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通过可靠的直流输电技术和大资本的运营,电力交易全球化即将实现。——克拉克.盖尔利斯
对于很多供电不稳定的地区,人们使用自有的发电设备、储能设备实现电能的自我供应。由于电能不能短时间大量存储,所以越是规模小的独立电网越难实现瞬时的功率平衡(供电功率与用电功率相等)。因此,对于大多数供电稳定的地区,将所有电力设备连接起来组成超级电网将更有价值。如今,快速增长的城市供电、发展快速的间歇性电源设备(如风能、光伏)和越发受到重视的电网安全,使得区域化的乃至全球化的大电网技术备受关注。
超级电网能够大幅提高电力使用率,有效避免能量浪费或是降额发电。虽然存储多余电能也是一种解决电能浪费的方法,但是大规模经济型电能存储装置的研发仍然看不到曙光。
另外,全球电网能够允许电力生产远离人口聚集的城市。例如,发电量最大的光伏电厂分布在人烟稀少的澳大利亚南部,而根据估算,澳大利亚整个国家的能源需求都可以由这些光伏电厂提供。通过位于东南亚的海底电缆,电力能够被调度至印度尼西亚、新几内亚岛甚至新加坡。超级电网的存在能够显著地减少备用发电容量。
那么如何去创建一个全球化的超级电网呢?技术上而言,本地电力运营商需要通过超高压直流输电(以下简称HVDC)系统连接远方的电力网络(大多数HVDC输电设备已经有成熟的解决方案)。除此之外,区域电力调度商们需要对电力交易规则、网络维护费用等标准达成一致。
目前,交流输电技术获得广泛应用的关键在于电能能够通过变压器转换成更高电压。而高压输电线路意味着更小的电流,损耗也会随之减少。在电能接收端,也可以使用变压器降压,降压后再给当地供电。但对于HVDC输电来说,电压的变化就比较麻烦,基于电力电子技术的高压大容量直流变压器目前正在研发中,关键技术上并不存在任何的困难。电力工程师们大多认为HVDC技术更有前景,因为在相同电力传送容量情况下,直流输电的损耗远远小于交流输电系统。
那么HVDC输电到底能够减少多少损耗呢?众所周知,直流电流流过整个输电线路的导体,而交流电流往往从导体表面流过(集肤效应)。换句话说,对于同样的导体面积,交流系统的导体阻值相比于直流更高,更多电能将会以热量形式损耗掉。
另外,直流输电系统的占地面积远小于交流系统。例如,当以765kV交流电压进行6000MW电能传输时,需要三相三条输电线路,也就是说需要开辟大约180m宽的输电线走廊。相比之下,800kV的HVDC输电系统仅仅需要80m宽的输电线走廊。
HVDC输电也使得不同频率电网互联成为可能。目前,变流器、线路、直流断路器等HVDC输电设备成本还非常高。所以仅当输电距离超过500km时HVDC输电才具有更佳的经济价值。但未来随着直流设备成本不断下降,HVDC输电的优势必然不断扩大。另外,当前电压源型变换器(VSC)、直流断路器、高温超导体线、电力电子器件的材料工艺等技术的飞速发展也正在有力推动着全球超级电网建设。
下面来看看目前世界上已有的超级电网项目。沙漠太阳能发电项目:2009年由德国财团牵头投资,该项目获取地中海和世界其他沙漠地区的太阳能,并利用HVDC输电的方式将其传送到人口密集地带。
中国特高压电网:利用北方的太阳能和风能及南方的水利资源发电,将电能输送到中国东南沿海城市,2015年中国已经建设了世界上覆盖面最广的特高压交直流输电网络。
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