[科普中国]-低碳电网

简介

近年来，由于过度消耗化石燃料所导致的全球气候变暖问题成为世界各国关注的焦点。为缓解温室气体排放对各方面所带来的影响，世界各国纷纷制定了低碳发展路线。我国也积极迎接挑战，提出了低碳发展的2个战略目标:到2020年，单位GDP的CO2:排放比2005年下降40%~45%，非化石能源占一次能源总消费量的15%。电力行业是CO:的排放大户，据统计，目前我国电力行业碳排放量约占全国总碳排放量的40%。作为国民经济中最大的CO2:排放部门，电力行业需要调整发展战略，发展低碳电力，为我国的低碳发展做出贡献2。

在电力行业的碳排放中，当前对发电侧碳排放的研究较多，这是因为发电侧碳排放具有源少、量大、集中程度高的特点，发电侧碳排放在全行业中占有较大比重，可再生能源所带来的低碳效益首先体现在发电侧，而且其碳排放计算方法较为明确、易于理解。相对而言，电网环节的碳排放研究则较少。事实上，电网企业在我国的电力工业中担负着多重的角色职能，承担着关键的经济责任与重大的社会责任，既担负着公平高效地运营电力系统、保证系统安全、确保民生用电、支撑经济运行的职能;又担负着贯彻国家宏观政策，引导、推动电力节能减排，实现电力工业可持续发展的任务，对于上下游企业具有关键的引导作用。面对我国的低碳经济发展模式，电网企业应实施积极的应对措施，主动研究和推动低碳电力的发展，在支持国家低碳经济发展上有所作为。为实现电网的低碳化发展，电网企业需要引入低碳理念，开展低碳发展模式研究，挖掘电网低碳潜力，广泛应用低碳电力技术，最终实现“低碳电网”。

低碳电网的内涵低碳电网是指在电力输送过程中可以实现节能、高效率、低排放等低碳目标的电网3。

发展低碳电网，需要实现电网的各个环节和部门的低碳化，在电网的规划建设、生产技术、调度运行和管理机制等方面考虑低碳目标，通过电网企业不同部门的协调配合，降低输电损耗，提高用能效率，节约资源使用，实现电网白身减排最大化，同时推动电源侧和用电侧的低碳化发展，为电力行业提供低碳发展平台。

电网环节的低碳潜力电网具有电能输送和能量管理的功能，是国家进行能源管理的重要工具。研究电网环节的低碳潜力，对低碳发展的目标具有重要战略意义。

电网实现低碳的潜力主要来白以下3个方面1:

低输电损耗电网是电能传输的载体，电能在传输的过程中伴随着一定的损耗。尽管网损在电能传输的过程中并未直接导致碳排放，但其源端的化石燃料为主的电力能源基地因为这部分损耗产生了实际的碳排放。2010年，我国电力系统的供电损耗率为6.49%，损失电量为290.9 TWh。这部分损耗相当于约2亿t的CO:排放，超过电力行业碳排放总量的5%。整体来说，通过电网降损实现节能减排的潜力很大。通过合理规划电网结构、调整运行方式、提高输配电技术和加强管理等手段来降低电网的能量损耗，即可降低在输电过程当中导致的碳排放。

落实发电侧与负荷侧的低碳潜力电网连接着发电侧和用电侧。通过电网的建设、管理、运行、机制等方面的引导和激励，能够促进发电侧和用电侧低碳技术的发展和应用，更大程度地发挥发电侧和用电侧的低碳潜力。电网环节通过加强网架建设、增加电网储能设备等方式能够提高电网接纳可再生能源的能力，促进发电侧可再生能源发电的发展，提高电源结构中低碳电源的比例[3];通过低碳调度技术，能够降低发电环节的总煤耗，提高能源利用效率，减少发电碳排放;通过峰谷分时电价机制等需求侧的管理手段，能够调整负荷曲线，降低网损和发电煤耗，并引导用户低碳合理用电;通过为电动汽车提供配套服务，可以推广和普及电动汽车，促进用电方式低碳化。通过电网环节的协调和激励，能够最大限度地落实电力系统全行业的低碳潜力。

