基于陸、海、空、天四維一體大電力系統(tǒng)互聯(lián)構(gòu)想

綦魯波，劉同同，趙會亮，高巖

（國網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司，山東青島266001）

基于陸、海、空、天四維一體大電力系統(tǒng)互聯(lián)構(gòu)想

綦魯波，劉同同，趙會亮，高巖

（國網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司，山東青島266001）

能源問題是人類社會發(fā)展的首要問題，鑒于目前傳統(tǒng)化石能源日益枯竭、環(huán)境污染逐漸加劇的嚴(yán)峻形勢，提出建立基于陸、海、空、天四維一體大電力系統(tǒng)的構(gòu)想，將陸基發(fā)電如火電、水電、核電、光伏發(fā)電，海基發(fā)電如潮汐發(fā)電、波浪發(fā)電、海上風(fēng)電，空基發(fā)電如高空風(fēng)電，天基發(fā)電如空間太陽能電站的電力系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，組成吸納各種能源的大電力互聯(lián)系統(tǒng)，并對此種能源利用平臺的必要性和可行性進(jìn)行了探討，闡述構(gòu)建四維一體的大電力系統(tǒng)所需要解決的技術(shù)問題，此平臺必然會成為我國乃至人類解決能源需求、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、維持生存發(fā)展的理想途徑。

大電力系統(tǒng)；聯(lián)網(wǎng)；四維一體；特高壓；空間電站；高空風(fēng)電

0 引言

隨著傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭、環(huán)境污染的逐漸加劇，我國乃至世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展受到嚴(yán)重的制約，尋找新能源和更有效的能源利用方式成為人類社會生存發(fā)展面臨的嚴(yán)峻課題。特高壓電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)乃至跨國電力傳輸，對消納風(fēng)光儲等新能源及實(shí)現(xiàn)水電、火電、核電資源的區(qū)域性互補(bǔ)和資源優(yōu)化配置中起到不可替代的作用。然而傳統(tǒng)化石能源的消耗速度和在社會發(fā)展中所占的比重遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前新能源的開發(fā)力度，建立更為有效的能源利用方式和平臺，積極探索海洋、高空和空間能源的利用，構(gòu)建基于陸、海、空、天四維一體的大電力系統(tǒng)無疑是我國乃至人類解決能源需求、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的理想途徑。

1 陸、海、空、天四維一體大電力系統(tǒng)構(gòu)成

隨著新能源開發(fā)力度和利用深度的不斷加大，我國電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出傳統(tǒng)能源電力系統(tǒng)和新能源電力系統(tǒng)兩種溝壑分明的能源利用形式，并逐漸統(tǒng)一于特高壓網(wǎng)架下“全國一張網(wǎng)”的格局中。航空航天技術(shù)的成熟與“嫦娥三號”著陸成功為我國開發(fā)高空和空間能源以及建立地外空間能源基地奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。從電力系統(tǒng)所基于的不同發(fā)電平臺角度出發(fā)，未來電力系統(tǒng)可分為陸基電力系統(tǒng)、海基電力系統(tǒng)、空基電力系統(tǒng)和天基電力系統(tǒng)4類，下面分別介紹4類電力系統(tǒng)的能源利用方式和特點(diǎn)。

1.1 陸基電力系統(tǒng)的能源利用方式和特點(diǎn)

基于陸地發(fā)電平臺，將地表及地內(nèi)能源轉(zhuǎn)換為電能并進(jìn)行傳輸?shù)碾娏ο到y(tǒng)，稱為陸基電力系統(tǒng)。傳統(tǒng)能源電力系統(tǒng)中的火力發(fā)電、水力發(fā)電，潛力巨大的核能發(fā)電以及新興的光伏發(fā)電、地面風(fēng)電，甚至處于示范階段的地?zé)岚l(fā)電等都屬于陸基電力系統(tǒng)。

