在新能源發(fā)電機組大量并網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的新形勢下，我國特高壓電網(wǎng)規(guī)劃工作面臨下列新問題：①電源結(jié)構(gòu)變化對傳統(tǒng)特高壓電網(wǎng)的輸電能力有什么影響?②未來我國電力系統(tǒng)需要什么樣的特高壓電網(wǎng)?③什么條件下新一代特高壓電網(wǎng)才可以全面取代傳統(tǒng)特高壓電網(wǎng)?④新一代特高壓電網(wǎng)可能遇到的關(guān)鍵安全問題是什么?

在上述背景下，本文結(jié)合我國的能源資源和用電負荷的分布情況、能源傳輸?shù)男枨蠹按嬖诘膯栴}、電源結(jié)構(gòu)變化、電網(wǎng)安全性以及改善環(huán)境的需求等影響因素，對上述問題進行討論。

一、電源結(jié)構(gòu)變化對傳統(tǒng)特高壓電網(wǎng)的輸電能力有什么影響?

在輸電通道中間落點及受電端，傳統(tǒng)特高壓交流電網(wǎng)需要穩(wěn)定可靠的電壓支撐，以保證在重載輸電狀態(tài)下遭受故障擾動時，能滿足電力送受兩端發(fā)電機組相對角暫態(tài)穩(wěn)定的約束，并且確保在其后的中長過程中，避免受端系統(tǒng)的電壓失去穩(wěn)定。

傳統(tǒng)的直流輸電系統(tǒng)也要求所連接的交流電網(wǎng)能為其提供穩(wěn)定可靠的交流電壓支撐，否則不能穩(wěn)定運行。當(dāng)傳統(tǒng)的直流輸電系統(tǒng)接入弱交流系統(tǒng)時，容易出現(xiàn)以下問題：高動態(tài)過電壓、電壓不穩(wěn)定、諧波諧振和諧波不穩(wěn)定、故障恢復(fù)的暫態(tài)過程不穩(wěn)、逆變器換相失敗等。

在傳統(tǒng)特高壓直流輸電系統(tǒng)的受端電網(wǎng)，由于通常小規(guī)模、分散、間歇性工作的風(fēng)電和光伏電源不能為直流逆變站提供穩(wěn)定可靠的電壓支撐，因此需要配置一定數(shù)量可提供穩(wěn)定可靠電壓支撐的火電、核電機組或大容量調(diào)相機。

未來在可再生能源發(fā)電出力占比很高的情況下，由于電源出力的間歇性和波動性，電網(wǎng)容易出現(xiàn)因電力盈虧波動過大所導(dǎo)致的頻率、電壓不穩(wěn)定問題。尤其當(dāng)部分常規(guī)發(fā)電機組計劃及強迫停運后，電網(wǎng)的頻率、電壓的穩(wěn)定性會進一步降低，在電網(wǎng)短路故障的沖擊下，伴隨著電壓的不穩(wěn)定也很容易出現(xiàn)功角失穩(wěn)問題。因上述情況下下級電網(wǎng)過于脆弱，傳統(tǒng)特高壓電網(wǎng)的輸電能力容易出現(xiàn)嚴(yán)重下降的情況。目前針對上述問題的一般對策有：在電網(wǎng)中配置動態(tài)無功補償裝置、提高新能源機組低壓穿越能力、風(fēng)電機組配置能夠響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化的輔助控制環(huán)節(jié)、增強電網(wǎng)的儲能/發(fā)電轉(zhuǎn)換能力、直流輸電系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)擾動改變其輸送功率等。此外，實現(xiàn)用電需求自動響應(yīng)網(wǎng)、源側(cè)的狀態(tài)變化，對提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性也有一定的幫助。但由于在受端電網(wǎng)因新能源出力間歇性大幅降低而缺電時，傳統(tǒng)特高壓電網(wǎng)可能同時因電壓支撐被嚴(yán)重削弱而大幅度降低了輸電能力，從而導(dǎo)致受端電網(wǎng)的缺電更趨嚴(yán)重。因此對承擔(dān)遠距離大容量輸電任務(wù)的傳統(tǒng)特高壓電網(wǎng)而言，僅有上述措施是不夠的。除了上述的措施外，在交直流輸電的受端電網(wǎng)以及交流輸電通道落點的中間電網(wǎng)，通常還需保留相當(dāng)數(shù)量可為特高壓電網(wǎng)提供穩(wěn)定可靠的電壓支撐的常規(guī)機組，以確保在需要時特高壓電網(wǎng)有能力將大量的電能向受端電網(wǎng)輸送。