实现电网环节的直接减排和资源节约电网中有大量使用六氟化硫(SF6)作为绝缘材料的开关器件。SF6的温室效应强度约为CO:的23 900倍，全球每年排放到大气中的SF6气体相当于1.25亿t的COZ，目前我国SF6气体的年产量约为7000t，其中一半以上被用于电力工业。因此，减少SF6在电网设备中的使用量与泄漏能够给电网带来直接的低碳效益。

除了使用SF6的电气设备，电网中的其他设备在生产、运输、运行、回收过程中也会产生大量的温室气体排放。因此，电网环节应当采取全生命周期的管理机制，考虑设备全生命周期内的碳排放情况，选择具有低碳属性的设备，合理规划布局，避免输电线路的冗余，提高电网传输容量，从广义上提高电网的能源利用效率，减少电网在工程建设和设备运行过程中的资源消耗和温室气体排放，发挥电网环节白身的低碳潜力。

电网环节低碳途径分析对应用于电网环节的设备技术和管理方式，只要能够实现上述的低碳目标，都可纳电网环节的低碳技术体系。针对不同的实施载体，电网环节的低碳化技术措施可以归纳为5个方面，如图1所示。

电网技术与设备的低碳更新硬件设备的低碳更新是指应用更高级的输电技术，使用节能型的材料和设备，降低电网输电过程中的能量损耗，节约资源，以此实现低碳化发展。电网设备种类众多，可实现低碳更新的主要手段可归结如图2所示，包括:应用特高压输电、轻型直流输电、紧凑型输电等新型输配电技术，使用新型材料的输电杆塔、导线和金具等输电设备，推广节能型变压器，加装无功补偿设备，增加电网储能装置和SF}的回收设备等。

电网低碳运行控制与电网硬件设备的低碳更新相比，低碳化的运行控制措施能够在一定限度内更快捷、低成本地减少碳排放的m。电网的低碳运行控制手段如图3所示，包括:低碳调度，运行降损措施和提高接纳可再生能源能力的措施。

低碳电力调度应同时兼顾电能生产与CO:排放，通过分析两者的相互关系，实现“电平衡”与“碳平衡”的协调与衔接f}l，考虑电厂综合特性进行有序调度。考虑到中国现有的电源结构和发电技术，引入低碳电力调度可成为在短期内控制电力CO:排放最有效的方式。

建立电力低碳机制体系在电网的低碳化发展过程中，建立面向低碳的电力市场机制与管理机制也是低碳技术发展途径中不可忽视的环节。通过采取合理的运行管理机制，能够引导电网发电侧的低碳化发展，促进发电侧减排;并且能够与用电侧进行协调互动，提高用户用电效率，引导用户科学用电。能够实现低碳目标的机制体系如图5所示，包括:发电权交易，线损管理，全生命周期管理，需求侧管理，合同能源管理和电价引导机制fy_iol 3.5用能方式低碳化

基于用户需求的能源输出及能源利用效率的提高，将使能源行业的低碳化发展事半功陪。各类低碳电力技术均需要以低碳高效的用能方式相配合。电网环节的一些措施能推动用电侧低碳化发展，引导用电方式的低碳化。目前低碳的用能方式主要在于提高电在终端能源的使用比例，以电动汽车为主。

目前，能源使用方式众多，电网与用户侧的联系表面上不如其与发电侧的联系紧密。实际上，在未来的智能电网体系下，将实现用户与电网的互动，这将推动低碳用能方式的发展。在实时电价体系的引导下，用户将选择何时从电网购电或者通过电动汽车、分布式可再生能源发电等途径向电网售电。低碳的用能方式不但能够为用户节约开支，而且能够辅助电网调整负荷曲线，减少网损和煤耗，创造低碳效益。

广东电网低碳发展技术途径低碳化是未来电网发展的主要目标，但限于投资成本、时问约束和电网的其他发展目标的制约，电网企业需要采取的低碳化发展战略不可能覆盖所有低碳技术。所以电网企业需要结合白身的实际情况，综合制定低碳化技术应对手段。广东电网地处南方电网的负荷中心，同时为我国首批节能优化调度试点与低碳试点省份，其低碳发展的技术途径对于我国电网的低碳化发展具有重要的指导意义。结合上文的分析与广东省的实际情况，本节对其低碳发展技术途径进行归纳分析3。