陸基電力系統(tǒng)具有發(fā)電環(huán)境平穩(wěn)，能源來源相對穩(wěn)定，能夠充分利用地面大電網(wǎng)進(jìn)行電力的傳輸和分配。火力發(fā)電作為我國發(fā)電的主力，受化石能源的儲量和可開發(fā)量的限制，要高效利用。水力發(fā)電具有清潔無污染，能源可再生，資源豐富等特點(diǎn)，要大力發(fā)展。在保證安全性的前提下，核電無疑是最具有發(fā)展?jié)摿Φ哪茉蠢梅绞剑覈l(fā)展核電要在保證安全性的前提下采用二代加或第三代技術(shù)，有學(xué)者主張重點(diǎn)開發(fā)具有固有安全性的高溫氣冷堆核電站，因此要高速發(fā)展具有“固有安全性”的核電［1］。地面太陽能和風(fēng)能具有能流密度低，波動性大，間歇性等特點(diǎn)，隨著間歇能源在陸基電力系統(tǒng)中的滲透率不斷增大，要大力挖掘太陽能和風(fēng)能資源豐富地區(qū)的潛力，提高電能的轉(zhuǎn)換效率和并網(wǎng)質(zhì)量。積極推進(jìn)地?zé)岬绕渌问侥茉窗l(fā)電的示范進(jìn)程，加快成果轉(zhuǎn)化和大面積推廣力度。

1.2 海基電力系統(tǒng)的能源利用方式和特點(diǎn)

基于海洋發(fā)電平臺，將海洋上空、洋流表層乃至大洋深處能源轉(zhuǎn)換為電能并進(jìn)行傳輸?shù)碾娏ο到y(tǒng)，稱為海基電力系統(tǒng)。目前正在大力發(fā)展的海上風(fēng)電，處于研究示范階段的潮汐能發(fā)電和波浪能發(fā)電都屬于海基電力系統(tǒng)范疇。海洋能源是地球上最大的儲備能源，具有清潔無污染、可再生等特點(diǎn)，利用價值極高、潛力巨大，海基電力系統(tǒng)發(fā)電環(huán)境復(fù)雜，受臺風(fēng)、海嘯，洋流等海況和海洋災(zāi)害的影響較大。

海上風(fēng)電利用海上風(fēng)能資源，具有風(fēng)速較高，湍流強(qiáng)度小，主導(dǎo)風(fēng)向穩(wěn)定，風(fēng)切變小，視覺干擾小，可大規(guī)模開發(fā)等特點(diǎn)，如圖1所示。潮汐能發(fā)電是利用海水漲、落潮的能量推動水輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電，其主要優(yōu)點(diǎn)是具有月平均規(guī)律性，發(fā)電功率具有日變化和月變化。

圖1 海上風(fēng)電場

1.3 空基電力系統(tǒng)的能源利用方式和特點(diǎn)

基于高空發(fā)電平臺，將高空能源（主要指風(fēng)能）轉(zhuǎn)換為電能并進(jìn)行傳輸?shù)碾娏ο到y(tǒng)，稱為空基電力系統(tǒng)。高空風(fēng)電作為空基電力系統(tǒng)的主要能源利用形式，具有風(fēng)能資源豐富優(yōu)質(zhì)，風(fēng)能密度大，風(fēng)速風(fēng)向穩(wěn)定等特點(diǎn)。

高空風(fēng)電有兩種設(shè)想模式，第一種模式是把風(fēng)力發(fā)電設(shè)備設(shè)在高空，在高空完成整個發(fā)電過程，再將產(chǎn)生的電能通過電纜傳輸?shù)降孛骐娏ψ儞Q裝置進(jìn)行利用，以加拿大Magenn公司開發(fā)的馬根電力空氣轉(zhuǎn)動系統(tǒng)為代表，如圖2所示［2］。第二種模式是在空中將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，把捕獲的機(jī)械能通過聯(lián)動裝置傳輸?shù)降孛妫?qū)動地面發(fā)電設(shè)備進(jìn)行發(fā)電，以意大利巨杉公司的設(shè)計(jì)的KiteGen為代表，把旋轉(zhuǎn)的12組風(fēng)箏放到2 000 m的高空收集風(fēng)力，來牽引一個處在磁場中直徑100 m的旋轉(zhuǎn)木馬轉(zhuǎn)盤進(jìn)行發(fā)電，轉(zhuǎn)盤上連接著一些高阻電纜，每對電纜都控制著一個風(fēng)箏的方向和角度，如圖3所示［3］。

圖2 馬根電力空氣轉(zhuǎn)動系統(tǒng)

圖3 固定在地面的旋轉(zhuǎn)木馬式轉(zhuǎn)盤

1.4 天基電力系統(tǒng)的能源利用方式和特點(diǎn)

