有關(guān)房主和商家紛紛脫離電網(wǎng)轉(zhuǎn)而自己發(fā)電、儲電的報道比比皆是。在電費極高或服務(wù)不均衡的地區(qū)，放棄使用電網(wǎng)可以理解，但是對于其他地區(qū)，反其道而行之反而更為明智：將區(qū)域電網(wǎng)互連，形成覆蓋全球的超級電網(wǎng)?！窕谀壳半娋W(wǎng)遭受的若干壓力，這個想法頗具吸引力：在快速發(fā)展的大城市，能源需求猛增;無碳間歇性風能和太陽能發(fā)電逐步普及和發(fā)展;確保電網(wǎng)免受電子和物理攻擊的需求大大提高。電網(wǎng)規(guī)模越小、越孤立，維持電力供需之間的瞬時平衡就越困難。

目前，能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離大規(guī)模電力輸送且無顯著損耗的技術(shù)已經(jīng)存在，因此運營商們完全可以在整個大洲甚至是全球平衡電力供需。如果某個國家發(fā)生停電，線路電壓和頻率的突變將會開啟數(shù)千里之外的發(fā)電機來彌補電力的不足;如果主要依靠風電的地區(qū)風力衰退，鄰近地區(qū)可以迅速助以一臂之力;如果某個地區(qū)發(fā)生強降雨，水電站大壩可留存能量，在需要時輸送到其他地區(qū)。有了超級電網(wǎng)，就可確保所有或幾乎所有電力都能物盡其用，有效避免一些導(dǎo)致浪費的做法，例如付錢給風力發(fā)電廠，讓其減少發(fā)電量，甚至釋放多余電量。(當然，存儲多余能量也有助于避免出現(xiàn)這樣的問題，但大規(guī)模經(jīng)濟型儲能尚未普及。)

本文轉(zhuǎn)載自：悅智網(wǎng)，作者：Clark W. Gellings。

一般來說，有了全球超級電網(wǎng)，發(fā)電站就可以遠離居民區(qū)。例如，澳大利亞達爾文市南部的開闊區(qū)域人煙稀少，且是世界上陽光最充沛的地區(qū)之一。據(jù)估計，在那里建造一個養(yǎng)殖場大小的太陽能電站就可滿足整個國家的電力需求。通過連接東南亞的海底電纜，電力還可以被送往印尼、巴布亞新幾內(nèi)亞、新加坡等國。有了超級電網(wǎng)，運營商還能大幅縮減其空轉(zhuǎn)備用(需求提升時可以利用的備用容量，但實際中很少使用)。

那么建設(shè)全球超級電網(wǎng)需要開展哪些工作呢?在技術(shù)層面，這取決于覆蓋全球的高壓直流(HVDC)輸電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，其中大部分組件已經(jīng)存在。此外，區(qū)域電網(wǎng)運營商們需要就這類網(wǎng)絡(luò)的付費方式達成一致，制定交易規(guī)則，規(guī)定技術(shù)規(guī)范和標準，確保超級電網(wǎng)安全、可靠、平穩(wěn)地運行。

全球超級電網(wǎng)的淵源可以追溯到電力行業(yè)剛起步的階段，當時兩位天才發(fā)明家——托馬斯•愛迪生和尼古拉•特斯拉——展開了一場“電流大戰(zhàn)”。1882年愛迪生展示了第一個商用直流電站。但之后，特斯拉發(fā)明的交流電一統(tǒng)天下。

1895年，特斯拉實現(xiàn)了利用尼亞加拉大瀑布發(fā)電的夢想，在隨后的幾年內(nèi)，產(chǎn)生的電力向700公里外的紐約市供電，證實了交流系統(tǒng)的優(yōu)越性。進入20世紀后，世界上的動力系統(tǒng)都開始使用交流電。

交流電戰(zhàn)勝直流電的關(guān)鍵是其能夠利用磁感應(yīng)增大電壓，從而以較低的電流實現(xiàn)遠距離電力輸送，最大限度地減少電阻造成的損耗;到達目的地后再降壓進行本地配電。在當時，直流電無法實現(xiàn)這一點。但電力工程師也認識到，在執(zhí)行相同的電力輸送任務(wù)時，在較高電壓下工作的直流系統(tǒng)將優(yōu)于交流系統(tǒng)，因為直流傳輸中的電力損耗遠遠低于交流系統(tǒng)。

