将电卖到外国去!中国电网掀起的这场革命 将美国远远甩在身后

超级电网的保护

基于HVDC的超级电网是一个“低惯性”系统，响应时间常数比常规交流电网一般要小两个数量级，直流电网中一旦某处发生故障，将很快(毫秒级)波及整个系统，需要快速定位并隔离故障区。

虽然直流断路器样机的研发成功，为快速切断直流电网中故障提供了可能，但这并不能保证系统的高度可靠性。直流短路类型可根据故障电流L的幅值和di/dt的范围进行划分。这些特征量随着超级电网中故障发生的位置和交直流电网连接点的特征而变化，每一种故障均需特定的电力切断功能的直流短路器。相关研究指出[X330，在未来的超级电网结构中，单独依靠直流断路器可能并不十分适合清除短路故障，整个保护系统需要包括传感器、制动器、处理器等。换流器和其他设备(如电感器)可以帮助限制故障峰值电流，为选择故障清除过程预留更多的时间，使其更加容易和可靠。

此外，故障的快速切除还依赖于电网的故障检测技术。超级电网的故障检测技术不仅要尽可能缩短检测时间，提高响应速度，还需准确区分故障与负载突变，以免发生保护误动。目前存在的直流检测措施多针对两端直流输电系统，设想一旦建成复杂的网状超级电网，其故障检测判别难度可想而知。有学者提出利用小波变换、傅里叶变换等理论，分析处理多端直流输电系统中的量测信息，实现故障的快速检测。

因此，制定超级电网保护策略时需综合考虑网架结构、换流器拓扑、断路器配置、故障来源及类型、通信技术等影响因素，传统的交流控制保护策略不宜直接应用于超级电网，需从多方面提高改进。

超级电网的通信

一般而言，VSC站控制器并不依赖外部通信，可通过预先设定参考值实现VSC站、交流系统、直流系统之间的协调控制。在其他方面，例如换流器启动顺序、换流器启停控制以及电能的反向传输等则依赖于通信技术。在传输参考功率设置点的过程中，可通过较慢的低宽带通信;在终端输出的动态控制中，则需要利用远程信号。

由于超级电网中覆盖大量直流线路，而直流电网中的电压和电流不存在上升沿的过零点和下降沿的过零点，造成交流电网的同步相量测量装置(PMU)及其算法等无法直接应用在直流电网中。此外，PMU在与卫星通信过程中传输的是微波信号，遇到灰尘、云层容易衰减，可能发生数据丢失，且由于行波反射传输距离变长，平均通信延迟13 ms远不能满足直流电网的时间要求。因此，需要采用适用于直流系统的广域测量技术，使超级电网能够实现大范围的统一协调控制和保护、状态估计、电压稳定分析、故障检测处理等功能。光纤通信传输速度快、衰减小、抗干扰性强，可以帮助系统快速更新数据，减少系统反应时间。

超级电网在中国电网发展前景

从欧洲超级电网计划可以看到，虽然单独的可再生能源发电系统输出受地形、气候等外界因素影响，与大电网的交换功率水平波动范围大，具有间歇J险和易变性，但在大空间尺度下能够彼此互补，即广域范围内的调度能够平衡可再生能源的输出波动。

国内外己有专家学者针对可再生能源的广域互补性进行了研究。 [[38]以美国东海岸上分布的海上风电系统实测数据为基础，研究了风力发电在大空间范围的互补性，得出风电能源的互补性随着调度范围增大而变强的结论。 针对光伏发电系统进行了研究，认为利用光伏电站在广域范围的互补性能够有效平滑功率输出。 [[40 ]基于中国气象局的风速和光照强度测量值，研究分析了中国北部和东部沿海区域风能和太阳能的互补J险，并提出通过调整两种发电设备在组合中的比例能够提高广域互补性。

以上研究证明，广域调度能够有效减少可再生能源发电系统对电网的负面影响，提高可再生能源的利用率，充分发挥可再生能源发电对电网的支撑作用，对中国可再生能源发展具有启示作用。

中国能源负荷分布严重不均衡:中东部地区城市化水平高、人口密集、大型企业集中，负荷水平占全国总负荷的近70 %;而传统能源电力，如大型火电厂主要分布在包括东北、华北、西北的“三北”地区，水力发电厂则主要集中在水力资源丰富的四 、云南、西藏等西南部地区，均远离负荷中心。

在中国政府的大力发展推动下，大规模利用可再生能源发电的新型电厂蓬勃发展。截至2014年年底，中国风力发电累积并网装机容量达到96. 37 GW，占全部发电装机容量的7%，占全球风电装机容量的26%，位居世界首位。其中，陆上风电主要集中在“三北”地区，合计占全国风电总量的87 %，而且随着大型风电基地建设的推进，并网风机装机占比将持续提高。近海地区也在发展海上风电，全国共建成海上风电示范项目5个，总装机容量达到390 MW，开展前期工作项目17个，总装机容量3. 95 GW。光伏发电经过多年探索，近年来快速发展，截至2014年年底，全国并网光伏发电装机容量达到26. 52 GW，同比增长67 %。西北地区，如山西、甘肃、青海、宁夏和新疆等地，海拔高、日照时间长，太阳能资源充足，光伏电站并网容量占全国总量的75.5 %。

为充分利用可再生能源，实现中国大规模可再生能源接入，同时缓解中国能源负荷不均衡的局势，中国可以借鉴欧洲超级电网经验，在中国建设一个广域连接可再生能源的交直流混合超级电网Cam37如图4所示。

