[科普中国]-中国输电网发展模式

背景

化石能源的日渐枯竭，以及使用化石能源带来的环境影响，使人类不得不寻求新的途径，解决能源危机和环境污染问题。

从欧美国家来看，美国石油资源一直十分依赖进口国际油价的波动使美国在能源战略上发生了重大转变，未来将更加重视国内资源的开发，减少对国外资源的过分依赖，并通过提高能源利用效率、利用新技术、发展能源供应的多样性等措施保证能源供给的安全。电网方面则提出“Grid 2030"计划，对美国未来电网进行了设想，以适应未来各方面条件的变化。欧洲对化石能源的依赖度同样较高，一次能源的80%来自于化石能源，为了保证能源安全，应对气候变化，已有众多学者和机构提出建设欧洲"Super Grid”建议，该“Super Grid”可实现大规模可再生能源供电，保证能源供给的安全和清洁1。

未来我国负荷将持续增长，面对能源资源紧张及环境气候变化的双重压力，除了采用节能减排等措施以外，将同样大力发展风能、太阳能等可再生能源。由于我国能源资源分布及负荷分布极为不均衡，而未来大规模可再生能源的发展将进一步加重这一局面，因此，电网作为电力传输的载体，在能源资源优化配置中将起到十分重要的作用。目前我国已经规划建设了多条超/特高压直流输电工程，可以将西部、西南部、北部地区电力送往中东部负荷中心地区1。

未来，随着大容量远距离电力输送需求的增加，我国电网如何发展目前还存在争议。借鉴国外电网发展思路，根据我国未来电源及负荷发展预测结果，对我国2020年及2030年电网发展模式进行预测，对我国2050年电网发展模式进行展望，并总结我国未来电网发展可能存在的技术需求2。

欧美电网发展思路及对我国电网的借鉴意义美国电力设备及基础设施严重老化，由于电力投资不足，发生电力阻塞的输电线路增加，大停电事故发生概率增大，8.14大停电事故给美国造成了巨大的经济损失和严重的社会影响。为了实现电网的升级改造，建造现代化电力系统，美国能源部组织众多部门、机构召开2次会议，第1次会议对未来电网进行设想，提出了“Grid 2030”计划，第2次会议为实现该计划设计了具体的路线图。

在“Grid 2030”计划中，美国提出在现有网络上建设国家主干网，通过国家主干网将东西海岸、加拿大及墨西哥联系起来，主干网可用于在国家层面上进行电力供应及需求平衡，扩大电力供应范围，实现资源优化配置，可通过利用全国范围内的季节性、区域性气候多样性及需求侧管理等方式实现高效送电，降低网损。在技术实现上，国家主干网涉及多种技术，如超导电缆及变压器、先进电导体、信息及通信技术以及控制技术等。“Grid 2030”计划中同时指出超导系统可以减少网损，减少输电走廊，扩大输电能力，与高压直流输电及其他先进导体实现无缝整合，并可实现电力、氢能的同时输送，因此，在建设国家主干网时若考虑将超导输电与液态氢输送结合起来可节省总的基础设施费用。

美国提出“Grid 2030”计划时，仅提出了一个电网结构的设想，尚未确定具体的电网实现方式，“Grid 2030”是一个开放式的概念，其方案设计需要一个长期的研究过程，如1-3年的时间。由于有太多的未知因素，如电网的最终需求、研发进程的预期等，且当设计方案同时有多种选择时，需要经过一段时间以后对其中某一方案的相对优势理解得更为透彻时才能决定选择哪一方案，而设计过程中新技术的发展也将不断融入其中。“Grid 2030”的具体路线图的提出即是对后续如何实现“Grid2030”中电网结构方案的设计比选、解决后续涉及到的关键问题等进行详细的路线设计。可以说，美国为了实现“Grid 2030”计划煞费苦心，召集了60多个高层确定电网远景设想，200多个电力专业人员进行路线图的设计，足以看出美国对“Grid 2030”计划的重视。