那么低多少呢?如果通過HVDC系統(tǒng)傳輸給定電量，若將電壓加倍，那么需要的電流僅為相應(yīng)交流系統(tǒng)的一半，可將線路損耗減少四分之三。所需的導(dǎo)線也將大幅減少，因為直流電流可滲透電力線的整個導(dǎo)體，而交流電流大多集中在導(dǎo)線表面。換句話說，對于相同的導(dǎo)線截面，交流電遇到的有效電阻較大，以熱量形式損失的電量更多。那么這就意味著交流輸電所需的基礎(chǔ)設(shè)施遠遠超過直流電。例如，利用765千伏交流系統(tǒng)傳輸6000兆瓦電功率，需要3條單回路輸電線路穿過180米寬的線路走廊;而800千伏直流系統(tǒng)的線路走廊寬度只需80米。

通過HVDC，不同頻率的電網(wǎng)之間可以輕松進行電力傳輸。HVDC換流器、電纜、斷路器和其他組件比交流電相關(guān)組件貴，因此對500公里或更遠的距離使用HVDC才具有經(jīng)濟意義。但隨著直流組件成本的下降，這一臨界距離也在不斷減小。

認識到這些優(yōu)勢，在整個20世紀，電力工程師的焦點一直放在直流輸電技術(shù)上。長久以來，HVDC的關(guān)鍵點是安裝在HVDC線路任意一端的換流器。換流器用于將高壓交流電轉(zhuǎn)換為高壓直流電，或者將直流電轉(zhuǎn)回交流電。在20世紀60年代，人們主要利用汞弧閥換流。汞弧閥實際是只能開不能關(guān)的電子開關(guān)，功能有限，并會造成電力的大量損耗。

20世紀70年代，直流技術(shù)得到進一步發(fā)展。人們開發(fā)出水冷晶閘管，一種巨大的可以開關(guān)的固態(tài)開關(guān)。1978年，這一開關(guān)首次被用于納爾遜河的HVDC輸電系統(tǒng)中，這一輸電系統(tǒng)將電力從加拿大馬尼托巴省北部的水力發(fā)電站傳輸至人口稠密的南部地區(qū)。

自那以后，HVDC雖然在北美應(yīng)用較少，但已開始在世界其他地區(qū)(主要是巴西、中國、印度和西歐)出現(xiàn)。從20世紀90年代末開始，HVDC的配置依賴于絕緣柵雙極晶體管(IGBT)——一種每個周期可多次開關(guān)的專用晶體管。最新IGBT的開關(guān)速度不到十億分之一秒。

現(xiàn)在的HVDC換流器稱為電壓源換流器(VSC)。雖然較高電壓、較大容量的電力傳輸仍使用傳統(tǒng)的換流器，但VSC有助于將HVDC線路整合到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中。1997年3月，在瑞典赫爾斯楊和格蘭斯堡之間，基于VSC的3兆瓦/10千伏的HVDC系統(tǒng)成功運行。5年后，在紐約與康涅狄格之間長島海灣的跨海輸電工程中，VSC首次得以大規(guī)模部署。該項目功率較高，為330兆瓦，但換流損耗也很高，為2.5%。利用最新的VSC，這種損耗已經(jīng)降到1%。

此外, 沿一條HVDC輸電線路建立多個換流站的設(shè)想已經(jīng)成為可能。工程師們可以在中間點而不是只能在一端接入線路。超越點到點限制的HVDC輸電系統(tǒng)可將輸電線路連接成網(wǎng)，雖然結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，但更穩(wěn)健。

全球超級電網(wǎng)還需要哪些技術(shù)?當務(wù)之急就是開發(fā)出可應(yīng)對60千安以上的短路電流并能在幾毫秒內(nèi)對檢測到的故障作出反應(yīng)的大容量快速斷路器。幾年前，瑞士ABB公司宣布混合動力機電斷路器已取得一定進展。2015年早些時候，西門子公司宣布已在中國溪洛渡-金華(四川-浙江)HVDC輸電系統(tǒng)上成功測試5千安斷路器。阿爾斯通公司亦公布了這個范圍內(nèi)的斷路器原型。但要降低這些設(shè)備的成本和尺寸并提高其性能，還需要開展大量的工作。

