电网而独立向用户供电,但超高压和(或)特高压电网若离开配电网,则将失去存在的意义。

如果认为电压等级越高电网就越先进的话,那早在上世纪80年代初期,我国电网的先进性就已经超过了欧洲电网,因为那时我国电网的最高电压已经达到500千伏,而欧洲电网只有400千伏,显然这种说法是不正确的。按照这种观点,也没法解释西方发达国家为什么要放弃“先进的交流特高压”而执意固守“落后的超高压”的原因。

一个电网是否先进,并不在于它的电压有多高,而主要看它是否能够跟上时代前进的步伐,是否能够提供更安全、清洁、低碳、高效、可持续发展的电力满足社会的需求。我国在传统电网的建设上,除配电网有所逊色外,其它各个方面基本都处于领先地位。但在现代电网(智能电网及能源互联网)的建设上,整体的水平则相对落后,主要表现在低碳和可再生能源比例远低于西方发达国家,电网利用效率不高、电力市场机制不健全等方面。欧洲电网的最高电压尽管比我国低,但从整个电网(尤其是主动配电网)的作用发挥看,无疑比我国电网显得更先进。他们注重实效、不图虚名,敢于创新的精神,尤其值得我国电力工作者学习。

三、交流特高压技术与交流特高压工程不能划等号

一项技术是否成功,由科学实验来检验;技术应用于工程是否成功,则需由市场和环境来决定,成功了的技术并不一定就有工程应用价值。

交流特高压技术应用于工程存在三个较大问题:

第一个问题是它有“寄生性”,而且难以改变。由于电压太高,实践中找不到相匹配的、只经一级升压即可接入交流特高压工程的电源。交流特高压线路形成的网架,不再像500千伏电网那样是一个主要靠大容量机组支撑的“有源网”,而是一个经网间联络变压器直接“架”在500千伏电网之上的“无源网”,注入其中的功率一般都要经过两级、甚至三级变压器升压才能获得,这是过去电网发展史中基本看不到的现象。“寄生性”带来的后果是大幅提高了交流特高压电网的等效阻抗,使其理论上的技术优势被大打折扣,相关线路的实际输电能力不是500千伏的4倍,而可能只是2到3倍,电网的稳定水平也因此降低,损耗因此增加。理论上可以研究更大型的发电机组和特殊的升压变压器,将电源直接接入交流特高压电网,但问题是什么样的电源可以接入?煤电已经开始考虑如何退出的问题了,显然不能接;水电单机容量不够大,距离又太远,无法接;核电可靠性要求高,厂址都靠近负荷中心,若直接接特高压电网,不仅不经济,增加不必要的损耗,还会带来新的安全风险,没必要接;其它新能源电源或无惯量或低惯量,就更不用提了。因此交流特高压电网工程的“寄生性”,尤其在能源转型的背景下,是根本无法改变的。

第二个问题是工程造价高,“性价比低”。我国除西北地区外的5个区域电网最高层主网架,是采用“直流特高压+交流超高压”方案,还是“直流特高压+交流特高压”方案,经济上差别很大,后者与前者相比,每个区域电网需要增加的投资,都可能超过1000亿元。而且,由于交流特高压电压太高,受到环境条件的制约更多,在实际建设过程中会出现投资爆炸性增长的情况。如华东交流特高压环网跨长江工程,原方案为线路从江面跨过,后改为GIL管道从江底穿越,长度仅6公里多,投资竟达47.6亿元人民币,若用等额投资建设500千伏线路,长度可超过1000公里。

第三个问题是环保代价大。如果仅就一回交流特高压线路与3回(或4回)500千伏线路的走廊占地相比,前者无疑比后者少,但这种比较没有意义,因为交流特高压和交流超高压工程都不可能像直流特高压工程那样,单独承担长距离输电任务,它们都需要成网。建设交流特高压工程意味着要在现有500千伏电网之上覆盖一个1000千伏电压的电网。电网的“立体型”特性告诉人们,从某种意义上说,高电压层次电网是对低电压层次电网的“重复建设”。“直流特高压+交流特高压+交流超高压”方案比“直流特高压+交流超高压”方案可能会少几回直流输电线路,但却需要在中部和东部人口密集区,增加数千甚至上万公里纵横交错的特高压线路和无数特高压变电站,由此付出的环境代价显然比后者要大得多。

鉴于上述问题,交流特高压工程(非交流特高压技术)受到质疑,是理所当然的。

四、交流特高压工程与直流特高压工程没有共生共存关系

交流特高压工程与直流特高压工程尽管都是特高压,但两者却有质的差别,它们各自的技术特性、采用的设备以及在电网中的作用都是不同的。在现实生活中,由于它们常常被统称为“特高压”,不加区别地出现在各种媒体和宣传资料中,致使很多人都认为它们两者不仅有相同的应用价值,还具有共生共存的关系,显然,这也是一种误解。