綜上所述，傳統(tǒng)的特高壓交、直流輸電網(wǎng)為了維持其穩(wěn)定可靠的大容量輸電能力，對電源中的常規(guī)電源成分有較強的依賴性。反之，電源中的常規(guī)電源成分在未來相當(dāng)長的時期內(nèi)，在一定程度上依附傳統(tǒng)的特高壓交、直流輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)而存在。上述兩者在一定程度上具有相互依存關(guān)系。

二、未來我國電力系統(tǒng)需要什么樣的特高壓電網(wǎng)?

中國能源資源大部分集中在西北、東北、華北和西南。已建和規(guī)劃建設(shè)的大型電源基地(含風(fēng)、光、水、火電)主要分布在新疆(準(zhǔn)東、準(zhǔn)北、哈密)和內(nèi)蒙古(蒙西、阿拉善、巴彥淖爾、上海廟、烏蘭察布、勝利、錫盟、呼盟、扎魯特、赤峰)，以及陜西、甘肅、青海、寧夏、山西、四川、云南等省區(qū)。上述能源基地到負荷中心區(qū)域的距離在800~3000km之間，需要通過交直流特高壓電網(wǎng)將其電力向京津唐、山東、華中、華東、華南等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)輸送?；谀茉撮_發(fā)和負荷的分布情況，據(jù)國家電網(wǎng)公司能源研究院估計，2030年和2050年我國跨區(qū)電力流規(guī)模將分別達到460GW和680GW以上。

上述情況表明，一方面我國需要以微網(wǎng)為基礎(chǔ)單元建立能源互聯(lián)網(wǎng)，形成源、網(wǎng)、儲、荷協(xié)調(diào)發(fā)展的多能集成互補系統(tǒng)，這一結(jié)構(gòu)形式可促進分布式能源的建設(shè)和商業(yè)運營。另一方面，大型電源基地群遠離大負荷區(qū)域的基本國情決定了我國有大規(guī)模遠距離輸送電能的特殊需求?；谏鲜鰢?，我國能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，在強調(diào)信息互聯(lián)網(wǎng)和配電網(wǎng)層面的多能互補和互動交易的同時，不應(yīng)排斥廣域的能源開發(fā)、能量流通和交易的需求。未來我國能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)在能源廣域互聯(lián)交易和個體分散產(chǎn)銷兩個層面成為堅實可靠的支撐平臺。因此，我們設(shè)想中國能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)為：通過信息互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和能量流通網(wǎng)智能處理技術(shù)，在廣域互聯(lián)交易和個體分散產(chǎn)銷兩個層面，使風(fēng)、光、水、火、油、氣、核、電、熱等能源的采集、轉(zhuǎn)化、傳輸、消納、存儲和釋放過程實現(xiàn)智能化協(xié)調(diào)優(yōu)化管理，并支持雙向互動，滿足用戶安全可靠便捷地進行能量生產(chǎn)、消費、存儲、轉(zhuǎn)換和商業(yè)交易的需求。并預(yù)計2050年前后，我國將逐步實現(xiàn)上述發(fā)展目標(biāo)。

在我國能源互聯(lián)網(wǎng)基本上實現(xiàn)了上述發(fā)展目標(biāo)后，隨著可再生能源和分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，原來的電力用戶也將成為數(shù)量巨大的能源生產(chǎn)者。將來他們的大量涌現(xiàn)是否會導(dǎo)致特高壓輸電網(wǎng)失去存在的必要性?下面針對這一問題進行簡要的分析。