從長遠來看，由高溫超導(dǎo)材料代替銅或鋁制成的電纜可大大加快全球超級電網(wǎng)的部署。因為這些材料可傳輸大量電流，且基本無能量損失。盡管需要冷卻至液氮溫度(低于77開爾文)，但制冷和由其他因素造成的損耗卻不到傳統(tǒng)交流和直流高架輸電線消耗量的一半。超導(dǎo)直流電纜所需的線路走廊也比傳統(tǒng)電纜HVDC窄。若干項目已經(jīng)證明了超導(dǎo)電纜在短距離上的優(yōu)勢，如最近韓國濟州島部署的500米/80千伏直流線路。但目前其成本仍遠遠高于傳統(tǒng)電纜。

另一個前景看好的領(lǐng)域是利用硅以外的材料制造先進的電力電子系統(tǒng)。硅元素儲量豐富、成本低、加工簡單，可在室溫下操作，所以是電力和其他半導(dǎo)體器件的首選材料，但研究表明，碳化硅和氮化鎵等新材料也有望用于制作HVDC網(wǎng)絡(luò)所需的功率開關(guān)。與標準硅器件相比，這些寬帶隙半導(dǎo)體可在較高溫度下運行，可以以較低的電阻承受較高的電壓或電流。如果能實現(xiàn)商業(yè)化，那么寬帶隙裝置將既有助于降低成本，又可加強HVDC換流器的功能。

那么建設(shè)全球超級電網(wǎng)應(yīng)從哪里著手呢?第一個選擇就是中國，它是目前世界上電網(wǎng)技術(shù)(特別是HVDC技術(shù))開發(fā)和部署的先鋒。中國已開始開發(fā)利用北部巨大的太陽能和風能資源以及南部大量的水電儲能。為了將約1300千兆瓦電量輸送到東部和南部的人口和工業(yè)中心，中國已經(jīng)建成了世界上最大的高壓交流和直流輸電網(wǎng)，并計劃在未來5年內(nèi)再建成13到20條特高壓直流輸電線路(800至1100千伏)。為此中國投入了巨資：2014年在這類項目上投入了650億美元，預(yù)計至少在未來5年內(nèi)，此類項目的投入還將維持在這一水平。據(jù)國際能源機構(gòu)估計，到2040年中國還需投入4萬億美元以上的資金，才能將輸電配電模式改造完成。中國電力科學研究院可再生能源和智能電網(wǎng)技術(shù)副院長姚良忠稱，他的研究小組還在研究將中國與歐洲、中東及北非相連接的洲際輸電網(wǎng)的可行性。

另一個可選的地點是歐洲。自2008年以來歐盟委員會一直在呼吁建設(shè)泛歐超級電網(wǎng)。泛歐超級電網(wǎng)的規(guī)劃由代表34個歐洲國家41家輸電系統(tǒng)運營商的歐洲電網(wǎng)運營商聯(lián)盟(ENTSO-E)牽頭。

泛歐超級電網(wǎng)的總體規(guī)劃是建立HVDC電網(wǎng)，將這些歐洲國家與周邊地區(qū)連接起來，包括哈薩克斯坦、北非和土耳其。德國卡塞爾大學的格雷戈爾•澤什(Gregor Czish)進行的一項研究表明，有了這樣的電網(wǎng)，風電可以在很大程度上滿足歐洲的能源需求，只需少量的生物質(zhì)能發(fā)電作為補充。一個名為超級電網(wǎng)聯(lián)盟的行業(yè)組織一直在呼吁發(fā)展相關(guān)的技術(shù)、推進管理和融資，從而推動這一宏偉計劃的實現(xiàn)。

到目前為止，歐洲一些主要的HVDC互連工程業(yè)已完成或取得重要的階段性勝利，其中一項是連接德國能源豐富的北部與能源匱乏的南部地區(qū)的百億歐元項目，還有兩個是連接德國與挪威以及挪威與丹麥的項目，此外法國與西班牙之間的HVDC電網(wǎng)也剛剛建成。