而从“Grid 2030”计划中未来电网的定位来看，美国提出“Grid 2030”电网设想不仅仅是为了满足负荷增长需要、大容量电力输送需求、接纳新能源及减少环境污染的目的，而且是由于美国电力设备老化需要更新换代，美国的电力市场竞争机制及各种技术的发展对电网发展产生驱动，同时也涉及到美国的国家安全问题等。可以说，"Grid 2030”的定位是全方面的，既涵盖了不同需求，又融合了各种可用技术，并在设计中不断更新升级。其电网设想提出的思路及为了实现该设想所采取的技术路线对我国未来远期电网设计具有一定的借鉴意义。欧洲为了解决能源危机、应对气候变化，同样有多个机构提出不同的电网设想。早在2003年即有学者提出泛地中海新能源合作的想法，指出将欧洲的海上风电、北非及近东的风电、太阳能发电用HVDC与欧洲电网相连，既可解决欧洲的二氧化碳排放问题，又可解决北非及近东的社会经济发展及就业问题，同时可以通过电网互联及电力交易等方式加强地中海区域各国家的社会经济和谐发展及睦邻友好合作关系。2004年，Czisch博士3根据具体的数据，进行了详细的建模研究和分析比较，指出利用现有的技术将欧洲及其周边国家电网相连，可在保证供电可靠性的前提下，实现欧洲100%可再生能源发电，且电力成本没有增加，甚至会减少，这为欧洲后续提出建设“Super Grid”提供了依据。2006年，Airtricity风能有限公司制定了“欧洲海上 “Super Grid”计划，该“Super Grid”是一个高压海底传输网络，可最终覆盖波罗的海、北海、爱尔兰海、英吉利海峡、波斯湾及地中海。2007年，泛地中海可再生能源合作组织提出了DESERTEC概念，指出在撒哈拉沙漠建立覆盖面积达17000平方公里的集中式光热太阳能电站、光伏电站及风电厂，其产生的电力通过HVDC电缆送往欧洲及非洲国家，可为中东、北非国家提供大量电力，且可进行海水淡化，并可进一步为欧洲大陆提供巧%的电力。

2008年，欧盟在“Second Strategic Energy Review-Securing our Energy Future”中提出“北海各国海上风电计划”(the North Seas Countries' Offshore Grid Initiative，NSCOGI)，该计划是欧盟成员国与挪威之间的合作，旨在创建可连接跨越欧洲北部海域的风电厂和其他可再生能源的综合海上能源网络，可将北海地区丰富的可再生能源，如苏格兰的风电站、德国的太阳能阵列、比利时和丹麦的波浪能发电站以及挪威的水电站等联系在一起，被认为是欧盟6个优先能源基础设施行动之一。按欧盟委员会的说法，北海海上网络将成为未来欧洲“Super Grid”的一部分。

2008年12月17日，欧盟通过了气候变化一揽子计划，设定了“20-20-20”目标。2009年7月8国集团(G8)峰会发表减排宣言，提出了到2050年全球温室气体至少减排50%，发达国家排放总量比1990年减少至少80%以上的长期目标。2009年10月，欧洲议会为欧洲及其他发达国家设定的减排目标是:到2050年排放量比1990年的排放量低85%-90%。

为达到节能减排目标，保证能源安全，提高欧洲经济的竞争力，欧盟委员会在其“欧洲能源技术战略规划”中提出了多项倡议，其中电力倡议的目标是:到2020年实现至少35%的电力由分布及集中式的可再生能源提供，到2050年电力可实现100%脱碳化生产。同时提出进一步整合国家电网，形成真正的以市场为基础的泛欧洲电网，并对欧洲电网进行升级改造，应对新的挑战。

2009年11月7日，“欧洲北海各国海上网络计划”的政治声明在欧盟能源局签署，2010年，欧洲气候基金会(European Climate Foundation ，ECF)制定了至2050年的具体路线图，对一系列可能的技术路线进行了技术和经济评估，并阐明了这一评估的政策、法规意义及更广泛的社会意义。可以看出，欧洲“Super Grid”计划以解决能源危机、应对气候变化为主要目的，其中将风电、太阳能发电及水电等可再生能源发电联合起来远距离外送的思路对我国未来电网发展具有一定的启示作用。其未来实现100%脱碳化生产的目标及具体的实现方案值得我们关注。

我国电网发展滞后于欧美国家，目前仍处于快速发展时期，未来相当长的一段时间内，电网发展仍将以满足负荷快速增长需要及接纳新能源为主，而从欧美国家电网发展历程及未来电网设想来看，未来几十年内电网互联是一种必然选择，我国未来实现全国联网也将是一种必然趋势，同时，借鉴欧洲新能源发展思路，我国可考虑将风电、太阳能发电、水电等可再生能源发电及煤电联合外送，以平滑功率波动，实现新能源可靠平稳送出。

我国未来输电网发展模式预测与展望我国电网简介从我国目前的电源及负荷分布情况来看，我国电源主要以煤电为主，且主要集中在西部及北部地区，其次，我国水电规模较大，且主要集中在西部及中部地区，而我国主要的负荷中心位于东部和南部地区，这就构成了我国电源和负荷分布不均的问题，由此决定我国必然存在大容量远距离输电的需求，而根据我国电源和负荷的发展趋势来看，这种电源与负荷分布不均的情况未来将在一定程度上得到缓解，但仍难在短期内得到根本性改变。