基于太空及其他星球發(fā)電平臺，將空間能源（主要指太陽能）轉(zhuǎn)換為電能并傳輸?shù)降孛娴碾娏ο到y(tǒng)，稱為天基電力系統(tǒng)。空間太陽能電站作為天基電力系統(tǒng)的主要能源利用形式，具有能流密度大、發(fā)電效率高、持續(xù)穩(wěn)定、不受晝夜氣候影響、潔凈、無污染等優(yōu)點(diǎn)［4］。天基電力系統(tǒng)按照所處的發(fā)電平臺分為兩種形式，第一種空間電站在與地球相對靜止的繞地軌道運(yùn)行，將太陽能轉(zhuǎn)換為電能通過微波傳輸?shù)降孛妫鐖D4所示。第二種在月球表建立太陽能發(fā)電基地，將發(fā)出的電能通過微波輸送到地面，如圖5所示。

圖4 繞地軌道運(yùn)行的空間電站

圖5 月球基地運(yùn)行的太陽能電站

2 建立四維一體大電力系統(tǒng)的必要性和可行性

陸基能源中的煤、石油、天然氣、水力資源在維持全球經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時逐漸暴露出各種不足，存儲總量有限且不可再生的化石能源變得日益枯竭，據(jù)國際權(quán)威組織預(yù)測，全球的煤炭儲量還可以開采約216年，天然氣約為55年，而石油僅能供應(yīng)約34年［5］。人類社會對化石能源的消耗速度也引發(fā)了一系列嚴(yán)重的氣候問題，氣候變暖加劇，霧霾天氣經(jīng)久不散，促使人們開始探索新的能源利用方式和平臺。另一方面，能源發(fā)電平臺與負(fù)荷中心所處的地理位置與空間區(qū)域的不平衡，致使遠(yuǎn)距離、大容量、高電壓、交直流甚至微波輸電成為必然。構(gòu)建新的能源利用和傳輸平臺，使其涵蓋陸、海、空、天，建立四維一體、駕馭各種能源的新型大電力系統(tǒng)無疑能夠解決人類能源需求、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、維持生存發(fā)展。

目前世界各國在陸、海、空、天各個平臺積極進(jìn)行多種新能源的開發(fā)和利用，陸基平臺建立了技術(shù)成熟、運(yùn)行靈活的地面大電網(wǎng)，超特高壓、交直流混聯(lián)、遠(yuǎn)距離大容量、跨國跨地區(qū)的的輸電格局已經(jīng)形成，在傳統(tǒng)大火電、大水電、大核電支撐下，光伏發(fā)電和地面風(fēng)電的滲透程度越來越高，地面大電網(wǎng)為后續(xù)陸海空天大電力系統(tǒng)的構(gòu)建提供了物質(zhì)基礎(chǔ)和傳輸平臺［6］。

海基發(fā)電中，我國擁有18 000 km大陸海岸線，可利用海域面積多達(dá)300萬km2，是世界上海上風(fēng)能資源最豐富的國家之一。我國5～25 m水深線以內(nèi)近海區(qū)域、海平面以上50 m高度風(fēng)電可裝機(jī)容量約2億kW，70 m以上可裝機(jī)容量約5億kW［7］。自2007年中海油建成我國第一個海上風(fēng)電站“中海油綏中36-1”到2010年東海大橋海上風(fēng)電場示范項(xiàng)目全部并網(wǎng)發(fā)電，我國已步入海上風(fēng)電大國行列。目前，我國已經(jīng)規(guī)劃的海上風(fēng)電項(xiàng)目總計(jì)約24個，沿海省市發(fā)展規(guī)劃情況如表1所示。根據(jù)可再生能源“十二五”規(guī)劃［8］，2015年中國海上風(fēng)電將達(dá)到500萬kW，2020年海上風(fēng)電將達(dá)到3 000萬kW，預(yù)計(jì)到2020年我國有望成為全球海上風(fēng)電第一大國。世界潮汐能的理論蘊(yùn)藏量估計(jì)為4 000 GW，與可利用的水電蘊(yùn)藏量相當(dāng)。當(dāng)前研究的139座沿海潮汐電站的總裝機(jī)容量估計(jì)為810 GW，可能發(fā)電量為2 000 TWh。潮汐能發(fā)電是海基電力系統(tǒng)中發(fā)展最早，技術(shù)較成熟的一種。目前世界上潮汐發(fā)電的設(shè)備日臻完善、技術(shù)日趨成熟，將潮汐發(fā)電于電網(wǎng)并網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)可行性得到證明。我國已建成的潮汐電站8座，但是現(xiàn)有潮汐電站整體規(guī)模和單位容量還很小，需要大力提升技術(shù)水平，加快商業(yè)化運(yùn)營。

