新能源变革中电网和电网技术的发展前景

周孝信

(中国电力科学研究院，北京 100192)

1 新能源变革的目标与电网的使命

能源革命是指人类在能源开发利用和加工转换过程中取得的重大突破。人类第1次能源革命是以柴草为主燃料的火的使用。第2次能源革命是化石燃料的使用及转换成电力的应用，起源于18世纪60年代英国的产业革命。第3次能源革命从20世纪40年代开始，以可控核反应堆的发明为标志。第4次能源革命发端于1973年世界第1次石油危机，石油危机的发生预示着化石能源使用进入高峰期，加之环境的压力，使新能源和可再生能源逐渐兴起。

20世纪90年代以来，清洁能源利用的呼声日渐高涨，其目的是以新能源和可再生能源(水电能、生物质能、太阳能、风能、地热能、海洋能和氢能等)逐步代替化石能源，保证人类能源的可持续供应。化石能源短缺和枯竭的预期以及全球气候变化的现实威胁，成为新能源变革的主要驱动力。

电力行业的快速发展，使发电形式发生了本质的变化，以化石燃料为主的可调节发电比例逐渐减少，以可再生能源为主的不可调节发电比例逐渐增加，给电网运行带来了重大挑战。另外，科学技术的进步为电网带来了各种解决问题的方法和手段，电网如何适应发展带来的变化，是当代电网迫切需要解决的重大问题。

可再生能源、核能以及化石能源的清洁利用，绝大部分要通过转化为电能来实现。在新能源变革条件下，电网的重要性日益突出，电网将成为全社会重要的能源输送和配给网络。与传统电网相比较，未来电网具有以下使命:具有接纳大规模可再生能源电力的能力;实现电力需求侧响应、分布式电源、储能装置、能源综合高效利用系统与电网有机融合，大幅度提高终端能源利用效率;具有极高的供电可靠性，基本排除大面积停电的风险;与通信信息系统广泛结合，实现覆盖城乡的能源、电力、信息综合服务体系。

2 三代电网的概念及其发展阶段

基于对世界电网发展历史的回顾和对未来电网发展的前瞻估计，根据电网不同发展阶段的主要技术、经济特征，大体上可将电网和电网技术的发展划分为三代。20世纪前半期的电网属于第1代电网，其特点是小机组、低电压、小电网，其单机容量为100～200 MW，输、配电网电压等级为220 kV及以下。20世纪后半期的电网属于第2代电网，其特点是大机组、高电压、互联电网，单机容量为300～1000 MW，采用了330 kV及以上超高压交/直流输电网络。第3代电网是从21世纪初开始建设并设想到2050年在世界范围内实现的、可持续发展的电网模式，其主要特征是电网内非化石能源发电占较大份额(如40% ～50%)，在输电、配电和用电等领域广泛实现智能化，其电源形式是大型骨干电源与分布式电源相结合，电网形式是骨干电网与地方电网、微电网结合。三代电网的概念及其发展阶段划分见表1。

我国电力工业始于1882年上海电力公司的诞生并因此产生了第1代电网，到1949年全国发电设备装机容量为1850 MW，发电量只有4310 GW·h。此时的电网以孤立、小型电网为主。第2代电网建设从20世纪70年代开始:1971年全长535 km的刘家峡—关中330 kV输电线路建成，形成我国第1个跨省电网;1981年500 kV平顶山—武汉输电线路建成，开始了以500 kV输电线路为骨干的大区电网建设;20世纪末推动全国电网互联，2005年西北电网750 kV输电线路投入运行，2009年我国1000 kV特高压输电线路投入运行。

我国电网从小到大、从弱到强，已发展成世界上最大的互联电网之一，电网已成为我国最重要的经济命脉。结合电网建设及大区联网实践，从研究开发一次设备和系统，到二次控制、保护以及安全稳定运行、仿真分析技术研究，我国全面掌握了第2代电网技术，总体达到国际先进水平。

随着特高压交/直流输电和智能电网的开发建设，标志着我国第3代电网建设的开始。

3 我国电网发展的历程和前景展望

根据中国电力企业联合会的年度报告，我国2010年发电装机容量为962 GW，火电、水电、核电和风电装机容量分别占总装机容量的73.5%，22.1%，1.2%和3.2%，水电、核电和风电为低碳能源，其装机容量之和占总装机容量的26.5%。我国电网分别为东北、华北、华中、西北、华东和南方电网，另外还包括新疆和西藏电网。其中，华北和华中电网以交流特高压方式相连，东北和华北电网以直流背靠背方式相连，华中电网分别和西北(背靠背)、华东、南方电网以直流方式相连。

华北和华中电网之间的1000 kV交流特高压联网送电线路，从晋东南经南阳到湖北荆门，全程645km，为单回线路，采用国产化设备。该线路于2008年12月调试成功，2009年1月投入运行，经过1年的安全运行，达到了试验示范工程的目标，2010年正式通过国家验收;扩建工程将于2011年12月投产。近期将建设的交流输电线路还有淮南—皖南—浙北—上海特高压UHV(Ultra-high Voltage)双回输电线路，全程650km。