可以预测，到2020年之前，我国将主要围绕煤电基地和水电基地的电力外送以及部分跨国输电的需要，形成“西电东送”、“北电南送”的基本电力流向。呼盟煤电送电东北、华北京津冀鲁地区；锡盟煤电送电京津冀鲁和华东地区；宝清等黑龙江煤电送电辽宁；山西、蒙西、陕西、宁夏煤电送电华北、华中、华东地区；新疆煤电送电华中、华东地区;四川和金沙江水电送电华中、华东地区；云南水电、贵州煤电送电广东地区；俄罗斯、蒙古跨国电力送电东北、华北地区;缅甸水电送电南方地区。整体电力流流向如右图所示。

2030年前后，跨区电力流或电网互联规模将在2020年的基本格局上进一步加大，重点体现在西藏水电以及新疆煤电基地的外送规模将进一步提高。西北火电基地向华北、华东、华中负荷中心的送电规模加大;西南水电开发已接近其可开发规模，主要外送市场仍然是华中、华东和南方电网。媚公河次区域水电加大输电规模，与我国南方电网的互联规模增大。俄罗斯电力继续加大向我国东北地区的送电规模。

预计2050年的电力流格局会有2种可能情况：第1种情况是，在2030-2050年期间，电力仍需大容量远距离输送，但整体上跨区跨国电力流与2030年相比无显著增长，2030-2050年期间将根据市场发展情况，重点依托东部核电开发和抽水蓄能电站的建设，满足中东部负荷增长需要；第2种情况是至2050年，随着核电及大规模可再生能源的接入、未来煤电装机容量的减少、负荷中心向中西部地区的扩展、分布式能源的渗透等，2050年电力流格局发生较大变化，由目前的大容量远距离输送趋向于电力与负荷基本均衡的方向发展，未来对电力的大容量远距离输送需求将趋于减少。

2020年我国输电网发展模式预测按照能源资源更大范围内优化配置的目标，到2020年，我国电网将存在大规模跨区、跨国电力流。而按当前的500 kV电网发展模式，未来电网可能面临3个问题：1)多馈入直流在受端集中落点，交流系统对直流的电压支撑能力较弱，敏感通道失去后电网十分脆弱，易引发多回直流的连续长时间换相失败闭锁，可能导致受端发生大停电事故；2)500kV交流电网与直流输送规模不匹配，发生直流故障后交流系统功率转移能力不强，可能引起负荷损失，甚至引发连锁故障，酿成大停电事故；3)中东部负荷中心地区输电走廊紧张，满足大容量电力传输的500 kV输电通道建设规模受到限制。

在大规模柔性直流输电技术、常温超导等具有革命性的电网技术不具备工程应用能力之前，我国大规模电力流跨区输送最有可能的实现方式是依托于现有的可实现、可突破的技术构筑未来主网架。

从电网发展历史角度来看，更高电压等级的出现，目的是实现更大范围内的电力平衡，满足大容量电力输送的需求。尤其是目前我国已掌握超/特高压输电技术的情况下，采用超/特高压技术实现大规模电力输送是最直接的办法。总的来说，发展超/特高压交直流输电基本已是大势所趋4。

未来，我国电网华北、华中、华东地区无法实现单个区域内的电力平衡，而华北北部和西北部、华中西部(川西)具有大规模的火电和水电基地，华北北部还具有大规模可开发的风电，因此华北、华中、华东构成一个基本平衡的区域(简称“三华”区域)是合理的，东北、西北的火电、风电可以采用直流方式送入。全国形成东北、西北、“三华”和南方4个同步电网。其结构示意图如图所示。

2030年我国输电网发展模式预测2020-2030年间，各地负荷增速放缓，但西部地区增速将高于东部地区，西北地区煤电、西南地区水电将有更多的部分被当地负荷消纳，因此在常规能源布局上出现以下几个特点：

1)进一步开发锡盟、蒙西、陕北地区的电源，在维持原有外送规模的基础上有所增长。

2)大规模开发接续电源。①西藏水电，建设规模为4 000万kW左右，其主要送电方向有2个：一是送至四川、重庆，接续原有川西水电，继续发挥原有的川西水电交直流电力外送功能。二是直达华中、华东负荷中心，满足新增电力市场需要；②进一步开发新疆伊犁煤电，送电至重庆、鄂东地区，接续川西水电及鄂东水电；③进一步寻求境外电源，主要为哈萨克斯坦的煤电，送至华东负荷中心，满足新增电力需求。

