中、日、韩 跨国联网构建方案及经济性研究

摘要：全球能源互联网是实现世界范围内能源资源优化配置的关键路径，亚洲电网互联是全球能源互联网的重要组成部分。在分析东北亚地区中国、韩国、日本三国能源电力现状及发展趋势的基础上，提出了中国—韩国—日本电网跨国互联的设想。基于对不同直流输电方式以及海底电缆技术应用前景的探讨，提出中国—韩国—日本跨国联网构建方案，并论证了方案的技术可行性。最后，从工程投资估算、输电成本以及电价竞争力的角度对所提出的方案开展经济性分析。

关键词 : 跨国联网;柔性直流;海底电缆;联网方案;工程投资估算;输电成本;电价竞争力

国家电网公司科技项目(SGTYHT/16-JS-198)。

0 引言

全球清洁能源资源十分丰富，仅开发万分之五就可满足全球能源需求[1]。然而，全球清洁能源与负荷中心呈现逆向分布，同时由于风电、光伏发电存在随机性、间歇性、波动性，因此只有融入大电网才能实现大发展。这就决定了必须实现能源大范围优化配置，才能促进清洁能源的大规模开发利用。以特高压电网为骨干网架，构建全球能源互联网，可以实现清洁能源在全球范围内的大规模开发、输送和利用。

亚洲能源电力需求增长迅速，东北亚是亚洲经济最发达的区域之一，各国经济发展活跃、经贸关系紧密、能源资源互补性强，同时也面临能源消费总量大、能源转型压力大等问题。其中，中国、日本、韩国是亚洲能源消费大国，2015年，三国能源消费合计约占亚洲能源消费总量的60%，同时化石能源比重很高，分别达到90%、93%和86%[1]。

从电网发展来看，中国电网建设相对成熟、坚强，到2017年底，中国累计建成投运“八交八直”16项特高压输电工程，在大规模清洁能源开发、远距离输电方面有较强的技术基础和丰富的工程经验。日本电网近年来市场改革逐步深化，面临能源转型压力，国内用电需求迫切，对电力供应多样化、提高清洁能源比例的需求不断扩大。韩国国内电力供需矛盾较为缓和，但“北电南送”潮流有待进一步优化。由此看来，在东北亚地区实现中国、韩国、日本三国电网跨国互联，有助于解决各国电网存在的问题，推动各国能源电力转型变革，同时促进东北亚电力合作，加强东北亚电网互联互通基础设施建设。

中国、韩国、日本跨国联网工程涉及国家多，跨海路径长，需考虑三国电力系统规划和运行方面的差异，以及海缆技术应用等难题，存在一定的工程技术难度。本文在对国内外直流输电、海底电缆等技术发展和应用现状分析的基础上，提出跨国联网方案并开展技术可行性研究，对工程投资估算、输电成本以及电价竞争力等指标进行了计算分析，为联网工程的最终构建提供重要的技术参考。

1 关键技术发展及应用现状

1.1 直流输电技术

1.1.1 常规直流技术特点

目前，基于相控型晶闸管(line commutation converter，LCC)的直流输电技术已较为成熟，在国内及世界范围内均有广泛应用，其主要特点包括以下几个方面[2]：

(1)点对点、远距离、大功率的输送模式，无需中间落点，能够将电力直接输送到负荷中心。

(2)对过网潮流的控制较为方便，控制特性较为灵活，可靠性高，可以避免潮流过大对电网造成的负担。

(3)电压等级相对较高，能够输送较大容量电能，对线路走廊的要求并不苛刻，对于大功率、远距离输电具有较好的适应性。

然而，由于常规直流输电采用大功率晶闸管，只能工作在有源逆变状态，不能接入无源系统。对交流系统强度敏感，一旦发生交流系统干扰，容易发生换相失败，并且无功消耗较大，输出电压电流谐波高，需要安装滤波装置。

1.1.2 柔性直流技术特点及工程实例

柔性直流具有常规直流的大多数优点，如不存在交流输电的稳定性问题、可以实现非同步系统互联、有功无功可由控制系统进行控制等。此外，基于IGBT和高频调制技术两大基本特征，不同于常规直流技术，柔性直流输电又具有以下几个方面的技术优势：

(1)无需交流侧提供换相电流，没有无功补偿和换相失败问题，送、受端换流站均可与弱电网或无源电网联系。

(2)能够快速独立控制有功功率和无功功率，实现功率动态连续调节。

(3)潮流反转方便快捷，运行方式变换灵活，具备成网条件。

(4)可以向电网提供必要的电压和频率支持，实现系统黑启动。

(5)输出电压谐波小，设备省、占地少。

柔性直流技术的缺点在于系统损耗大，不能控制直流侧故障时的故障电流，在故障发生后只能通过断开交流侧断路器来切除故障，因此直流断路器的研究对于柔性直流技术的发展至关重要。