文獻(xiàn)［9］對高空風(fēng)力資源的研究表明，距地表上空500～12 000 m的高空，風(fēng)能資源極其豐富，對此部分風(fēng)力資源進(jìn)行開發(fā)，高空風(fēng)電能夠滿足全球百倍的電力需求。美國紐約準(zhǔn)備建立高空風(fēng)電站，將2～4臺高空風(fēng)能發(fā)電機(jī)安裝在紐約市曼哈頓地區(qū)的高空，為城市供電。我國是高空風(fēng)能大國，江蘇，浙江，山東等地區(qū)的高空風(fēng)能密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于紐約，我國空基電力系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展空間。國內(nèi)風(fēng)電設(shè)備的幾大制造商如華銳，金風(fēng)等都對高空風(fēng)力發(fā)電表示了極大的興趣，2009年掌握了全球領(lǐng)先“天風(fēng)”技術(shù)的留美博士張建軍在廣州組建了我國首家高空風(fēng)電企業(yè)“廣東高空風(fēng)能技術(shù)有限公司”，該公司已成功研發(fā)出高空風(fēng)電樣機(jī)，下一步擬建示范電站，這將是中國第一個實(shí)用性的、產(chǎn)業(yè)化的高空發(fā)電示范電站。

表1 我國東南沿海省市海上風(fēng)電規(guī)劃裝機(jī)容量萬kW

天基發(fā)電也是世界各國努力占領(lǐng)的科技領(lǐng)域，研究表明，太空中的陽光強(qiáng)度要比地面高出5～10倍。在陽光充足的地球靜止軌道上，每平方米太陽能可產(chǎn)生1 336 W熱量。如果在地球靜止軌道上部署一條寬度為1 000 m的太陽電池陣環(huán)帶，假定它的轉(zhuǎn)換效率為100%，那么在一年中接收到的太陽輻射量，差不多等于目前地球上已知的可開采石油能量總和［10］。自1968年美國彼得·格拉澤首先提出空間太陽能發(fā)電（SSPS）概念以來，日本、歐洲乃至中國紛紛致力于空間電站計(jì)劃的研發(fā)。圖6為日本推出的SSPS計(jì)劃，在2030年建立一個太陽能板的總面積為4 km2，額定容量為100萬kW的太空太陽能電站，足以為30萬個家庭供電。此空間電站通過使用激光束或者微波把電能送到地面并進(jìn)行接收轉(zhuǎn)換。圖7為歐洲提出的太陽帆塔衛(wèi)星空間電站的概念，塔的兩邊安裝了長寬都為150 m的太陽帆電池陣，通過太陽帆塔不間斷發(fā)電，通過電力轉(zhuǎn)換成微波的技術(shù)，可以將電能高度精確、安全地送回地球。

中國也積極推進(jìn)空間太陽能電站的發(fā)展計(jì)劃，主要分為4個發(fā)展階段。第一階段：2011—2020年，開展空間太陽能電站系統(tǒng)方案詳細(xì)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)研究，進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證。第二階段：2021—2025年進(jìn)行低軌道系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證。第三階段：2026—2040年，在低軌關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上更為可行的空間太陽能電站系統(tǒng)方案和關(guān)鍵技術(shù)，突破關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)行地球同步軌道相關(guān)試驗(yàn)。第四階段：2041—2050年，實(shí)現(xiàn)空間太陽能電站商業(yè)運(yùn)行。大規(guī)模利用空間太陽能，加快天基電力系統(tǒng)的發(fā)展，將會導(dǎo)致新的技術(shù)革命甚至產(chǎn)業(yè)革命。

圖6 日本SSPS計(jì)劃空間電站

圖7 歐洲太陽帆塔衛(wèi)星空間電站

3 建立四維一體電力系統(tǒng)需解決的理論和技術(shù)問題

目前世界各國在陸、海、空、天4個領(lǐng)域進(jìn)行電力系統(tǒng)技術(shù)研究取得了長足的進(jìn)步，裝機(jī)容量、傳輸效率和控制手段日新月異。隨著駕馭各領(lǐng)域電力系統(tǒng)的技術(shù)不斷成熟，構(gòu)建四維一體大電力互聯(lián)系統(tǒng)是必然趨勢，也必然會出現(xiàn)新的技術(shù)問題。

