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有关房主和商家纷纷脱离电网转而自己发电、储电的报道比比皆是。在电费极高或服务不均衡的地区,放弃使用电网可以理解,但是对于其他地区,反其道而行之反而更为明智:将区域电网互连,形成覆盖全球的超级电网。●基于目前电网遭受的若干压力,这个想法颇具吸引力:在快速发展的大城市,能源需求猛增;无碳间歇性风能和太阳能发电逐步普及和发展;确保电网免受电子和物理攻击的需求大大提高。电网规模越小、越孤立,维持电力供需之间的瞬时平衡就越困难。
目前,能够实现远距离大规模电力输送且无显著损耗的技术已经存在,因此运营商们完全可以在整个大洲甚至是全球平衡电力供需。如果某个国家发生停电,线路电压和频率的突变将会开启数千里之外的发电机来弥补电力的不足;如果主要依靠风电的地区风力衰退,邻近地区可以迅速助以一臂之力;如果某个地区发生强降雨,水电站大坝可留存能量,在需要时输送到其他地区。有了超级电网,就可确保所有或几乎所有电力都能物尽其用,有效避免一些导致浪费的做法,例如付钱给风力发电厂,让其减少发电量,甚至释放多余电量。(当然,存储多余能量也有助于避免出现这样的问题,但大规模经济型储能尚未普及。)
本文转载自:悦智网,作者:Clark W. Gellings。
一般来说,有了全球超级电网,发电站就可以远离居民区。例如,澳大利亚达尔文市南部的开阔区域人烟稀少,且是世界上阳光最充沛的地区之一。据估计,在那里建造一个养殖场大小的太阳能电站就可满足整个国家的电力需求。通过连接东南亚的海底电缆,电力还可以被送往印尼、巴布亚新几内亚、新加坡等国。有了超级电网,运营商还能大幅缩减其空转备用(需求提升时可以利用的备用容量,但实际中很少使用)。
那么建设全球超级电网需要开展哪些工作呢?在技术层面,这取决于覆盖全球的高压直流(HVDC)输电系统网络,其中大部分组件已经存在。此外,区域电网运营商们需要就这类网络的付费方式达成一致,制定交易规则,规定技术规范和标准,确保超级电网安全、可靠、平稳地运行。
全球超级电网的渊源可以追溯到电力行业刚起步的阶段,当时两位天才发明家——托马斯•爱迪生和尼古拉•特斯拉——展开了一场“电流大战”。1882年爱迪生展示了第一个商用直流电站。但之后,特斯拉发明的交流电一统天下。
1895年,特斯拉实现了利用尼亚加拉大瀑布发电的梦想,在随后的几年内,产生的电力向700公里外的纽约市供电,证实了交流系统的优越性。进入20世纪后,世界上的动力系统都开始使用交流电。
交流电战胜直流电的关键是其能够利用磁感应增大电压,从而以较低的电流实现远距离电力输送,最大限度地减少电阻造成的损耗;到达目的地后再降压进行本地配电。在当时,直流电无法实现这一点。但电力工程师也认识到,在执行相同的电力输送任务时,在较高电压下工作的直流系统将优于交流系统,因为直流传输中的电力损耗远远低于交流系统。
那么低多少呢?如果通过HVDC系统传输给定电量,若将电压加倍,那么需要的电流仅为相应交流系统的一半,可将线路损耗减少四分之三。所需的导线也将大幅减少,因为直流电流可渗透电力线的整个导体,而交流电流大多集中在导线表面。换句话说,对于相同的导线截面,交流电遇到的有效电阻较大,以热量形式损失的电量更多。那么这就意味着交流输电所需的基础设施远远超过直流电。例如,利用765千伏交流系统传输6000兆瓦电功率,需要3条单回路输电线路穿过180米宽的线路走廊;而800千伏直流系统的线路走廊宽度只需80米。
通过HVDC,不同频率的电网之间可以轻松进行电力传输。HVDC换流器、电缆、断路器和其他组件比交流电相关组件贵,因此对500公里或更远的距离使用HVDC才具有经济意义。但随着直流组件成本的下降,这一临界距离也在不断减小。
认识到这些优势,在整个20世纪,电力工程师的焦点一直放在直流输电技术上。长久以来,HVDC的关键点是安装在HVDC线路任意一端的换流器。换流器用于将高压交流电转换为高压直流电,或者将直流电转回交流电。在20世纪60年代,人们主要利用汞弧阀换流。汞弧阀实际是只能开不能关的电子开关,功能有限,并会造成电力的大量损耗。
20世纪70年代,直流技术得到进一步发展。人们开发出水冷晶闸管,一种巨大的可以开关的固态开关。1978年,这一开关首次被用于纳尔逊河的HVDC输电系统中,这一输电系统将电力从加拿大马尼托巴省北部的水力发电站传输至人口稠密的南部地区。
自那以后,HVDC虽然在北美应用较少,但已开始在世界其他地区(主要是巴西、中国、印度和西欧)出现。从20世纪90年代末开始,HVDC的配置依赖于绝缘栅双极晶体管(IGBT)——一种每个周期可多次开关的专用晶体管。最新IGBT的开关速度不到十亿分之一秒。
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