由于我國中、東、南部負荷中心區(qū)域風(fēng)力資源以及可用于建大型風(fēng)電場的土地資源不足，預(yù)計將來在上述地區(qū)數(shù)量巨大的個體電力用戶主要依靠光伏電源補充電力供給，但這種分布式屋頂光伏發(fā)電容量較為有限，2050年在全國范圍也只有2.6億千瓦左右。而且這種電力會隨著日照和天氣變化情況呈現(xiàn)很大的間歇性和波動性，因此在人口密集的區(qū)域，有的時段區(qū)域性的電力缺口估計仍會很大，尤其在夜晚負荷高峰時段以及在持續(xù)陰雨的季節(jié)。上述的電力缺口需要通過廣域能源互聯(lián)網(wǎng)從其它區(qū)域獲取電力來填補。而2050年以前我國已經(jīng)建成遠離負荷中心的大型電源基地和特高壓電網(wǎng)，繼續(xù)用其獲取和傳輸電能，填補缺電區(qū)域的供電缺口，無疑是最為經(jīng)濟合理的選擇。而且，我國跨區(qū)域的特高壓互聯(lián)電網(wǎng)不僅僅是能源單向傳輸?shù)耐ǖ?，同時還是實現(xiàn)廣域范圍間歇性電源出力過程總體平緩化的必要途徑。再者，通過特高壓電網(wǎng)輸送電力，可將邊遠地區(qū)大型電源基地生產(chǎn)的過剩電能在用電區(qū)域儲存起來用作備用電源。這樣既可減少棄水、棄風(fēng)、棄光電能，又可提高受端系統(tǒng)供電的可靠性，解決這些區(qū)域能源不足的問題。

綜上所述，預(yù)計將來至少在相當(dāng)長的過渡時期內(nèi)，中國不僅需要區(qū)域內(nèi)的能源互聯(lián)網(wǎng)，而且需要跨區(qū)域的能源互聯(lián)網(wǎng)。2050年前后，特高壓電網(wǎng)仍將為我國廣域大規(guī)模能源資源集中開發(fā)利用、為滿足負荷中心區(qū)域用電需求以及為國際間的電能交易提供服務(wù)，發(fā)揮不可或缺的重要作用。只不過遠景隨著部分大型煤電基地年發(fā)電量的減少，特高壓電網(wǎng)年輸電量可能會相應(yīng)地減少，在未來能源互聯(lián)網(wǎng)中的功能和地位會有所下降而已。

三、什么條件下新一代特高壓電網(wǎng)才可以全面取代傳統(tǒng)特高壓電網(wǎng)?

當(dāng)電力系統(tǒng)中常規(guī)發(fā)電機組大量裁減，傳統(tǒng)特高壓交直流輸電網(wǎng)大規(guī)模遠距離穩(wěn)定輸送電力的功能將嚴(yán)重削弱。雖然針對這一問題可考慮為傳統(tǒng)特高壓電網(wǎng)部分節(jié)點配置同步調(diào)相機或靜止同步補償器等，但由于受特高壓變壓器第三卷容量的限制，當(dāng)特高壓輸電受端下接的電網(wǎng)間歇性地出現(xiàn)嚴(yán)重缺電并且電壓低落時，這一措施也不能為特高壓電網(wǎng)及下接的電網(wǎng)提供足夠的電壓支撐。因此，當(dāng)傳統(tǒng)特高壓電網(wǎng)的基本功能隨著未來電力系統(tǒng)中可再生能源比例的增大而被嚴(yán)重削弱時，特高壓電網(wǎng)將需要更新?lián)Q代。

從電源規(guī)劃數(shù)據(jù)看，2030年前后，中國仍有大量的火電機組可為傳統(tǒng)的特高壓電網(wǎng)提供可靠的電壓支撐，因此傳統(tǒng)的特高壓電網(wǎng)仍可作為中國西南、西北和北部大規(guī)模電源基地電力外送的承載體。在此背景下，屆時顯然不宜付出昂貴的代價采用安全防御技術(shù)尚不成熟的特高壓直流電網(wǎng)去取代剛建成不久正在正常發(fā)揮作用的傳統(tǒng)特高壓電網(wǎng)。

