智能电网发展与高压直流输电_曹均正

DOI:10.14171/j.2095-5944.sg.2013.02.001

第1卷 第2期 2013年12月 智 能 电 网 Smart Grid V ol. 1 No. 2 Dec. 2013

文章编号：2095-5944 (2013) 02-0001-06 中图分类号：TM 89 文献标志码：A

智能电网发展与高压直流输电

曹均正, 郭焕, 魏晓光, 查鲲鹏

(国网智能电网研究院，北京市 昌平区 102209)

Development of Smart Grid and HVDC Transmission

CAO Junzheng, GUO Huan, WEI Xiaoguang, ZHA Kunpeng

(State Grid Smart Grid Research Institute, Changping District, Beijing 102209, China)

ABSTRACT ：The world energy shortage together with the aspiration for environment protection has lead to the innovation of power generation technologies. The newly developed power generation technologies further inspire the development of novel power transmission and distribution technologies. In this paper, the power grid development plans scheduled by Europe, USA and China are introduced, and applications of HVDC technologies in the present power grids are described briefly. The expected features for developing power grids are analyzed in conjunction with HVDC transmission technologies, reaching condusions that future power grids will evolve toward “smarter”, “super” .The inherited merits of HVDC transmission is suit for the development of future power grid. HVDC technologies are expected to play a key role in the future power grid development. The construction and development of smart grid are briefly explained finally.

KEY WORDS：renewable energy；smart grid；super grid；HVDC transmission

摘要：世界能源危机和环境保护的需要促进了发电技术的变革，新能源发电技术蓬勃发展，同时也影响了输配电技术的发展。首先就欧洲、美国和中国等地的电网发展规划进行说明，介绍其中直流输电工程的应用情况；随后对电网发展的特征和高压直流输电的技术特点进行分析，结果表明未来大型电网将向着“智能”、“超级”的方向发展，高压直流输电的技术特点符合智能电网的发展需求，并有望在智能电网的建设中发挥重要作用；最后对智能电网的建设及其发展进行了初步分析。 关键词：新能源；智能电网；超级电网；高压直流输电

0 引言

能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。能源的开发利用极大地推进了世界经济和人类社会的发展。然而世界能源资源储量有限，部分常规能源的开采和利用已接近其极限，同时也必须估计到非再生矿石等常规能源枯竭可能带来的危机。随着社会和经济的发展，能源需求进一步增加，能源变得愈发珍贵，能源问题亦更加突出。

与此同时，由能源消耗引起的环境问题也愈发突出，已引起世界范围内的广泛关注。联合国先后组织相关会议，对环境保护和温室气体排放等问题进行了商讨。

正是在这样的大背景下，各国积极研究和采用新技术，开发利用新能源[1-2]。新能源的利用不仅能有效补充世界能源资源的不足，还能减轻二氧化碳

基金项目：国家863科技项目(2012AA052701)，国家电网公司科技项目：±1100kV 特高压直流输电换流阀技术研究及示范应用。

等有害气体排放，保护环境。此外，随着能源的供求矛盾突出，能源资源的优化配置和高效利用也变得愈加重要。

能源大环境的变化，不但催生了发电技术的变革，促进新能源技术的发展，也影响了未来电网输配电技术的发展。世界各国各地区正积极规划建设以下对能充分利用新能源电力的智能超级电网[2-3]。欧洲、美国和中国的电网规划和发展进行介绍，并结合高压直流输电的技术特点，分析其在未来智能电网建设中可能发挥的作用。

1 智能电网规划

1.1 欧洲电网与高压直流输电

欧洲在能源建设和环境保护方面一直走在世界的前列。2008年10月欧盟推出一揽子能源计划，提出到2020年温室气体排放量在1990年的基础上至少减少20%，可再生能源消费占总能源消费的20%等[4]。2010年11月欧盟发布了新的能源战略，

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提出推动节能革新，促进能源行业的竞争，推进欧盟能源市场一体化进程，建设包括电力网络在内的统一能源供应网，制订和完善环境友好型能源政策等。

正是基于以上考虑，欧洲提出建设超级电网。规划的超级电网主要有两种版本：北欧超级电网(Super Grid)[5-9]和欧非超级电网(Desertec)[10-13]，如 图1所示。这些超级电网都将充分利用欧洲北部海域丰富的风能和潮汐能资源。以苏格兰海域为例，预计的风能和潮汐能资源将是其本国消耗量的好几倍。规划的欧非超级电网还将横跨地中海，把非洲北部撒哈拉地区和中东地区丰富的太阳能和风能送到欧洲。

图1 北欧超级电网

Fig. 1 The north sea super grid

届时超级电网不但能加强欧盟各国电力网络的联系，促进电力市场竞争，提高电力资源的优化配置能力，而且将广泛应用风能、太阳能等各种新能源，有助于欧盟实现温室气体的减排目标。

