適應大規模可再生能源接入的智能輸電網設想

李甜甜+王江波+劉軍會+尹碩+華遠鵬

【摘 要】 隨著能源可持續發展戰略及低碳經濟的提出，可再生能源越來越受到重視并將得到快速發展，大規模可再生能源的發展與接入，必將對輸電網發展帶來重大影響。智能輸電網作為智能電網的重要組成部分，與傳統輸電網在內涵和外延發展上都存在諸多不同。本文通過分析非水可再生能源類型，結合我國非水可再生能源規模巨大、分布集中、與負荷逆向分布、需要集中開發、大范圍消納的特點，考慮其間歇性與隨機性對輸電網可能造成的影響，分析智能輸電網的技術特征，探討實現智能輸電網所需要的關鍵技術和網架結構設想。

【關鍵詞】 輸電網構架 非水可再生能源 智能電網

引 言

隨著化石燃料等傳統能源逐漸枯竭、可再生能源并網以及電網規模的提升，導致大電網安全性下降、電力資產利用率低，且數字化技術需求高質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建設模式，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”，以期建設一種更兼容、可互動、可自愈、更高效的電力系統。2009年，中國國家電網公司正式發布了建設以特高壓電網為核心，各級電網協調發展，具有信息化、自動化、互動化特征的“堅強智能電網”的發展戰略[1]。

我國能源資源，特別是水能、風能、太陽能等可再生能源資源規模大，分布相對集中，與負荷呈逆向分布，需要集中開發、規模外送和大范圍消納[2]，這對電網的資源優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可能造成的影響的基礎上，通過與傳統輸電網的比較，針對智能輸電網發展存在的問題，分析智能輸電網具有的系統技術特征與關鍵技術，并對未來智能輸電網架結構提出設想。

1 非水可再生能源類型及特點

非水可再生能源發電主要是指利用非水電可再生一次能源的發電形式，主要包括風能、太陽能、生物質能、海洋能和地熱能等，其他如波浪能、振動能、氫能等新型可再生能源也在不斷涌現。

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

就目前看，技術最為成熟，使用前景最為光明，最有可能進行大規模集中開發的主要有風能和太陽能發電，而這兩種資源最大的特點是難以實現人為控制，接入電網后，其間歇性、隨機性和不確定性勢必會對電網安全穩定運行和控制造成沖擊，引起一系列問題，如有可能導致電網潮流發生大規模轉移，電壓閃變，電能質量下降等。但可以預想，在不遠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實[3]。

就我國情況看，可再生能源分布具有規模大、分布相對集中，與負荷資源呈逆向分布等特點，因此積極研究并建設實現可再生能源方便可靠接入，減小對電網沖擊，滿足風能、太陽能等大規模遠距離輸送要求，實現多種能源發電的優化綜合平衡利用的堅強智能電網，特別是智能輸電網，將是發展清潔能源、節能減排、能源布局優化和結構調整的戰略選擇。

2 智能輸電網

作為連接發、變、配和用電等環節紐帶的智能輸電網是堅強智能電網的重要組成部分。

2.1 智能輸電網的概念及特征

智能輸電網核心問題是輸電網的智能化，在集成、高速、雙向通信網絡的基礎上，通過先進輸電技術（特高壓交直流）、智能變電站技術、SCC、WAMS、FACTS等技術的應用，實現輸電網的可靠、安全、經濟、高效、環境友好和靈活運行。未來智能輸電網將可以接收任何種類的能源產品，輸送所需的任何特性電力，同時可以自我診斷，智能利用冗余進行自我修復[3]。智能輸電網結構圖見下圖。

與傳統輸電網相比，智能輸電網具有明顯不同的特征，內涵更為豐富。主要有：支持大規模可再生能源接入、采用先進輸電技術、采用智能化靈活調度技術和用戶與電網雙向互動等。

2.2 智能輸電網關鍵技術

建設智能輸電網、保障電網的安全穩定經濟運行急需突破智能輸電網關鍵技術，使輸電網真正成為國家現代能源綜合運輸體系的重要組成部分。在這些技術中，有的如：超/特高壓交直流輸電、超大規模交直流混聯安全穩定技術、電網調度全局優化技術等較為成熟，但需要在成熟的基礎上進一步創新，以適應電網的發展和轉型；有的如：智能輸變電裝備技術、可再生能源接入技術等本身不太成熟，但為電網發展趨勢所要求，需要深入研究和推廣應用；還有的如：新型電力電子器件技術和先進大容量儲能技術等是進一步突破有較大難度的“突變性”技術，這些技術一旦取得突破將對電網造成革命性影響。