3.1 四維一體大系統(tǒng)下的時空協(xié)調(diào)調(diào)度控制技術(shù)互聯(lián)電力系統(tǒng)需具備穩(wěn)定的調(diào)度控制技術(shù)，該系統(tǒng)具有多維度、大時空的運(yùn)行特性，在高強(qiáng)度、巨苛刻的運(yùn)行環(huán)境下，如何建立陸、海、空、天一體的大電力協(xié)調(diào)調(diào)度控制技術(shù)，如何構(gòu)建四維一體的大電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制體系，如何有效進(jìn)行各領(lǐng)域電力系統(tǒng)的組織管理，如何采取極端災(zāi)害下系統(tǒng)故障停運(yùn)的緊急隔離和恢復(fù)措施等，都是需要電力工程領(lǐng)域?qū)W者和其他領(lǐng)域的科學(xué)家考慮和進(jìn)行前期研究的重大課題。

3.2 建立陸海空天四維環(huán)境下的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)和防御體系

目前我國電力領(lǐng)域已經(jīng)構(gòu)建了以信息技術(shù)和穩(wěn)定性量化技術(shù)為支撐的時空協(xié)同的停電防御系統(tǒng)。華東電網(wǎng)的WAMAP系統(tǒng)是世界上第一個大電網(wǎng)停電預(yù)警系統(tǒng)，江蘇電網(wǎng)的EACCS系統(tǒng)是世界上第一個實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)穩(wěn)定控制的大電網(wǎng)。江西電網(wǎng)的安全穩(wěn)定智能防御系統(tǒng)使自適應(yīng)外部環(huán)境的電網(wǎng)安全穩(wěn)定綜合協(xié)調(diào)防御的理念和技術(shù)框架首次在實(shí)際電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)通過EMS和WAMS系統(tǒng)獲取電網(wǎng)運(yùn)行信息，在線跟蹤電網(wǎng)實(shí)際工況與外部環(huán)境變化，有效實(shí)現(xiàn)了多種極端地面氣象環(huán)境（臺風(fēng)、暴雪、水災(zāi)、雷電等）下的電網(wǎng)安全穩(wěn)定防御［11-13］。

構(gòu)建陸、海、空、天四維環(huán)境下的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，涵蓋的外部極端影響因素更多，如暴雨、水災(zāi)、雷電、污穢等地面氣象環(huán)境，海嘯、臺風(fēng)等海洋災(zāi)害，颶風(fēng)、龍卷風(fēng)等高空災(zāi)害，太陽磁暴等空間氣象環(huán)境［14］，監(jiān)測的廣度及預(yù)警的準(zhǔn)確度更加復(fù)雜。如何在現(xiàn)有電網(wǎng)規(guī)模的監(jiān)測預(yù)警與停電防御系統(tǒng)基礎(chǔ)上，構(gòu)建融合各空間維度停電影響因素的大電力系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警和防御體系，是面臨的重大理論和技術(shù)問題。

4 結(jié)語

積極探索海洋、高空和空間能源的利用，構(gòu)建基于陸、海、空、天四維一體大電力互聯(lián)系統(tǒng)是解決人類能源問題的理想途徑。隨著各領(lǐng)域電力技術(shù)的成熟，該系統(tǒng)必將成為未來新型的能源利用平臺，而研究四維環(huán)境下大電力系統(tǒng)的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)和防御體系，時空協(xié)調(diào)的調(diào)度控制技術(shù)是需解決的重大課題之一。

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Conception of Large Interconnected Power System Based on Integrative Four-dimension of Land，Sea，Air and Space

QI Lubo，LIU Tongtong，ZHAO Huiliang，GAO Yan
（State Grid Qingdao Power Supply Company，Qingdao 266001，China）

Energy problem is the primary issue in social development.In view of the severe situation of traditional fossil energy drying up and the ever-increasing environment pollution，we raise the conception of building the large power system based on land，sea，air and space energy.Land-based power generation such as thermal power，hydropower，nuclear power and solar photovoltaic power，sea-based power generation such as tidal power，wave power and offshore wind power，air-based power generation such as high-altitude wind power and space-based power generation such as space solar power station are interconnected into an integration of four-dimension large power system，which can absorb every source of energy.Also we point out the necessity and feasibility of the energy platform，discusse technical problems to be solved.This platform will inevitably be the ideal way of solving the energy demand，optimizing energy structure and sustaining the survival and development of our country and the world as a whole.

large power system；interconnected network；integration of four dimensions；extra-high voltage；space solar power station；high altitude wind power

TM722；TM61；V19

A

1007－9904（2015）03－0034－05

2014-09-16

綦魯波（1979），男，工程師，從事地區(qū)網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行工作；

劉同同（1985），男，工程師，從事地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行工作及電力系統(tǒng)安全運(yùn)行與災(zāi)害防治方面的研究；

趙會亮（1985），男，工程師，從事地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行工作；高巖（1986），男，工程師，從事地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行工作。