建设规模宏大的超级电网，高压直流输电将在其中发挥重要作用。如实现高质量的新能源并网、大容量远距离输电等，把电力能源从相对偏僻的地区输送到人口众多的电力消费区等。 1.2 美国的智能电网和高压直流输电

美国一贯支持新能源技术的发展，先后出台了多项有关政策。在哥本哈根气候大会上，美国承诺正是在这种背景到2020年，温室气体减排17%[4]。下，美国积极发展新能源。美国电科院、能源部还先后提出了智能电网的概念。2009年，奥巴马政府更是将智能电网建设提升至国家战略层面。

此外，美国还提出建设统一智能电网(Unified National Smart Grid)或超级电网(Super grid)。美国的超级电网有几个版本，如Zweibel 和Fthenakis 等提出的超级太阳能电网(Solar Grand Plan)[14-15]，把各地分散的发电设施和大规模光伏发电基地连接起来，同时利用高压直流输电把位于美国西南部阳光充足地区的大规模太阳能发电基地和其它地区连接起来。此外，由Midwest ISO、PJM 、SPP 等联合

提出的互联调配计划(The Joint Coordinated System Plan 2008)[16-17]，提出了到2024年美国东部电网联网建设的规划图，包含两种版本。该计划主要包括新能源建设和电力输送线路建设两部分，从而充分利用建设的新能源。此外，美国风能协会(AWEA)和太阳能工业协会(SEIA)还联合提出建设“绿色能源高速公路”，以解决新能源应用中的电力输送问题[18]。

美国对未来电网建设的几种规划各有特色，但都旨在改变目前电网构架相对陈旧，各区域电网相对独立的状态，加强互联，形成统一的智能电网，加强电能资源的配置能力，并且充分纳入可再生新能源发电技术，建设清洁能源，提高效率。

美国电网建设蕴含“智能”和“统一”两大主题。所谓“智能”，即充分利用先进的传感测量技术、信息通信技术、自动控制技术，形成新型现代电网，从而充分满足用户对电力的需求，实现资源优化配置，确保电力供应的安全性，可靠性和经济性。“统一”，即把北美地区原本较为分散的区域电网紧密相连，形成更强的电力资源优化配置能力，并能充分纳入偏远地区的新能源电力资源。

在美国的电网建设规划中，高压直流输电起着非常重要的作用[19]。目前美国已开始加快建设直流

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输电工程的步伐，美国电科院对智能电网的投资研究报告中[20]，提出建设30条直流输电工程。这些直流输电工程(包括背靠背直流) 在强化各区域电网互联、远距离电力输送、电力资源优化配置和新能源纳入等方面发挥重要作用。 1.3 中国的智能电网和高压直流输电

在2009年的哥本哈根气候大会上，中国承诺到2020年，温室气体排放将比2005年减少40%~45%，减排任务非常艰巨，而电力能源的需求却持续增长，中国急需发展新技术，充分利用新能源，提高电力资源的利用率和优化配置能力。

中国的洁净能源资源总量较为丰富，如水力资源经济可开发年发电量约1.76万亿千瓦时，陆上风能资源可发电量达3亿千瓦，均居世界首位，太阳能也较为丰富，但人均资源拥有量在世界上处于较低水平。目前我国正大力发展新能源，全国建有近千个风电场，是全世界风电装机容量最多的国家。截止到2011年底，累计装机容量达4700万千瓦，光伏电站装机容量达300万千瓦[21]。

我国的新能源分布并不均匀，风电资源主要分布在西部、北部和东南沿海地区，而太阳能资源主要集中在西部和北部。尽管风电场和光伏电场的建设突飞猛进，但并没有在发电、输电能力和用电方面形成和谐均衡地发展，制约了新能源的利用。而未来仍有大量新能源发电厂需要建设发展。此外，传统的煤炭和水力资源分布也并不均匀，煤炭资源主要集中在西部和北部，而水力资源主要集中在西南部。总的来说，资源分布和电力消费呈逆向分布。

正是在这一背景下，中国提出坚强智能电网的建设目标。既注重了智能电网的建设，提高电力系统的能源使用效率，同时也注重建设特高压为骨干网架的坚强电网，把各种电力能源有效纳入到统一电网中，提高电力资源的优化配置能力。我国正在规划建设的三华同步电网，将把华中、华东和华北电网通过交、直流互联，形成统一的同步电网。随着三华同步电网的建设，将进一步增强系统纳入大容量直流输电工程的能力，随着“十二五”期间十多条高压/特高压直流输电工程的规划建设完成，将大大提高我国电力资源优化配置的能力。

