適應(yīng)大規(guī)模可再生能源接入的智能輸電網(wǎng)設(shè)想

李甜甜+王江波+劉軍會+尹碩+華遠(yuǎn)鵬

【摘 要】 隨著能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略及低碳經(jīng)濟(jì)的提出，可再生能源越來越受到重視并將得到快速發(fā)展，大規(guī)模可再生能源的發(fā)展與接入，必將對輸電網(wǎng)發(fā)展帶來重大影響。智能輸電網(wǎng)作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，與傳統(tǒng)輸電網(wǎng)在內(nèi)涵和外延發(fā)展上都存在諸多不同。本文通過分析非水可再生能源類型，結(jié)合我國非水可再生能源規(guī)模巨大、分布集中、與負(fù)荷逆向分布、需要集中開發(fā)、大范圍消納的特點(diǎn)，考慮其間歇性與隨機(jī)性對輸電網(wǎng)可能造成的影響，分析智能輸電網(wǎng)的技術(shù)特征，探討實(shí)現(xiàn)智能輸電網(wǎng)所需要的關(guān)鍵技術(shù)和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)想。

【關(guān)鍵詞】 輸電網(wǎng)構(gòu)架 非水可再生能源 智能電網(wǎng)

引 言

隨著化石燃料等傳統(tǒng)能源逐漸枯竭、可再生能源并網(wǎng)以及電網(wǎng)規(guī)模的提升，導(dǎo)致大電網(wǎng)安全性下降、電力資產(chǎn)利用率低，且數(shù)字化技術(shù)需求高質(zhì)量電能等問題越顯突出。在這種背景下，世界各國都開始尋找一種新的電網(wǎng)建設(shè)模式，歐美各國在這一方面走在前列，他們分別提出了各具特色的“智能電網(wǎng)”，以期建設(shè)一種更兼容、可互動、可自愈、更高效的電力系統(tǒng)。2009年，中國國家電網(wǎng)公司正式發(fā)布了建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為核心，各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，具有信息化、自動化、互動化特征的“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”的發(fā)展戰(zhàn)略[1]。

我國能源資源，特別是水能、風(fēng)能、太陽能等可再生能源資源規(guī)模大，分布相對集中，與負(fù)荷呈逆向分布，需要集中開發(fā)、規(guī)模外送和大范圍消納[2]，這對電網(wǎng)的資源優(yōu)化配置能力和智能化水平提出了很高的要求。本文將在討論非水可再生能源類型和特征及其對電網(wǎng)可能造成的影響的基礎(chǔ)上，通過與傳統(tǒng)輸電網(wǎng)的比較，針對智能輸電網(wǎng)發(fā)展存在的問題，分析智能輸電網(wǎng)具有的系統(tǒng)技術(shù)特征與關(guān)鍵技術(shù)，并對未來智能輸電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)提出設(shè)想。

1 非水可再生能源類型及特點(diǎn)

非水可再生能源發(fā)電主要是指利用非水電可再生一次能源的發(fā)電形式，主要包括風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、海洋能和地?zé)崮艿龋渌绮ɡ四堋⒄駝幽堋淠艿刃滦涂稍偕茉匆苍诓粩嘤楷F(xiàn)。

非水可再生能源主要特點(diǎn)有：清潔干凈；能量密度低且除太陽能和風(fēng)能外，相對分散；理論上資源豐富，但開發(fā)利用難度大；大多具有非連續(xù)性、時變性等特點(diǎn)。

就目前看，技術(shù)最為成熟，使用前景最為光明，最有可能進(jìn)行大規(guī)模集中開發(fā)的主要有風(fēng)能和太陽能發(fā)電，而這兩種資源最大的特點(diǎn)是難以實(shí)現(xiàn)人為控制，接入電網(wǎng)后，其間歇性、隨機(jī)性和不確定性勢必會對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和控制造成沖擊，引起一系列問題，如有可能導(dǎo)致電網(wǎng)潮流發(fā)生大規(guī)模轉(zhuǎn)移，電壓閃變，電能質(zhì)量下降等。但可以預(yù)想，在不遠(yuǎn)的將來一次能源以可再生能源為主，終端能源以電力為主的格局將變成現(xiàn)實(shí)[3]。