发展高效输电技术广东省经济发达但资源比较C乏，是西电东送的主要受端省份，需要接纳大量的外来电量。随着未来负荷需求的增长，对于西电东送的输电容量和广东电网的接纳能力有着更高的要求。广东电网在低碳化发展的模式下，为确保省内电力需求应当大力发展特高压输电等高效输电技术。

高效输电技术的发展应用能够提升电网的传输容量、确保西电东送的电力供应，降低输电损耗、提高能源效率，减少电网损耗产生的co:排放，同时为可再生能源发电的发展提供条件。

1 特高压输电技术。

在我国，特高压是指交流1 000 kV及以上和直流士800 kV以上的电压等级。理论上，采用特高压输电可使得现有的输电损耗下降75%以上，大大减少了由输电导致的碳排放。特高压输电提高了线路输送容量，节约了线路走廊，同等输送容量下节省了大量的建设资源与生产能耗。特高压的远距离输电能力能够有效优化资源配置，为大规模可再生能源发电提供输电通道，同时减少受端省能源需求压力。世界首个士800 kV特高压直流输电工程—云南至广东士800 kV特高压直流输电工程于2010年6月18日完成双极投运，输送能力达SGW，节约走廊土地约8 300公顷，节约换流站占地超过600公顷。该工程每年可实现CO:减排放1.76 Mto随着未来西南水电的开发，特高压输电将为广东电网带来更为可观的减排效益。

2)紧凑型和同塔多回输电技术。

紧凑型输电技术是指取消常规线路的相问接地构架，将三相输电线路置于同一塔窗中，缩小了导线的相问距离，增加相导线分裂根数和相导线等效半径，实现相导线的结构和布置的优化，有效压缩输电线路走廊宽度的新型输电技术。同塔多回输电是指在一个杆塔上架设2回或2回以上相同电压等级或不同电压等级导线的一种新型输电。

发展紧凑型和同塔多回输电技术能够节省塔材耗量，减少投资成本，节约西电东送线路宝贵的土地资源，预留未来的发展空问。

3动态增容技术。

输电线路动态增容是指在导线允许运行温度不变并保证线路运行安全性的前提下，通过数据监测与传输装置采集导线在线温度、环境温度、风速、日照和载流量等数据，根据弧垂判据、温度判据、应力判据等安全性判据，计算出输电线路的实时最大载流量，来实时调整输电线路的传输容量。有别于传统的扩大导线截面，或更换高温导线的增容方法，动态增容充分利用现有输电设施和通道状况，挖掘输电线路隐性容量从而提高利用效率，是一种廉价·有效、安全的增容技术。

动态增容技术可以增加单位线路的传输容量，最大限度发挥线路的传输容量，保证西电东送的电力供应，延缓西电东送的线路建设需求，提高能源利用效率。

推广应用降损技术降低电能损耗我国各省电网的综合线损率普遍较高，具有很大的降损空问，电网企业需要不断深入挖掘电网降损潜力，应用降损技术，加强线损管理U“一‘y，实现电网的低碳化发展。为配合南方电网的工作，电网降损必然是广东电网低碳化发展的重要途径。

1)使用新型导线和节能金具。

新型导线能够提升线路的降损空问，目前最新型的导线为碳纤维复合芯铝绞线(aluminumconductor composite core reinforced cable } ACCC)，它由轻型的高强度碳纤维复合芯和外层缠绕的高性能梯形成型铝线组成。由于复合材料不存在钢丝材料引起的磁损和热效应，输送相同电力的条件下，具有更低的运行温度，可以减少输电线损6%左右，而且可循环使用}20} 我国的输电线路中使用了大量垂线夹、耐张线夹、并沟线夹、防振垂等金具，这些铁磁材料制成的金具在运行中会因其磁滞损耗和涡流损耗导致电能损失。通过使用低导磁率的材料(如铝或铜合金或低磁钢)来制造线路金具能够避免巨大的电能损失，减少电网的电能损耗。

2)加强降损措施和线损管理。

电网企业在面向低碳化发展模式下，常规的运行降损措施应当进一步完善和加强:合理加设无功补偿装置，防止电网因功率因数下降造成的电能损耗;在不同的负荷情况下合理地调整电网的运行电压;确定环网的合理运行方式，使电网的功率分布接近于经济分布;调整负荷曲线、平衡三相负荷;合理安排检修，避免损耗增加;实行变压器的经济运行，使变压器电能损失最低