直流特高压工程的优势,在于它能高效经济地承担远距离输电任务,输电成本只有交流特高压工程的三分之一,甚至更低。加上直流工程具有输电电压和容量可以任意选择、不增加电网短路电流等特性,它在有远距离输电需求的电网中发挥了重要作用,体现了应有的价值。而交流特高压工程则不一样,由于存在“寄生性”、造价高、环境代价大等问题,进入能源转型时代,它已经基本不具有工程应用价值了。说“特高压好、输电距离远、输电容量大、损耗小、走出了国门”等,指的都是直流特高压而不是交流特高压;质疑“特高压”,说“特高压存在问题”,指的都是交流特高压而不是直流特高压。

交流特高压工程与直流特高压工程不具有共生共存的关系。怎样使用直流特高压,究竟是让它满足交流电网的要求,还是让交流电网适应它的需要,这是一个电网统筹规划的问题,带有强烈的主观性。如果不顾电网正在发生的变革,任性要上交流特高压,可以将每回直流特高压的输送容量设计得很大,然后要求建设交流特高压电网与之配合;如果看清了电网的发展趋势,就会合理确定直流特高压的输送容量,使其与现有的超高压电网相适应。远距离输电无论现在还是将来,在满足电力的供给中始终处于辅助地位,只要进行科学规划,保持远距离输电规模以及直流特高压输电线路数量在合理范围内是完全可以做到的。

“直流特高压+500千伏交流超高压”的电网发展模式,已被实践证明是合理和可行的,我国南方电网采用的就是这种模式。世界上有直流特高压的国家还有印度和巴西,他们的交流电网最高电压也是500千伏,今后也不可能为了“强交强直”而建设交流特高压电网。

五、交流特高压电网与能源互联网具有排斥性而非兼容性

交流特高压电网是坚持传统电网发展路线的产物,它的显著特征是高度集中、系统垂直、远离用户;能源互联网则是能源转型推动电网变革的结果,它的显著特征是供需分散、系统扁平、贴近用户。两者不仅形态不同,而且发展方向完全相反。

交流特高压电网与能源互联网具有排斥性是由电网内在的技术规律决定的。传统电网的发展有一个基本规律,就是当同步电网的规模随着电压等级的提高而扩大时,其惯量也随之增大,即同步电网的惯量与其规模成正比,这一关系是同步电网增强抗干扰能力,维持自身稳定运行的基本保障。但能源转型时代这一规律已不再适用,出现了原来没有意料到的情况,这就是随着风电、太阳能等分布式能源装机容量比例不断提高,同步电网的规模尽管也在扩大,但其惯量却不仅不增加,反而逐渐减小,呈现出低惯量化的趋势。这一事实说明两个问题:一是传统电网变革的时代已经到来,变革的主要方法是建设以智能电网为核心的能源互联网,电网将走向分布式和扁平化;二是电网电压等级的提升应当止于超高压,电网的低惯量化,意味着同步电网的规模有了重新进行调整、相应缩小范围的技术要求,故不需要再提升电网的电压等级。能源互联网的建设进展越快,电网低惯量化的速度也越快,交流特高压电网的建设也越没有必要。

交流特高压电网“高大上”,电从远方来;能源互联网则“接地气”,电自身边取,实践中两者的矛盾是显而易见的,发展其中一个,另一个必然受到限制。欧洲曾经有企业规划要将非洲北部撒哈拉沙漠的太阳能和风电,通过建设超级电网,跨越地中海远距离向欧洲送电,遭到了原世界可再生能源理事会、欧洲可再生能源协会主席赫尔曼·希尔先生的尖锐批评。他认为超级电网是发展可再生能源的绊脚石,依赖远距离输送可再生能源,必然使能源变革放缓,而以分散投资方式发展可再生分布式电源,是实现能源变革最快的方法。德国正是按照赫尔曼·希尔先生的思想,着力在配电网侧发展分布式能源,建设能源互联网,才取得了今天可再生能源比例超过30%的成绩,到2050年有望超过80%。

我国可再生能源分布广泛,实现能源转型的路径完全可以借鉴德国的经验。华东地区无论是可再生能源资源的赋存情况、经济发展水平、人的观念和素质等,都具备加快发展分布式能源和建设能源互联网的条件。只要各方共同努力,2035年华东当地可再生能源比例超过30%、甚至35%都是完全可能的;但如果工作重心始终放在发展交流特高压电网上,这个目标想要达到10%都是困难的。

六、结语

交流特高压工程建设必要性的争论,实质上是能源转型期电网发展两种技术路线的争论,争论的焦点是我国电网的主网架方案,究竟是采用“直流特高压+交流特高压”还是“直流特高压+交流超高压”的问题。澄清对交流特高压的有关误解,无疑有助于分辨争论的是非。

电网的技术特性表明,提高电网的电压等级(同时增加电网层次),并不是电网发展追求的目标,而只是根据实际情况采取的一种并非理想的措施(手段),因此在工程实践中应当尽可能予以避免。

避免或放弃交流特高压方案在电网建设中是可以做到的,只要顺应电网变革潮流,遵循电压“就低不就高”的基本原则,进行科学、民主、客观、深入的规划研究和方案论证,就能优选出真正安全、经济、高效、环保、并能与未来电网顺利衔接的替代方案,以较小的代价取得较优的效果。这是电网高质量发展的需要,也是能源转型的要求。

避免或放弃采用交流特高压是一种智慧,今天的中国尤其需要这种智慧。(吴安平/西南电力设计院原副总工程师)


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