有學(xué)者認為，我國用能結(jié)構(gòu)、供能結(jié)構(gòu)的形成有其深刻的歷史原因和資源賦存特征，若在短短三十幾年內(nèi)讓化石燃料發(fā)電設(shè)施退出，并大規(guī)模使用可再生能源，中國將付出過高的成本。例如電力發(fā)展促進會專職顧問姜紹俊認為，2050年我國可再生能源發(fā)電量占80%以上的愿望不切實際。比較可行的目標(biāo)是屆時可再生能源成為中國能源的支柱之一，化石能源發(fā)電量比重降至35%～40%，核電、水電及非水可再生能源發(fā)電量占到一半以上。

即使按設(shè)想的間歇性電源高比例情景，2050年全國總裝機容量預(yù)計可達到71億千瓦，可再生能源發(fā)電比重雖從參考情景的46%上升到85%以上，但也仍有煤電8.8億千瓦、天然氣發(fā)電2.2億千瓦以及核電1億千瓦。

在上述兩種可能出現(xiàn)的場景下，2050年我國仍有足夠的數(shù)量的常規(guī)火機組可為我國傳統(tǒng)的特高壓電網(wǎng)提供電壓支撐，那時我國傳統(tǒng)特高壓電網(wǎng)仍可正常運行。因此，預(yù)計我國傳統(tǒng)特高壓電網(wǎng)在2050年之后才需要隨著常規(guī)火電機組的大量退役而逐步更新?lián)Q代。

四、新一代特高壓電網(wǎng)可能遇到的關(guān)鍵安全問題是什么?

未來新一代特高壓電網(wǎng)的輸電能力應(yīng)能擺脫對傳統(tǒng)常規(guī)火電機組的依賴，具備可在間歇性可再生能源占比很高的條件下在廣域范圍大容量多點采集、穩(wěn)定輸送和分配電力的功能。

隨著以絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistors，IGBT)為代表的全控型功率半導(dǎo)體器件的技術(shù)進步，基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)日趨成熟。新型的特高壓電網(wǎng)可采用基于電壓源換流器的高壓直流(voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC)輸電技術(shù)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示?；赩SC-HVDC構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)通常稱為柔性直流輸電網(wǎng)。這種電網(wǎng)可向無源的受電系統(tǒng)穩(wěn)定輸電，擺脫了對傳統(tǒng)常規(guī)發(fā)電機組的依賴。因此，從發(fā)展趨勢看，將來特高壓柔性直流電網(wǎng)很有可能取代傳統(tǒng)的特高壓電網(wǎng)而成為新一代特高壓電網(wǎng)，其發(fā)展進程與我國新能源機組比例的提高存在相互促進的關(guān)系。

圖1 VSC-UHVDC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

圖1所示的特高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)在直流母線上將多回特高壓直流輸電線連結(jié)，形成了“一點對多點”和“多點對一點”的網(wǎng)絡(luò)形式。為了避免母線短路時需切除的線路過多，網(wǎng)絡(luò)中由母線和斷路器構(gòu)成的主接線的實際結(jié)構(gòu)比圖1所示的結(jié)構(gòu)要更復(fù)雜一些，所需斷路器的數(shù)量也更多一些。高壓直流斷路器造價很高，單臺額定電壓和電流為320kV/2kA的混合式高壓直流斷路器的造價高達1~2億元。當(dāng)電壓和容量進一步大幅提升，混合式特高壓直流斷路器中需要串并聯(lián)的電子元器件需要大量增加，其造價也隨之大幅增加。因此，特高壓直流網(wǎng)絡(luò)的投資成本將是非常高的。

