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特压+智能电网 助全球超级电网计划

  对于电力价格奇,电网服务参差不齐的地区,居民用户和商家自己发电和利用储能技术是一个很好的选择,相关的报道也比比皆是。但对于全世界其他大部分地区,则应该将各个地区的电网互连,形成一个全球性的超级电网。

特压+智能电网 助全球超级电网计划

超级电网的理念之所以如此引入瞩目是因为当前电网面临如下挑战:能源需求随着城市规模的不断扩大而迅猛增加,大量零碳可再生能源(风能和太阳能)的快速扩张以及不断增长的电气和物理攻击下保证电网安全的需求。规模越小且越孤立的电网在维持电力实时供需平衡方面的能力就越差,电网的更新换代迫在眉睫。

建设一个全球超级电网究竟需要什么?技术上来讲,这将取决于全球压直流输电系统(HVDC)的建设情况。事实上,构成这一系统的大部分组件已经存在。除此之外,各地区电网运营商需考虑如何筹集足够的资金来建设一个超级电网,制定各地区电网间进行电力交易的规则,以及制定相应的技术标准保证该超级电网安全可靠地运行。

对于超级电网应该采用哪种输电技术可以追溯至电力工业起步之初,两个伟大的发明家托马斯?爱迪生(Thomas Edison)和尼古拉?特斯拉(Nikola Tesla)之间展开的“交直流之战”。1982年,爱迪生成功地运营了座商业化的直流发电厂,但终特斯拉的交流电技术主宰了如今的电网。

1895年,特斯拉所梦寐以求的美国尼亚加拉大瀑布的水利资源开发终于取得成功。几年内,这里所生产的电能通过交流输电线路可以传输到700公里外的纽约市,证明了交流电的优越性。整个20世纪,世界上所有的电力系统几乎都基于交流电技术。交流电取得胜利的关键是交流电可以通过电磁感应非常容易地升到更的电压,从而以更低的电流输送很长的距离,从而小化电阻带来的输电损耗,随后在进行地区性电力配送时则会降低电压等级。在当时,直流输电无法做到这一点。但是,电力工程师也清楚地知道,电压较时,直流输电系统的表现要优于交流输电系统,因为与交流电相比,直流传输的电能损失要少得多。

那么减少的损失是多少?假定通过压直流传输一定量的电能:若电压升1倍,则电流将降为原交流系统的一半,可以减少4倍的电能损失(译者注:此处是比较电压升后的直流输电与原交流输电系统之间的关系)。同时,对电缆的需求也大大减少了,因为当直流电在通过电缆时,其内部的电流密度是均匀分布的,而交流电在通过电缆时,边缘的电流密度要大于导体中心的电流密度,甚至中心没有电流通过。即便是同一尺寸的导线,交流输电的阻抗更大,将有更多电能以热能的形式损失掉。在实际运行中,这意味着在输电线路建设时交流输电对基础设施的需求更大。例如利用765kV交流输电系统传输6000MW电能,需要三根单回输电线,输电走廊需要180米宽。与之相比,800kV直流输电系统的输电走廊只需80米宽。

HVDC也能非常容易的实现两个不同频率电网间的电能传输。但与交流输电线路相比,HVDC系统中换流器、电缆和断路器等设施的造价更加昂贵,因此通常输电距离大于500公里时HVDC技术才具有经济优势。随着关键器件成本的降低,HVDC的经济优势会更加显着。

鉴于直流输电技术的这些优势,整个20世纪,电力工程师们不断尝试各种直流输电技术。压直流输电系统的关键组件是位于输电线两端的交直流换流器,它可以将交流电转换为直流电,通过直流线路将直流功率传输到另一端的换流器再转化为交流电。在1960年代,换流器主要采用汞弧阀技术,这种电子开关只能打开但不能关闭,大范围使用受到限制。

1970年代出现了新一代的换流技术——水冷晶阀管,一种既能打开又能关闭的大型固态开关。1978年,世界首个采用晶阀管技术的直流输电工程在NelsonRiver建成,将位于加拿大马尼托巴省北部的水力发电站的电能通过该输电线送至加拿大人口密集的南部。

之后,HVDC技术在北美的发展十分有限,但在巴西、中国、印度、和西欧则取得了飞速发展。1990年代末,随着半导体器件技术的进步,绝缘栅双极型晶体管(IGBTs)的出现使得HVDC技术得到了更广泛的应用,绝缘栅双极型晶体管每周期的开断可以切换多次,当前先进的绝缘栅双极型晶体管的打开 (关闭)只需十亿分之一秒。

目前广泛使用的HVDC换流器是电压源换流器(VSC)。虽然传统换流器依然在更电压、更容量的输电系统中应用,但VSC便于直流线路整合到现有电网中。1997年3月世界上个采用VSC的直流输电工程在瑞典的Hellsjon和Grangesberg投入使用,其输送功率和电压分别只有 3MW和10kV。5年后,该技术又被用于长岛海峡(位于美国纽约州和康涅狄格州之间)的Cross-SoundCable工程之中,其输送功率达到了 330MW,但转换中的电能损失依然较,达到了2.5%。目前,先进的VSC已经可以将损失降至1%。

此外,目前已经能够实现在一条HVDC线路上拥有多个终端(即多端直流输电技术),除了直流输电线路的两端,线路的中间点也可以接入换流器,实现多点直流联网,这使控制方法更加复杂,但也可能使电网更加强壮。

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