當然，全球超級電網(wǎng)還需要建設(shè)更多的基礎(chǔ)設(shè)施：根據(jù)規(guī)劃的項目和部分地區(qū)的冗余假設(shè)，我估計還需要約10萬公里HVDC輸電線路和115個換流站。其中一些換流站是“超級換流站”，就像新墨西哥Tres Amigas項目開發(fā)商所設(shè)想的那種。Tres Amigas項目計劃連接北美3個主要電網(wǎng)(西部、東部和德州電網(wǎng))，并提供能量儲存。要將大型的區(qū)域電網(wǎng)連接起來，全球電網(wǎng)需要類似的設(shè)施。(見“邁向全球超級電網(wǎng)的工程項目”中列出的亞洲、歐洲和世界其他地區(qū)擬建設(shè)的超級電網(wǎng)項目。)

迄今為止，全球超級電網(wǎng)所面臨的最大難題是費用如何結(jié)算。很難為如此龐大和復(fù)雜的項目確定一個固定的數(shù)字，但支持者指出，這種電網(wǎng)將物超所值。斯派羅斯•察澤瓦斯雷迪斯(SpyrosChatzivasileiadis)、達米安•厄恩斯特(Damien Ernst)和格蘭•安德森(Göran Andersson)在2013年《可再生能源》雜志上發(fā)表的一篇論文中分析了以往有關(guān)超級電網(wǎng)的研究以及已完成的相關(guān)項目，并且估算出建設(shè)5500公里長(約為連接紐約市與葡萄牙波爾圖的距離)、800千伏/3千兆瓦的海底HVDC電纜所需的資金投入。(目前，800千伏遠遠超出了現(xiàn)有海底電纜的經(jīng)濟性范圍。)作者的結(jié)論是，僅電纜就需每公里115萬至180萬歐元，每個換流站耗資約3億歐元。假設(shè)熱損耗為3%，使用壽命為40年，研究人員估計，輸電成本為每千瓦時0.0166至0.0251歐元(0.0189美元至0.0286美元);相應(yīng)地，美國居民用戶的成本約為每千瓦時0.011美元，這一數(shù)字包括輸電費用但不包括發(fā)電費用。HVDC超級電網(wǎng)的電價肯定會比今天的價格低得多，因為電力來自價格最低的能源。

規(guī)劃并融資建設(shè)全球超級電網(wǎng)的國家需就可再生能源(亦包括核能)達成國際共識。如果能就溫室氣體排放征稅達成全球協(xié)議，從而為向無碳能源的過渡提供經(jīng)濟上的激勵，可以加速這一共識的形成。全球超級電網(wǎng)第一階段的發(fā)展需要政府的資金支持，而初步設(shè)施到位后，可以通過征收碳排放稅推動私營部門融資。

除融資外，政府和電網(wǎng)運營商還需要就電力自由貿(mào)易規(guī)則達成一致。通過批發(fā)市場進行電力交易(可能分區(qū)進行)有助于實現(xiàn)全球超級電網(wǎng)的高效電力流通。

此外還需要協(xié)同規(guī)劃，將現(xiàn)有電網(wǎng)和規(guī)劃的區(qū)域超級電網(wǎng)連接起來。如前所述，中國和歐洲都在規(guī)劃自己的HVDC網(wǎng)絡(luò)。但在美國，輸電規(guī)劃基本仍屬于各州事務(wù)，部分原因是土地使用和投資者所有的公用事業(yè)都由各州控制和管理。在何處建立超級電網(wǎng)連接點、如何配置HVDC電網(wǎng)、使用多大電壓、是否以及何時使用高架或海底系統(tǒng)等技術(shù)和運籌決策都需要敲定。

最后(但并非最不重要)的一點是，各方需就相關(guān)技術(shù)規(guī)范達成一致，確定每條輸電線路、換流站和發(fā)電機的參數(shù)，以確保全球超級電網(wǎng)安全、可靠、穩(wěn)定地運行。

全球超級電網(wǎng)耗資巨大，需要幾十年的時間才能建成。不過國際運輸和電信部門已有這樣的先例，并且另一個選擇——繼續(xù)依賴礦物燃料的、低效的、分離的電網(wǎng)則成本更高。