3)大力开发风电为主的绿色电源，大规模风电可以采用直接或接续式接入交流电网，或可采用风火打捆或直流的送出方式，送至“三华”电网消纳。

因此，从电源分布和负荷发展情况来看，电网发展将延续2020年左右的发展势头，但从满足需求的角度看，2020-2030年间的建设规模将小于2020年之前，交流主网架主要为满足负荷需求而新增站点和加强输电通道，同时，将可能建设藏电外送、疆电外送和哈萨克斯坦电力送入等多回直流。

从能源开发上来看，新能源发电大范围内具有平滑效应，尤其是风电的开发，多点注入风电可实现功率互补，随着风电联网区域的扩大，同时率降低，有利于减少风电功率波动，保证风电的安全、可靠、平稳送出。因此，未来我国新能源发电将在较大范围内通过较短的电气距离互联接入电网。

从输电技术上来看，由于直流输电技术输送容量大、输送距离远，可定位于西南水电、西北及东北煤电和风电远距离、大容量外送及跨国输电。直流输电的经济输送距离与输电容量和电压等级相关，输电距离越远，输送容量越大，电压等级越高。藏电、新疆电力外送距离达2500-3000km，从经济效益考虑，需要采用特高压乃至发展更高电压等级的士1100kV直流输电技术。

目前，我国土地资源越来越紧张，随着近年来电网的加快建设，线路走廊紧张的矛盾更加突出。同塔多回输电技术可有效降低走廊宽度，目前在500kV及以下交流系统中得到广泛应用。随着直流输电系统数量增多，采用直流同塔多回输电及交直流同塔多回输电将有利于解决走廊紧张问题。

2050年我国输电网发展模式展望至2050年，我国电网发展面临的内外部环境发生了一定的变化：

1)化石能源减少，能源危机问题突出，大规模新能源开发利用进入新阶段，新能源在一次能源消耗总量中所占比例达到一定水平。风电、太阳能等新能源具有大幅度长时间尺度的功率随机波动特性，大规模新能源接入后解决新能源功率波动及保证清洁能源的高效可靠利用将成为电网的主要任务。

2)全国用电负荷分布逐步趋于均衡，分布式电源在城市中发电比例升高，但负荷整体仍呈现稳步上升的态势。

3)输电技术快速发展，超导输电、多端直流输电等先进输电技术可能趋于实用化，可为我国未来电网发展提供更多的技术选择。

由于2050年电力流情况很难准确预测，因此，前面对2050年的电力流格局进行了2种可能性的展望。根据2050年的电力流格局情况，考虑2050年内外部环境的变化，预测2050年的电网发展模式可能有以下3种:超/特高压交直流联网模式、超导主网架模式、电源与负荷匹配模式。

1)超/特高压交直流联网模式。

该模式的前提条件是2050年电力流格局基本延续2030年的情况，跨国跨区电力流虽无大幅增长，但仍有大容量远距离电力输送的需求，此时，我国2050年的电网模式可能延续2030年的情况，在2030年网架结构基础上继续发展。由于2020年我国电力需求翻一番，而2050年电力需求则接近于翻两番，因此，为满足电力输送的需求，2050年可能通过升高线路电压等级、采用更为先进的输电技术(多端直流、常规输电线路的改进)及增加线路回数等方式提高输电通道的输电能力。

2)超导主网架模式。

该模式的前提条件之一是2050年电力流格局延续2030年的情况，存在大规模远距离电力输送的需求，条件之二是常温超导技术实现突破，常温超导电缆可实现规模化生产且成本大幅降低。此时，由于常温超导电缆所具有的绝对优势，有必要采用先进的超导输电技术满足2050年大规模电力输送的需求。在这样的条件下，2050年我国电网的网架结构可能向超导主网架模式转变。但需注意该模式的发展条件是常温超导技术取得突破且成本降低，而发展该模式时需考虑如何由原有网架向新型网架过渡。

3)电源与负荷匹配模式。

该模式的前提条件是2050年电力流格局不再延续2030年的情况，而是形成电源与负荷基本匹配的形式。此种情况下，大部分区域电源与负荷可以基本匹配，少部分区域仍需要电力的远距离输送。

由于我国电源和负荷分布极为不均，负荷中心的转移又是一个较为长期的过程，在几十年时间内依靠常规电源和负荷中心的转移形成电源与负荷匹配的电力流格局比较困难，除非核聚变等不受地理位置及能源分布限制的新型能源发电技术成熟，才有可能形成这一发展模式。