就我國情況看，可再生能源分布具有規(guī)模大、分布相對集中，與負(fù)荷資源呈逆向分布等特點(diǎn)，因此積極研究并建設(shè)實(shí)現(xiàn)可再生能源方便可靠接入，減小對電網(wǎng)沖擊，滿足風(fēng)能、太陽能等大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸送要求，實(shí)現(xiàn)多種能源發(fā)電的優(yōu)化綜合平衡利用的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，特別是智能輸電網(wǎng)，將是發(fā)展清潔能源、節(jié)能減排、能源布局優(yōu)化和結(jié)構(gòu)調(diào)整的戰(zhàn)略選擇。

2 智能輸電網(wǎng)

作為連接發(fā)、變、配和用電等環(huán)節(jié)紐帶的智能輸電網(wǎng)是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要組成部分。

2.1 智能輸電網(wǎng)的概念及特征

智能輸電網(wǎng)核心問題是輸電網(wǎng)的智能化，在集成、高速、雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過先進(jìn)輸電技術(shù)（特高壓交直流）、智能變電站技術(shù)、SCC、WAMS、FACTS等技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)輸電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好和靈活運(yùn)行。未來智能輸電網(wǎng)將可以接收任何種類的能源產(chǎn)品，輸送所需的任何特性電力，同時可以自我診斷，智能利用冗余進(jìn)行自我修復(fù)[3]。智能輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖見下圖。

與傳統(tǒng)輸電網(wǎng)相比，智能輸電網(wǎng)具有明顯不同的特征，內(nèi)涵更為豐富。主要有：支持大規(guī)模可再生能源接入、采用先進(jìn)輸電技術(shù)、采用智能化靈活調(diào)度技術(shù)和用戶與電網(wǎng)雙向互動等。

2.2 智能輸電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

建設(shè)智能輸電網(wǎng)、保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行急需突破智能輸電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，使輸電網(wǎng)真正成為國家現(xiàn)代能源綜合運(yùn)輸體系的重要組成部分。在這些技術(shù)中，有的如：超/特高壓交直流輸電、超大規(guī)模交直流混聯(lián)安全穩(wěn)定技術(shù)、電網(wǎng)調(diào)度全局優(yōu)化技術(shù)等較為成熟，但需要在成熟的基礎(chǔ)上進(jìn)一步創(chuàng)新，以適應(yīng)電網(wǎng)的發(fā)展和轉(zhuǎn)型；有的如：智能輸變電裝備技術(shù)、可再生能源接入技術(shù)等本身不太成熟，但為電網(wǎng)發(fā)展趨勢所要求，需要深入研究和推廣應(yīng)用；還有的如：新型電力電子器件技術(shù)和先進(jìn)大容量儲能技術(shù)等是進(jìn)一步突破有較大難度的“突變性”技術(shù)，這些技術(shù)一旦取得突破將對電網(wǎng)造成革命性影響。

3 考慮大規(guī)模可再生能源的輸電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)想

根據(jù)能源逆向分布、可再生能源快速發(fā)展的客觀情況，本文從送端和受端及連接兩者的輸電網(wǎng)三個方面對考慮大規(guī)模可再生能源的智能輸電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)想。

3.1 送端電網(wǎng)遠(yuǎn)景設(shè)想

能源結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性調(diào)整之后，能源資源和負(fù)載需求逆向分布的格局更加明顯，未來能源流動必將形成通過特高壓交直流電網(wǎng)從西部、北部大型能源基地向東部、南部負(fù)荷中心遠(yuǎn)距離、大容量送電格局。