如果采用特高壓直流電網(wǎng)作為跨區(qū)域能源互聯(lián)電網(wǎng)的主網(wǎng)架，還應(yīng)當(dāng)考慮如下所述的抵御嚴(yán)重故障的系統(tǒng)安全性問題。當(dāng)我國中部、東部和南部的火電機組逐步退出歷史舞臺，而在我國西南、西北和北部大規(guī)模電源基地仍在使用的時期，特高壓輸電系統(tǒng)的崩潰，難免導(dǎo)致大規(guī)模停電。因此，在我國中、東、南部能源互聯(lián)網(wǎng)事故備用電源配置不足的條件下，要將特高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)用作為國家電網(wǎng)的主網(wǎng)架，用以替換傳統(tǒng)的特高壓電網(wǎng)，對其安全性就必須提出比地區(qū)性直流輸供電網(wǎng)絡(luò)更高的要求。以下對特高壓直流輸電系統(tǒng)所面臨的嚴(yán)峻的涉及系統(tǒng)安全性技術(shù)難題進行簡要分析。

在設(shè)備安全方面，由于上述基于電壓源換流器的特高壓直流輸電的元器件故障承受能力差，當(dāng)直流系統(tǒng)電壓持續(xù)跌落至額定電壓的80%以下時，VSC-HVDC將不能正常工作。因此為保證直流電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，需配置具有很高的故障響應(yīng)特性的健全可靠的保護系統(tǒng)。而在系統(tǒng)安全方面，大規(guī)模直流網(wǎng)絡(luò)中的斷路器如果無法快速切除故障線路，則會波及到與之相連的其它換流器、線路和網(wǎng)絡(luò)，釀成大范圍停電。

雖然可以考慮在安全性要求較低的部分區(qū)域先建立特高壓柔性直流輸電網(wǎng)絡(luò)，但要將特高壓柔性直流輸電網(wǎng)絡(luò)全面取代傳統(tǒng)特高壓電網(wǎng)，則須滿足如下技術(shù)要求：①要求特高壓直流網(wǎng)絡(luò)任意點發(fā)生短路故障時，能通過跳開相關(guān)的特高壓直流斷路器將故障點及時隔離。②要求在特高壓直流斷路器發(fā)生拒動或斷流不成功時，也能夠確保特高壓直流電網(wǎng)中各換流站元器件的安全，并避免因連鎖反應(yīng)而導(dǎo)致全系統(tǒng)崩潰。

上述第②點要求由本文提出，目前尚沒有解決此問題的可行的技術(shù)方案。在特高壓交流電網(wǎng)中，三相斷路器同時拒動的概率可以忽略不計，而單相開關(guān)拒動對系統(tǒng)沖擊較小，一般通過失靈保護跳開其它相關(guān)斷路器隔離故障點和采取切機等措施，就可維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。但大規(guī)模特高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生短路時，直流單個斷路器拒動對系統(tǒng)的危害估計將不亞于交流三相斷路器同時拒動。因為這種情況下如果還依靠失靈保護動作跳開相關(guān)斷路器去隔離故障，就會因電流持續(xù)過大而毀壞換流元器件。特高壓直流網(wǎng)絡(luò)中單個斷路器拒動或開斷短路電流失敗的故障，很可能導(dǎo)致多個換流站母線電壓持續(xù)過低，所引發(fā)的連鎖反應(yīng)可能會導(dǎo)致整個電網(wǎng)崩潰。發(fā)生上述故障時，為保護電子元器件采取將各換流站換流閥緊急關(guān)斷的措施，也可能直接導(dǎo)致全系統(tǒng)崩潰。