华中和华东电网之间由多条直流输电线路相连。其中一条±800 kV直流特高压输电线路从四川向家坝到达上海奉贤换流站，全程1 907 km，输送电力总容量达6400 MW，该项目于2007年12月开工，2010年7月投入运行。另一条±800 kV线路由四川裕隆到达江苏同里换流站，全程2 096 km，输送电力总容量达7200 MW，该项目于2009年12月开工，预计2013年投产。

国家发改委能源研究所《中国风电发展路线图2050》中提出，到2020，2030和2050年，我国风电装机容量将分别达到200，400和1 000 GW，2050年的风电电量将满足国内17%的电力需求;太阳能装机容量将分别达到20，50和400 GW;水电装机容量将分别达到320，400和450 GW。2010年人均装机容量为0.74 kW，2020年将达到1.00 kW;若未来控制能源消费总量的目标能够实现，则2050年人均电力装机容量有可能控制到1.50 kW以内。届时煤电约占40%，水电约占15%，核电约占10%，天然气发电约占5%，其他约30%为可再生能源发电。

表1 三代电网概念及发展阶段

由于我国能源基地大都位于西北地区，2009年我国跨区电力输送容量约60 GW，2030年预计可达到500 GW。

2020—2030年，我国电网的输电骨干网，在形态上应是超大规模超/特高压交直流混联的复杂电网。2030—2050年，随着我国西南大规模水电、西部/北部大规模风电和巨型荒漠太阳能电站、东部沿海海上风电等可再生能源电力的集中开发，具有间歇性、波动性等特性的电源比重将不断提高，在全国范围内建设灵活可控、低损耗、高可靠性的跨大区超级输电网络，成为大范围资源优化配置和相互补偿的必需。随着基于高性能电力电子设备的多端高压直流输电技术的日趋成熟，高温超导输电技术极有可能取得突破，为建设基于常规导体线路和设备或基于高温超导体线路和设备的多端直流超级输电网络提供了技术条件。

4 面向新一代电网的关键技术

4.1 大规模可再生能源电力接入电网的影响

可再生能源电力接入系统会有不同的事故发生，例如，风电场低电压穿越可能造成的机组脱网事故。2008年4月吉林电网风电场风机就发生了脱网事故。当时，在吉林白城变电站2.4 km处发生两相瞬时短路事故，线路保护与过流保护动作，80 ms后三相开关动作，故障切除，1 s内开关重合成功，电网恢复。但就在这不到1 s的低电压阶段，大唐吉林洮南大通风电场内所有机组跳闸，国华富裕风电场内所有变速风机跳闸，同发－龙源与同发－华能风电场内所有风电机组跳闸。

2011年春，西北电网河西地区风电场先后4次发生风机脱网事故。其中，2011年2月24日事故的原因是三相短路造成开关跳闸，因风电机组不具备低电压穿越能力，风电场274台机组脱网，损失出力377.13 MW;故障切除后，因网内部分风电机组高电压保护动作，又造成300台机组脱网，损失出力424.21 MW。故障脱网风机共598台，损失出力共计840.43 MW，致使西北电网的频率最低降至49.854 Hz。

因此，风电机组对电网故障的适应性和电网对大规模接入的适应性都需要进行研究。风电接入系统需要研究的关键技术包括风电功率的波动性和间歇性等特性，抗故障的低电压穿越能力，稳态有功功率调节，调度控制要求，无功功率调节和电压控制等，而且需要研究开发大容量集中和分散式储能技术，解决发电侧和用户侧风电功率波动的平滑控制问题。

4.2 电网技术研究课题概述

在中科院技术科学部“能源革命中电网技术发展预测和对策研究”咨询课题中，展望了到2050年具有潜在发展前景的电网新技术和装备。在新材料、元器件和装备方面，研究课题含超导电力、高性能电介质材料、电力电子材料及器件、大容量电能储存技术等;在新型输电方式和电力系统方面，研究课题含综合能源网络、电网模式分析、交流半波长输电及分频输电等技术;在先进信息、调度、控制和保护方面，研究课题含电力物联网、未来电网调度等技术;在智能配用电方面，研究课题含智能配电网和微网、电力市场体系和政策等研究。研究指出，未来电网发展的10项关键技术为大规模可再生能源电力友好接入、大容量输电、先进传感网络、通信与信息、先进储能、新型电力电子器件、超大规模交直流混联电网、电力系统仿真、智能配电网和微网及智能用电技术。

我国能源分布与消费不平衡的状况，要求未来输变电技术必须能够满足远距离、大容量输送的要求。未来保护环境和节省输电走廊的压力会更大，发展大容量输变电技术是解决问题的根本途径。