目前，中国是世界上直流输电工程数量最多，电压等级最高，输送容量最大的国家。这是与我国能源分布和电力消费呈逆向分布的特点分不开的。随着未来新能源技术的发展，能源分布不均匀的局

面将继续存在，高压直流输电有望在我国的电网建设中和电力资源优化配置方面继续发挥重要作用。

2 智能电网和高压直流输电应用

目前能源消耗和能源供给之间的矛盾更加突出，再加上环境保护的需要，新能源的发展、电力资源的有效配置和高效利用变得尤为重要。这一切都促成了欧洲、美国和中国电网殊途同归，共同向着智能的“超级”电网方向发展。同样，高压直流输电将在“超级智能”电网的建设中起着重要作用。这些是电网发展需要和高压直流输电的技术特点共同决定的。

新能源主要是可再生绿色能源的供给将伴随技术进步迅速增加，形成新的能源供求格局。电网将向着具有更环保、更高效的方向发展。从目前趋势来看，电网发展将具有以下特征：

1）电源方式多样化。包括水力发电、风力发电、太阳能发电等。电力系统应具有充分纳入和协调各种形式电源的能力。

2）电源分布分散化。电源方式多样，对应的能源资源和发电场分布更加分散，比如海湾及海上(风力发电) 、高原(风力和太阳能发电) 、江河(水力发电) 等，电力系统应具有充分纳入和协调各地区，尤其是偏僻和特殊场所电力能源的能力。

3）电力系统“超级化”。各区域电网之间的联系更加紧密，形成更大的超级电网。电力资源的调配能力得到极大加强，从而使各类电力能源得到最大程度的充分利用。尤其是间隙式能源，如风力发电在某些地区可能有风，而其它地方可能没有。但对于广大区域，风力却相对恒定。也就是说，随着电网资源配置能力加强，将极大削弱系统内新能源的间歇性特征，有利于电力系统的稳定运行和电力资源的高效利用。所需的火力发电配备少，电力系统更加环保。

4）电力系统智能化。未来电力系统发电形式多样，发电场所分布更加分散，同时电力需求增加，电力资源的调配将更加复杂。同时能源变得更加昂贵，电力能源的高效利用更加重要。这一切都促使电力系统更加智能，从而实现电力资源的有效配置和高效利用。

和交流输电相比，高压直流输电有着自己独特的优势，主要有[22-24]：

1）高压直流输电在长距离输电上损耗更低，

4 曹均正等：智能电网发展与高压直流输电 V ol. 1 No. 2

所占用的输电走廊面积更小。

2）可实现长距离的电缆输电，而这在交流输电上是不可行的。

3）现不同额定频率或相同额定频率交流系统之间的非同步互联，增加与之并列运行的交直流系统的稳定性。

4）高压直流输电易于快速控制，使系统稳定性增强。

5）对有功和无功功率进行控制。尤其是柔性直流输电，可实现有功和无功功率大范围的精确控制，控制更加灵活。

6）柔性直流输电无需换相电源，适用于各种电源和负荷的接入。

7）直流输电线路稳态运行时无电容电流，线路部分无需无功补偿。

由于上述独特的技术优势，高压直流输电有望这主要在于： 在未来智能电网中发挥重要作用[25-28]。

1）高压直流输电符合电源形式多样化的要求。电源形式的多样化，要求有灵活有效的并网技术，把各种形式的发电电源纳入电网中，进行电力资源的有效配置。而高压直流输电，尤其是柔性直流输电，不仅能动态大范围控制有功和无功功率，抑制新能源电厂的电压波动(闪变) ，而且可以有效提高并网系统的暂态稳定性，大幅改善新能源并网性能。因此是各种形式的电源纳入电力系统的有效手段[29-33]。

2）高压直流输电符合电源分散化的要求。高压直流输电是各类分散电源纳入电力系统的有效手段。这不仅仅是因为高压直流输电在远距离电力能源的输送中更加高效，损耗更小，所需输电走廊更少，而且在跨海电缆输电、城市输电走廊有限的大容量电力输送、孤岛电力输送等方面有独特优势。

3）高压直流输电的应用符合电网“超级”化发展的要求。高压直流输电是各区域电网进行不同频率或同频率不同步互联的有效手段。同时运用高压直流输电进行跨区域的大容量电力输送，也能满足未来电网实现更统一的要求。

4）高压直流输电的应用符合电网智能化发展的要求。高压直流输电可实现有功和无功的灵活控制，还可实现各种快速控制，有利于未来电网的稳定和智能控制。

结合电网发展趋势和相关分析研究[19

，29-30]

级构成。最高层是由特高压/高压直流输电的“电力高速公路”联合区域电网和大规模发电场形成的超级电网；中间层是综合发电、交流输电、配电和用电的区域智能电网；最后是通过直流输电纳入的各分散性电厂、微电网、孤岛电网等。其架构简图如图2所示。