3 考慮大規模可再生能源的輸電網架結構設想

根據能源逆向分布、可再生能源快速發展的客觀情況，本文從送端和受端及連接兩者的輸電網三個方面對考慮大規模可再生能源的智能輸電網架結構進行設想。

3.1 送端電網遠景設想

能源結構戰略性調整之后，能源資源和負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從西部、北部大型能源基地向東部、南部負荷中心遠距離、大容量送電格局。

為了解決可再生能源注入電網的安全性、穩定性等問題，可通過建設“三北”地區廣域可再生能源電網，利用廣域范圍內資源互補性平衡功率間歇性和不確定性，即將可控快速連續性調節電源、大型儲能基地與可再生能源通過大電網連接起來，形成具有可控性和連續性的電力能源供應源。

3.2 受端電網遠景設想

未來受端電網應形成分散接入、多種輸電方式并用、網架結構合理、資源配置能力強大的綜合能源系統。受端電網區域電網系統應在就近消納的前提下同步考慮送端遠程輸送的消納。為了提高系統抵御擾動和故障沖擊能力、大規模可再生能源消納能力和電網運行經濟性，應依據我國負荷分布情況建設大規模、高電壓等級同步電網，即通過超/特高壓交流形成堅強的受端電網。同時還應考慮超導和儲能等先進技術的應用，而且在配電系統應充分考慮到微網的接入。endprint

3.3 輸電網架結構總體設想

根據送端和受端的構建設想，可對電網進行總體考慮。現階段特高壓交直流輸電技術已相對成熟，必將在未來電網中將發揮巨大作用。交流輸電和直流輸電功能和特點各不相同，特高壓交流具有輸電和構建網架的雙重功能，中間可以落點，電源接入、傳輸和消納十分靈活，是電網安全運行的基礎；特高壓直流側重輸電功能，難以形成網絡，但同步要求不嚴格，適用于大容量、遠距離輸電，大容量直流輸電必須依托堅強的交流電網才能充分發揮作用。新型的VSC-HVDC與VSC-MTDC輸電技術的誕生又提供了新的可能，其優勢在于不需要交流電網提供換向電壓，不容易產生換相失敗，易于調控，并向無源網絡提供電能等。在IGBT等大容量新型全控型開關器件研制成功后，其優勢還會進一步顯現。屆時我國將基于特高壓交流、特高壓直流、常規直流和VSC-MTDC多端直流輸電建立混合的“強交強直”輸電系統連接西部和“三北”地區大型能源基地與東部、南部負荷中心，充分發揮直流輸電和交流輸電各自優勢，聯合運行、相互補充、相互支撐，形成更加靈活、安全、可靠的輸電網。

結 論

隨著大規模可再生能源的開發與接入，在送端應通過交直流系統連接形成廣域可再生能源網，實現多種資源互補，平衡其不確定性和間歇性，提供穩定的電力輸出。受端則形成分散接入，多種輸電方式并用，微網配合主網運行，通過超/特高壓交流形成堅強的受端電網，同時加大儲能、超導等先進技術應用。送受端間應通過“強交強直”以及VSC-HVDC與VSC-MTDC等新型輸電技術形成西電東送、南北互供、整體聯網的靈活、安全、可靠的輸電網。

【參考文獻】

[1] 熊浩清，張智焜，等. 智能輸電網技術研究框架與探討[J]. 湖南電力，2012，32（1）：1-4

[2] 劉振亞. 智能電網技術[M]. 北京：中國電力出版社，2010.4.

[3] 肖立業，林良真. 構建全國統一的新能源電網，推進我國智能電網的建設[J]. 電工電能新技術，2009，28（4）：54-59

[4] DESERTEC Foundation. Clean power from deserts-the DESERTEC concept for energy，water andclimate security[EB/OL].[2010-04-20]http：//www.desertec.org/fileadmin / downloads /DESER-TECWhiteBook_en_small.pdf.

[5] 楊冬，劉玉田. 中國未來輸電網架結構初探[J]. 電力自動化設備，2010，30（8）：1-4

[6] 周潤健. 中國啟動6個千萬千瓦級風電基地規劃和建設[EB/OL]. [2010-04-20].

[7] 劉振亞. 中國電力與能源[M]. 北京：中國電力出版社，2012.2.endprint