為了解決可再生能源注入電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性等問題，可通過建設(shè)“三北”地區(qū)廣域可再生能源電網(wǎng)，利用廣域范圍內(nèi)資源互補(bǔ)性平衡功率間歇性和不確定性，即將可控快速連續(xù)性調(diào)節(jié)電源、大型儲能基地與可再生能源通過大電網(wǎng)連接起來，形成具有可控性和連續(xù)性的電力能源供應(yīng)源。

3.2 受端電網(wǎng)遠(yuǎn)景設(shè)想

未來受端電網(wǎng)應(yīng)形成分散接入、多種輸電方式并用、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)合理、資源配置能力強(qiáng)大的綜合能源系統(tǒng)。受端電網(wǎng)區(qū)域電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)在就近消納的前提下同步考慮送端遠(yuǎn)程輸送的消納。為了提高系統(tǒng)抵御擾動和故障沖擊能力、大規(guī)模可再生能源消納能力和電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)依據(jù)我國負(fù)荷分布情況建設(shè)大規(guī)模、高電壓等級同步電網(wǎng)，即通過超/特高壓交流形成堅(jiān)強(qiáng)的受端電網(wǎng)。同時還應(yīng)考慮超導(dǎo)和儲能等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，而且在配電系統(tǒng)應(yīng)充分考慮到微網(wǎng)的接入。endprint

3.3 輸電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)總體設(shè)想

根據(jù)送端和受端的構(gòu)建設(shè)想，可對電網(wǎng)進(jìn)行總體考慮。現(xiàn)階段特高壓交直流輸電技術(shù)已相對成熟，必將在未來電網(wǎng)中將發(fā)揮巨大作用。交流輸電和直流輸電功能和特點(diǎn)各不相同，特高壓交流具有輸電和構(gòu)建網(wǎng)架的雙重功能，中間可以落點(diǎn)，電源接入、傳輸和消納十分靈活，是電網(wǎng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)；特高壓直流側(cè)重輸電功能，難以形成網(wǎng)絡(luò)，但同步要求不嚴(yán)格，適用于大容量、遠(yuǎn)距離輸電，大容量直流輸電必須依托堅(jiān)強(qiáng)的交流電網(wǎng)才能充分發(fā)揮作用。新型的VSC-HVDC與VSC-MTDC輸電技術(shù)的誕生又提供了新的可能，其優(yōu)勢在于不需要交流電網(wǎng)提供換向電壓，不容易產(chǎn)生換相失敗，易于調(diào)控，并向無源網(wǎng)絡(luò)提供電能等。在IGBT等大容量新型全控型開關(guān)器件研制成功后，其優(yōu)勢還會進(jìn)一步顯現(xiàn)。屆時我國將基于特高壓交流、特高壓直流、常規(guī)直流和VSC-MTDC多端直流輸電建立混合的“強(qiáng)交強(qiáng)直”輸電系統(tǒng)連接西部和“三北”地區(qū)大型能源基地與東部、南部負(fù)荷中心，充分發(fā)揮直流輸電和交流輸電各自優(yōu)勢，聯(lián)合運(yùn)行、相互補(bǔ)充、相互支撐，形成更加靈活、安全、可靠的輸電網(wǎng)。

結(jié) 論

隨著大規(guī)模可再生能源的開發(fā)與接入，在送端應(yīng)通過交直流系統(tǒng)連接形成廣域可再生能源網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多種資源互補(bǔ)，平衡其不確定性和間歇性，提供穩(wěn)定的電力輸出。受端則形成分散接入，多種輸電方式并用，微網(wǎng)配合主網(wǎng)運(yùn)行，通過超/特高壓交流形成堅(jiān)強(qiáng)的受端電網(wǎng)，同時加大儲能、超導(dǎo)等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用。送受端間應(yīng)通過“強(qiáng)交強(qiáng)直”以及VSC-HVDC與VSC-MTDC等新型輸電技術(shù)形成西電東送、南北互供、整體聯(lián)網(wǎng)的靈活、安全、可靠的輸電網(wǎng)。

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