未来我国电网发展的关键技术需求未来电网的发展需要新技术的推动，我国幅员辽阔，电网庞大复杂，其安全、高效运行需要各种技术的支撑。在2030年之前电网发展形式比较明朗的情况下，需要有重点地发展相关关键技术，如在发电方面，应重点发展风力发电、太阳能发电、分布式发电、核电技术等新型能源发电技术，在输电方面应重点发展特高压交直流输电、多端直流输电、柔性交直流输电等实用技术，同时应有针对性地研究分频输电、半波长输电等新型输电技术。

从远期来看，2050年我国电网发展模式并不十分明朗，但对新技术的研究始终是对未来电网发展的技术储备。因此，针对2050年的电网发展模式，应从多方面进行前沿性技术研究，使我国电网发展始终处于国际领先水平。具体的前沿性技术需求包括：高温超导输电技术、常温超导输电技术、无线输电技术等。

高温超导输电技术未来具有一定的应用前景，到2050年之前可能会实现商业化。但由于目前高温超导电缆设备电压等级较低，且需要冷却设备，因此很难采用该技术形成我国未来电网的主网架，但可考虑将其应用在我国未来城市配电网，以满足日益增长的区域负荷需求。相反，若常温超导输电技术能够实现商业化，则可能对电网发展产生颠覆性影响，可改变整个电网的发展模式。目前国内外均已对高温超导有了一定的研究并有了实际应用，我国对高温超导技术的研究也处于国际先进水平，但国内外对常温超导技术的研究仍进展缓慢。超导技术作为21世纪重点的前沿技术，应引起我国的重视，未来我国应对高温超导技术进行进一步深入研究，争取尽早实现商业化，并对常温超导技术进行基础性研究，争取取得技术性突破。

此外，日本提出到2050年建设太空太阳能电站，并通过无线输电技术进行电能的传输，这同样是一种新的能源发展思路，我国有必要对无线输电技术进行关注和研究。

除了发电技术、输电技术以外，电网的发展还依赖储能技术、电网技术、配电技术、用电技术等。储能技术的研究包括超导储能、飞轮储能、压缩空气储能、抽水蓄能以及电动汽车技术等;电网技术研究包括智能电网技术、电力市场技术以及电网运行控制技术等，而配用电技术研究包括智能配电网技术、微网技术及物联网技术等。

总结起来，未来电网发展可能需要的关键技术从发、输、配、用4个方面来分析，具体的技术需求如下：

发电技术：风力发电技术、太阳能发电技术、分布式发电技术、核电技术等。

输电技术：

1）新型输电技术，特高压交直流输电技术、多端直流输电技术、柔性交直流输电技术、半波长输电技术、分频输电技术、高温超导输电技术、常温超导输电技术、无线输电技术等。

2）储能技术：超导储能、飞轮储能、抽水蓄能、压缩空气、电动汽车技术等。

3）电网技术：智能电网技术、电力市场技术、电网运行控制技术、先进的大规模仿真计算技术等。

配电技术：智能配电网技术、微网技术。

用电技术：物联网技术、智能用电技术。

此外，未来对新材料和新设备的技术需求包括：高性能电介质材料、超导材料及设备、新型电力电子材料及器件、型输变电设备、新型电力电子装置、储能设备、新柔性交直流输电设备及智能电器等。

结论欧美发达国家电网已经发展较为成熟，从其未来的电网规划设想来看，其电网的进一步扩大升级主要用于应对能源危机和气候变化问题，我国电网虽处于快速发展时期，但同样需要借鉴欧美国家的发展思路，未来电网的发展既要以满足电力需求为首要目的，又要大量接纳清洁及可再生能源，解决我国的能源短缺和环境污染问题。

从我国未来的能源及负荷分布情况来看，2020-2030年，我国仍将存在大规模的跨区域电力流，而2020-2030年可预见的实用化输电技术将主要以超/特高压输电技术为主，因此，预计我国2020-2030年的输电网发展模式将主要以超/特高压交直流混合输电模式为主。2050年，由于能源及输电技术发展的不确定性，我国输电网发展模式不十分明朗，存在交直流混合输电模式、超导主网架模式、电源与负荷匹配模式3种可能情况。

从电网发展的技术需求来看，近期我国应重点研究特高压交直流输电、多端直流输电、柔性交直流输电等实用技术，有针对性地研究分频输电、半波长输电等新型输电技术，并对高温超导输电技术、常温超导输电技术、无线输电技术等进行前沿性研究。