發(fā)生上述故障的概率是不可忽略不計的，因為在適用于特高壓直流電網(wǎng)的混合式直流斷路器中，需要串聯(lián)多個如圖2所示的開斷模塊，而每個開斷模塊中又含有多個串聯(lián)的分元件，若其中的某一分元件出故障，均有可能導(dǎo)致在開斷直流網(wǎng)絡(luò)短路電流的過程中，出現(xiàn)電子元器件因局部過電壓被擊穿的問題。譬如，如果圖2所示的載流轉(zhuǎn)移支路中的某一分元件因故障不能正常導(dǎo)通分流，則負荷轉(zhuǎn)移開關(guān)很可能被自身關(guān)斷過程中出現(xiàn)的截流過電壓擊穿，從而導(dǎo)致高速隔離開關(guān)也不能正常打開;即使上述過程沒出問題，載流成功轉(zhuǎn)移到圖2所示的主開斷支路后，如果主開斷支路在其斷流過程中部分元件出故障未同時關(guān)斷，也可能導(dǎo)致其余的分元件在其關(guān)斷過程中因分擔(dān)過高的截流過電壓而被擊穿。此外，高速隔離開關(guān)還可能因機械故障而不能打開，從而導(dǎo)致直流斷路器不能成功斷流。綜上所述，特高壓直流斷路器拒動或開斷直流電網(wǎng)短路電流不成功事件的概率，不像交流三相斷路器同時拒動事件的概率那樣可以忽略不計。

圖2 混合式高壓直流斷路器模塊示意圖

從上述情況看，大規(guī)模特高壓直流電網(wǎng)在安全性方面所面臨的關(guān)鍵問題將比傳統(tǒng)特高壓電網(wǎng)安全性所面臨的問題更難解決。其關(guān)鍵安全問題是基于電壓源換流器的特高壓直流輸電系統(tǒng)的元器件承受電網(wǎng)短路、斷路器拒動復(fù)合故障沖擊的能力差，此類復(fù)故障容易引發(fā)連鎖故障從而導(dǎo)致特高壓電網(wǎng)崩潰。

綜上所述，雖然從遠景看，隨著電源組成的改變，將來有采用特高壓柔性直流電網(wǎng)全面取代傳統(tǒng)特高壓電網(wǎng)的需求，但這是否是可行的或最優(yōu)的方案，尚難預(yù)判。如果將來傳統(tǒng)特高壓交直流電網(wǎng)不能被特高壓柔性直流電網(wǎng)順利取代，我國煤電機組退出歷史舞臺的進程就可能需要減緩。

五、結(jié)論

1)傳統(tǒng)特高壓電網(wǎng)的輸電能力與系統(tǒng)的電源組成密切相關(guān)，若得不到傳統(tǒng)電源穩(wěn)定可靠的電壓支撐，傳統(tǒng)特高壓電網(wǎng)大規(guī)模遠距離穩(wěn)定輸送電力的能力將嚴(yán)重降低。在上述場景下，特高壓電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)需要相應(yīng)地改變。

2)2030至2050年，傳統(tǒng)特高壓交直流輸電網(wǎng)仍可適應(yīng)中國電源組成的變化，在此期間在火電機組提供的穩(wěn)定可靠的電壓支撐下，傳統(tǒng)特高壓電網(wǎng)仍具備大規(guī)模遠距離穩(wěn)定輸送電力的功能。但部分傳統(tǒng)的特高壓直流輸電的逆變器可能需要改造成電壓源型柔性直流逆變結(jié)構(gòu)。

3)2050年以后，雖然可能存在采用特高壓柔性直流電網(wǎng)全面取代傳統(tǒng)特高壓交流電網(wǎng)的需求，但這是否是可行的或最優(yōu)的方案，目前尚難預(yù)判。不過，在部分安全性要求較低的區(qū)域，2050年前后是否可建立區(qū)域性的特高壓柔性直流電網(wǎng)，是值得進一步探討的。

4)特高壓柔性直流電網(wǎng)需配置完善可靠的安全措施后，才能全面取代傳統(tǒng)的特高壓交直流電網(wǎng)。若沒有完善可靠的應(yīng)對特高壓直流斷路器拒動故障的安全措施，則應(yīng)在多數(shù)電力用戶已具備足夠的能力應(yīng)對特高壓柔性直流電網(wǎng)緊急停運后，特高壓柔性直流電網(wǎng)才能全面取代傳統(tǒng)的特高壓交直流電網(wǎng)。

5)在新一代特高壓直流電網(wǎng)全面取代傳統(tǒng)特高壓交直流電網(wǎng)之前，中國仍需要適當(dāng)保留一定容量的傳統(tǒng)火電機組。