根据预测，2030年前特高压交、直流输电，紧凑型、同塔多回、柔性交流输电技术等将普及。若在2020年前研制出高压直流断路器，多端直流输电技术将获得初步发展。2050年前，随着全国范围内大规模集中式水电、风电、太阳能发电的开发，各种类型电源相互补偿将获得重大技术和经济效益;随着高温超导材料关键技术的突破和多端直流输电技术的成熟，有可能进一步构建高温超导(或常规导体)多端直流输电网模式。目前，世界上已有两端输电系统，多端直流输电系统几乎都是基于线电压换相电流源换流器技术的常规直流输电系统。随着基于全控元件的电压源换流器构成的多端直流输电技术的完善和成熟，最终将有可能形成以电压源换相技术为主体的直流输电网，使电网形态出现重大的变革。

基于电压源换流器的多端直流输电技术包括:电力电子器件研究，如碳化硅电力电子器件、新型绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件等;设备装备研究，包括IGBT高压串联阀及其电压源换流器、直流断路器、高压直流电缆等;系统研究，包括电压源换相直流输电系统分析与仿真，电压源换相直流输电系统过电压分析与绝缘配合，电压源换相直流输电系统成套设计，电压源换相直流系统控制保护策略等;网络研究，包括直流输电网功率传输特性与运行特性研究，多端直流输电网控制和调度技术，直流输电网保护技术等。

4.3 研究中的电网新技术

4.3.1 超导输电

随着超导技术的进步，重点将开发超导电缆、超导变压器、超导限流器、超导储能等电力设备和技术，长远目标是实现大容量、远距离、超导直流输电，通过试点和示范工程加速超导电力技术在我国的实用化进程。

4.3.2 输能管网

输能管网技术由美国首先提出，其核心是建立跨北美大陆的同时输送电能和液态氢的输能地下超导管线网络。输电部件采用高温超导技术，用高压直流超导电缆输送电能，而液态氢在电缆芯的管道中流动，主要用于供应燃料电池汽车并兼作超导冷却介质。设想的输能管网可同时输电和输氢，液态氢(20 K)可解决高温超导运行的制冷问题，同时制氢相当于储能，可解决电网峰谷差问题，解决燃料电池所需的氢配送问题。目前高温超导线材铱钡铜氧已能达到液氮温度77 K，如果温度能进一步提高到110 K，则可实现同时输电与输送液化天然气。

气体绝缘线路(GIL)是输电线路技术发展的又一方向，已建成投产的德国法兰克福机场380 kV直埋气体绝缘输电示范线路，全长1 km，输送能力为1800 MV·A。

4.3.3 先进储能技术

储能技术是实现风能、太阳能等可再生能源发电规模化利用的关键技术。储能技术及其产业的规模化发展，能够使间歇性的、随机的、低密度的可再生清洁能源得以广泛、有效的利用。大容量、高性能、规模化储能技术应用之后，电力成为可以储存的商品，将成为促进电网结构、规划、设计、运行管理及使用等发生革命性变化的催化剂。电力系统的储能技术包括抽水蓄能、飞轮储能、压缩空气储能、超导储能(SMES)、超级电容器储能及电池储能等。不同储能形式具有明显的差异，包括储能容量、储放能时间及储能经济性等。

4.3.4 新型电力电子器件

电力电子装置是实现电能转换和控制的执行单元，其应用贯穿于电力的发、输、配、用各个环节。未来电网中大部分电能可能都需要通过电力电子装置实现控制和转换。未来40年，新型电力电子技术的发展要实现以下目标:实现硅、碳化硅、金刚石器件等新型电力电子器件的技术升级及推广应用;实现柔性交流输电系统(FACTS)、固态电力电子装置、分频输电用电力电子装置在输电领域的灵活应用，为我国大容量、远距离输电提供有力保障。

4.3.5 灵活交流输电系统

灵活交流输电技术能有效地控制潮流，为电网的自愈、可调提供了实现手段;可阻尼电力系统振荡，提高系统稳定性，为电网的安全、稳定运行提供技术支撑;可提高系统输送能力，平衡无功分布，降低网损。因此，该技术是智能电网建设不可或缺的关键环节。

5 结论

当前人类面临化石能源日渐枯竭和全球气候变化的威胁。在新形势下，能源结构将发生重大变化，电力将成为最重要的能源载体，对电网的安全性、适应性、资源优化配置能力提出了更高的要求，因此，建设新一代电网的时期已经来到。新一代电网是第3代电网，是广义的智能电网。第1代和第2代电网的发展都经过了大约50年，推测第3代电网相关目标的实现也要50年。在此期间，将逐步实现大型电源与分布式电源相结合、骨干电网与微型电网相结合的网络格局，预计包括可再生能源在内的清洁能源发电比重将超过50%。

新一代电网技术包括大规模可再生能源电力友好接入技术、大容量输电技术、先进储能技术、新型电力电子器件及应用技术等，这些技术的创新和发展将为新一代电网发展奠定基础。

大规模海上和陆地风能、荒漠太阳能、水电等可再生能源电力的开发，对电力系统提出了大容量、远距离输电的要求。因此，应在现有输电技术的基础上研究探索新的输电方式和输电技术，为发展新的输电网络提前做技术储备。多端高压直流输电和直流输电网技术作为未来可能的输电方式已成为各国研究的热点。未来电网中大部分电能可能都需要通过电力电子装置实现控制和转换，电力电子技术的研究和开发至关重要。