以中国现有的高压交流输电网为骨干，将华中、华东和华北电网作为特高压交流电网系统的交汇中心，通过高压直流输电线路，与全国各地的大型交流电网联合形成坚强的电力系统网架结构。利用VSCIVDC技术将四 、云南、西藏等西南地区的水能、‘生北”地区丰富的太阳能和风能、东部沿海地区丰富的风能汇集并连接成多个区域直流电网，减小新能源发电的间歇性及不稳定性;再进一步利用换相高压直流输电(LCCIVDC)技术及直流电压变换(DC /DC)技术将区域直流电网输出的大规模电力送往负荷集中的中东部地区，形成大型多端直流电网或网络状高压直流输电网。同时，开发中国两广(广东、广西)地区的风能、石油和天然气等天然能源，建设成直流输电工程，为沿海高负荷地区供电，实现了能源贮藏和能源消耗自给自足。甚至通过背靠背直流工程或远距离高压直流输电工程，同具有廉价丰富电能的邻邦地区的能源基地电网互联，如与中国接壤的蒙古及俄罗斯远东地区、西伯利亚地区和其他中亚国家通过合作，优化资源配置，合理共享资源[1] 。

中国超级电网的远期设想

大规模集中式可再生能源的远距离传输从一定程度上缓解了负荷中心用电紧张的现状，并推动了能源利用低碳化的进程。然而，小规模分布式电源的蓬勃发展及用户主动参与电网运营的需求趋势，迫使电网必须进一步发展，以容纳小型的、分散的、广域的电力系统成员。在此基础上，以交直流混合超级电网作为主框架，接入大量分布式发电与分布式储能系统，并支持需求侧对电网的积极响应，实现集中式与分布式相协调、多种能源相互融合、供需互动和高效市场化配置，是未来电网发展的必然趋势Caasl。

能源互联网(energy InternetEI)以超级电网为主干网，以分布式能源及微网等单元为局域网，以能源路由器为智能控制单元Carl，通过局域自治消纳和广域对等互联，可以最大程度地适应分布式可再生能源接入的动态特性，而分散协同的管理调度可实现系统供需动态平衡，提高能源利用效率，

微网是能源互联网中的基本组成元素，通过新能源发电，微能源的采集、汇聚与分享以及微网内的储能或用电消纳形成“局域网”。而连接可再生能源的交直流混合超级电网在传输效率、传输容量等方面具有无可比拟的优势，仍然是能源互联网中的“主干网”。中国特高压的成功实践，为构建能源互联网奠定了基础。特

然而能源互联网的发展还依赖于能源路由器、大数据分析等重要技术支撑:能源路由器具有能源控制和信息保障功能，更易保证能源互联网的运行;能源互联网通过整合运行数据、气象数据、电网数据、电力市场数据等，进行大数据分析，可优化能源生产端和能源消费端的运作效率和实时动态调整。

总之，与目前开展的分布式发电、微网、智能电网、超级电网研究相比，能源互联网在概念、技术、方法上有一定的独特之处，却又与这些研究相互交叉:方面，分布式发电的并网、智能电网的通信、超级电网的远距离传输等相关技术研究可以为能源互联网的发展奠定一部分基础;另一方面，能源互联网的发展又可以反过来促进这些技术的更好融合。因此，在现有研究的基础上，结合能源互联网的特征及内涵，探讨实现能源互联网的各种关键技术，具有重要理论意义和实用价值:一方面鼓励开展关键技术的先导性研究，并在传统能源供应相对不足的地区开展小范围示范工程建设;另一方面，基于现有能源基础设施，开展能源调控、能源供需互动、分布式能源并网、能源远距离传输等方面的研究，积累能源互联网的建设经验，从而推动能源互联网发展，逐步使传统电网向能源互联网演化。

展望

随着化石能源的枯竭，发展大规模可再生能源己经成为国际趋势。然而可再生能源发电具有间歇性与易变性等特点，大规模集中并网有时可能会给电网稳定性问题带来危害。超级电网将广域范围内分散分布的可再生能源发电联网，利用时间和空间上的资源互补性平衡可再生能源的功率波动性和易变性，提高了可再生能源利用率，是未来电网发展的必然趋势，对中国电网发展具有借鉴意义。 首先阐述了超级电网的概念与特点，以此为基础分析发展超级电网所需关键技术及面临的挑战，并根据中国能源分布情况，对中国未来发展超级电网进行了初步探讨，得出如下结论[2] 。

1)超级电网通过广域互联西北、西南、沿海地区大规模可再生能源，利用时间和空间上的资源互补性平衡可再生能源的功率波动性和易变性，提高可再生能源并网安全性，高效利用可再生能源。

2)超级电网可以解决由国外能源基地、中国西南部水电基地、中国西北部火电基地和可再生能源基地向中国中东部负荷中心大规模远距离输电的问题。

3)中国可以发展建设以超特高压骨干网为基础，利用高压直流互联可再生能源基地的覆盖全国范围的交直流混合超级电网，提高中国供电的灵活性、互补性、安全性与可靠性。

4)为了实现海量分布式电源的无缝接入，更好地消纳清洁能源，可以在交直流混合超级电网的基础上，引入能源路由器等技术，发展能源互联网。

综上所述，超级电网在中国具有广阔的应用前景， 所探讨的超级电网可行性分析、超级电网技术与挑战、超级电网结构构想图及未来与能源互联网的交叉融合等都可为中国未来电网研究与建设提供参考。