近几年来，世界各国开始加大柔性直流输电技术在远距离联网和清洁能源并网输送等方面应用的研发力度，并致力于该技术的实践。2018年欧洲输电系统运营商联盟(ENTSO-E)信息显示，欧洲在未来10年内将建设15条以上的柔性直流工程，用于实现各个国家之间的互联和可再生能源的并网互补[3]。英国、美国也均已规划了多条柔性直流输电工程，在未来20年逐步构建柔性直流电网，以满足其可再生能源发展的需求。

2011年7月，中国投产了亚洲首条柔性直流输电工程—上海南汇柔性直流工程，电压等级±30 kV、容量180 MW，对未来中国发展柔性直流实现海上风电并网具有重要的指导作用。2014年7月，世界上电压等级最高、端数最多、单端容量最大的多端柔性直流输电工程—浙江舟山±200 kV五端柔性直流输电科技示范工程正式投运。2015年12月，福建至厦门±320 kV柔性直流输电科技示范工程投运，输送容量1000 MW，该工程是世界上首个采用双极接线、额定电压和输送容量均达到国际之最的柔性直流输电工程[4]。

1.2 海底电缆技术

1.2.1 主要海缆类型

(1)粘性浸渍纸绝缘电缆(mass impregnated cable，MI)：具有运行可靠性高、接头制造工艺成熟等优点。目前，已有工程应用的最高电压等级为500 kV，最大容量为800 MW，最长路由超过400 km，敷设最深超过1500 m，但该种电缆制造工艺复杂，且传输容量受导体最高运行温度限制(一般不超过55 ℃)。随着绝缘纸制造工艺进步，浸渍纸—聚丙烯复合绝缘纸材料(paper polypropylene laminate paper，PPLP)逐渐用于高电压、大容量直流电缆中，一定程度上弥补了MI电缆的缺陷，提高了导体运行温度，额定电压也有一定提升。目前，PPLP绝缘电缆工程应用的最高电压等级为±600 kV，最高单极传输容量为1100 MW。虽然浸渍纸绝缘电缆在高压直流联网工程中业绩显著，但其产品主要被其他国家企业垄断，中国海缆厂家均无浸渍纸绝缘电缆产品，在设备生产及制造经验方面几乎处于完全空白的状态[5]。高压直流浸渍纸绝缘电缆主要生产厂家产品参数及工程业绩见表1。

(2)交联聚乙烯海缆(cross-linked polyethylene，XLPE)：具有导体运行温度高、输送容量大、加工工艺简单等优点，随着XLPE直流电缆电压等级不断提升，相同电压等级下，XLPE直流电缆成为柔性直流输电技术首选。但由于XLPE绝缘内部空间电荷现象无法实现极性反转，因此目前只能应用于柔性直流输电中。目前工程应用的最高电压等级为±400 kV，用于比利时—英国联网工程，输送容量1000 MW，计划2019年投运。ABB及普睿司曼均已研发出±525 kV XLPE海缆，并通过型式试验，但尚无工程应用。中国XLPE海缆研制虽然起步稍晚，但基于良好的发展基础，目前已具备最高电压等级±320 kV海缆工程经验[6]。高压直流XLPE绝缘电缆主要生产厂家产品参数及工程业绩见表2。

XLPE与MI海缆相关关键技术参数的比较见表3。

表1 高压直流浸渍纸绝缘电缆主要生产厂家产品参数及工程业绩[7-10]

Table 1 The main manufacturer, parameters and achievements of HVDC paper insulated cable

表2 高压直流XLPE绝缘电缆主要生产厂家产品参数及工程业绩[9-13]

Table 2 The main manufacturer, parameters and achievements of HVDC XLPE cable

表3 XLPE与MI海缆技术参数比较[5-13]

Table 3 Parameters comparison between XLPE and MI cable

1.2.2 直流海缆输电工程现状

目前，中国已投运4条柔性直流海底电缆输电工程，分别为上海南汇柔直工程、南澳柔直工程、舟山柔直工程和厦门柔直工程，均采用XLPE直流电缆。其他国家已有超过30个投运及在建的高压直流海底电缆输电工程。其中，欧洲各国由于国土面积普遍较小，工业高度发达，用电负荷密度大，电网结构密集，电网迫切需要实施电能结构的优化配置，以实现电源结构的互补和电量交换。欧洲已成为世界上海底电缆工程建设项目最多、建设规模最大的区域，海缆总长度已超过10183 km，设计交换容量超过22120 MW。其中电压等级最高的工程为苏格兰—英国联网的Western Link工程，采用±600 kV PPLP海缆，路由全长422 km，输送容量2250 MW，工程总造价13.5 亿美元，目前正在建设中。XLPE海缆方面，电压等级最高的工程为英国—比利时联网的NEMO Link工程，电压等级±400 kV，路由全长140 km，输送容量1000 MW，工程预计投资8 亿美元，海缆将由日本J-Power 公司提供，目前海缆正在研发，预计2019年投运[5,10]。