高压直流输电的技术特点符合电网的发展需求，可在未来智能电网远距离大容量的电力输送、新能源并网、区域电网的不同频率或不同步互联、各种特殊环境电力输送(跨海电力输送、孤岛电力输送等) 等方面发挥重要作用，是建设智能超级电网必不可少的有力手段。

超级电网

区域智能

电网

或微电网图2 未来电网架构简图

Fig. 2 Sketch of future grid architecture

3 智能电网和高压直流输电的建设

未来电网是纳入各种新能源发电的先进智能电网，超级电网和智能电网是两种不同的概念，智能电网不一定是超级电网，但未来的超级电网必定是智能电网，并可能成为未来智能电网的一大发展趋势。目前欧美已着手进行规划建设，并有望在欧美等大型经济体首先形成，从而具有规模效应。同时也可以看到，超级电网的建设是一个庞大、复杂的系统工程，尚还存在技术上的一些难点，也不可能因此超级电网也将由通常电网五年、一蹴而就[34-35]。

十年规划的变为二十年、五十年规划，并分阶段进行。纵观电网建设，大致有以下几个发展阶段：

第一阶段 常规发电和区域电网建设。社会技术经济的发展，常规发电厂和发电容量增加，交流区域电网趋于完善。

第二阶段 大型水力发电厂和高压直流输电。电力需求进一步增加，促进了大型电厂尤其是大型水力发电厂的建设。其大容量发电规模已不是本区域电网所能消纳，从而催生了高压直流输电的建设，把电力输送到远方区域电网。

第三阶段 新能源发电厂和智能电网建设。电力能源需求增加，常规发电量有限，再加上环境保

，可

以初步构想未来超级智能电网架构主要由三个层

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护的需要，大大促进了新能源发电厂的建设。同时电力资源的高效利用和优化配置变得愈发重要，促进了智能电网的建设和区域电网互联。

第四阶段 大型新能源发电基地和直流输电建设。随着技术的发展，束缚新能源应用的技术瓶颈得以解决，经济性显著增加，促进了新能源的大范围应用，大型新能源发电基地建设得以完成、新能源发电比重大大增加，并网技术和新能源电力的远距离输送促进了直流输电工程的建设。

第五阶段 超级电网建设。随着各种大规模新能源发电基地和大容量传输的骨干网架进一步建设完成，某些大型电网可能首先形成超级电网。超级电网将进一步促进电力资源的优化配置和高效利用。

上述电网发展各阶段并没有严格的界限区分，具体情况还视各地区电力资源的特点而定。在第二、三、四、五阶段，直流输电都可发挥重要作用。目前社会经济的发展和能源大环境的变化正在促使电网从发电、输电到用电发生巨大变革。未来超级智能电网的建设是一个相对较长的过程，并可能进一步打破国家的界限。直流输电在未来智能电网中的应用更为广泛，作用有望进一步加强，并可能在某些地区首先形成直流电网，如欧洲超级电网的直流输电互联等。这一发展趋势已引起国内外相关专家的注意，并开始着手进行研究

[36]

地和高压直流输电建设、超级电网建设五大阶段。

4）由于高压直流输电独特的技术特点，在新能源并网、区域电网互联、大容量远距离输电、跨海电力输送和孤岛供电等方面有着显著优势。

5）高压直流输电符合未来电网发展的需要，将在未来电网的建设中发挥重要作用，是超级电网建设必不可少的重要手段，并有可能在局部地区首先形成直流电网。

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。研究结果表

明，直流电网的建设是可行的，而若干关键技术如直流断路器、直流变压器、电缆等有望在5~10年内得到突破。

4 结论

以上对欧盟、美国、中国电网和直流输电发展情况进行了介绍，分析了未来智能电网的发展趋势，得出如下结论：

1）为了解决能源危机，减少温室气体排放，

保护环境，绿色新能源技术将得到迅速发展，并进一步影响电网的发展方向，未来电网尤其是大型经济体电网将向着超级电网的方向发展。

2）未来超级电网具有电源方式的多样化、电源分布的分散化、电力系统的统一化和智能化四大特征。

3）大型电网的发展大致经历常规发电和区域电网建设、大型水力发电和高压直流输电建设、新能源发电和智能统一电网建设、大型新能源发电基

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曹均正(1960)，男，博士，教高，研究方向为高压直流输电技术，[email protected]；

郭焕(1971)，男，博士，工程师，研究方向为电力电子技术、高压直流输电技术，[email protected]；

魏晓光(1976)，男，博士，高工，研究方向为电力电子技术、高压直流输电技术，[email protected]；

查鲲鹏(1977)，男，博士，高工，研究方向为电力电子技术、高压直流输电技术，[email protected]。

(责任编辑 杨立涛)