线损的降低不仅需要应用技术手段，也需要完善的管理措施的支持。南方电网公司于2008年试点实施了线损分压、分区、分线、分台区的“四分”管理机制。广东电网需要结合白身实际情况和需求制定有效的线损管理体系，完善落实“四分”线损精细化管理工作，提高计量管理水平，加强计量管理的统计、分析工作，保证线损统计的准确性，合理指导降损技术的应用，最大限度地减少输电线损。

开展低碳电力调度发挥低碳电源优势广东省拥有包括核电和海上风电等形势多样的清洁能源发电，未来的可再生能源电源比例将稳步提高，还可能增加碳捕集电厂等新型发电类型，使省内电力系统运行中的电源品种进一步增加。广东电网应当充分利用省内的清洁能源发电资源，开展低碳电力调度，通过对各类发电机组按能耗排序，优化联合经济调度，以优化电网潮流与清洁能源的利用与消纳。此外还需要深入研究各类元件的电一碳关系和技术特性，挖掘发、输、配、用环节中的CO:减排潜力，在调度运行中最大限度地减少CO:排放f}l 开展低碳电力调度能够在短期内有效降低电力系统的CO:排放，实现对现有电源结构的优化配置，并激励电源进行低碳改革，能够为广东电网带来显著的低碳效益。

采用新型变压器，减少变电损耗在广义电力系统(包括发、供、用电)运行中，变压器的数量巨大，其总的电能损失约占发电量的10%。这意味着每年全国所有变压器损耗的电能达到上千亿kWh，产生上亿t的碳排放。电网企业需要考虑电力系统的变电损耗情况，逐步淘汰陈旧老化、标准低、损耗高的变压器，加快推广具有节能效果的新型变压器。

新型的变压器具有更大的节能空问，目前我国正在推广的S11系列油浸式变压器空载损耗较S9系列下降30%}40%，空载电流降低70%~80%。而新型的非晶合金变压器的空载损耗可降低60%~80%，有显著的节能效果。

除节能变压器外，推广白祸变压器的应用也能够为电网带来显著的低碳效益。与普通变压器相比，在相同输送容量下，白祸变压器的电磁容量和外形尺寸都有所减小，减少了运行过程中的有功和无功损耗，节约了制造过程中耗用的铜铁材料，减轻了运输压力和安装难度，减少了设备在生产、运输过程中的碳排放，还可以减少无功补偿设备容量，在全生命周期范围内实现低碳效。

为电动汽车提供配套服务电动汽车是指以高效率充电电池、燃料电池等车载电源为动力源的汽车，发展电动汽车是世界共识和潮流。深圳市和广州市作为我国推广节能与彩能源汽车的试点城市，将率先推广电动汽车的仗用。针对未来规模化发展的电动汽车产业，广东电网需要在规划、建设和管理上要做好准备，应对电动汽车的用电需求，为电动汽车提供快捷方便的介放电交互服务。

应采取的措施包括:加快研究电动汽车充电剑网络布点规划方法，建设分布广泛的充电站和充电桩;研究出台电动汽车充电站技术标准，制定相应的技术规范;分析探讨电动汽车大规模联网充电双于电网的安全稳定和电能质量的影响;研究如何和用电动汽车的储能装置调整电网负荷曲线、进行肖}峰填谷，提高电网可靠性。

加强新型低碳技术的研究低碳电力技术的进步能够推动电网低碳化匡发展，广东电网在推广现有成熟的电网低碳技术应用的同时，还应该关注和支持新型低碳技术的研J}和发展，并积极研究其应用前景。电网的新型低磺技术包括复合材料输电杆塔、直流配电技术、电网储能技术、智能电表技术等。

复合材料输电杆塔由纤维增强树脂基复合利料制造，能够替代传统的铁塔和混凝土杆。复合材料输电杆塔在全生命周期下更具低碳效益，目前我国已有相关的研究和试点。直流配电拟术省去了变压环节，损耗更小，而且为分布式电源提供了并网条件电网储能技术能够在大规模问歇式能源并网时保证电网的可靠性，目前储能装置在电网中的应用并不广泛，储能电池等装置还需要进一步的研究。智能电表技术是智能电网技术的重要组成之一，是实现分时电价政策、实现用户互动、引导用广科学用电的技术保证3。