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1特高压研发与应用,中国后来居上
1.1. 输电电压等级持续不断提升
输电电压一般分高压、超高压和特高压。1891年,在德国Lauffen电厂安装了世界第一台三相交流发电机,从Lauffen电厂到法兰克福的输电电压等级达到了13.8kV,从而开启了高压输电时代。通常,在电力传输过程中,线路损耗会随着输送能量的增大及输送距离延长不断增加。为提高输电线路的输电能力和经济性能,输电电压等级一直在不断提高;100多年来,输电电压等级已由最初的13.8kV逐步发展特高压交流1000kV和特高压直流±1100kV。
特高压适合长距离大规模电力传输。一般而言,高压指的是35~220kV的电压;超高压通常指330kV及以上、1000kV以下的电压;特高压指1000kV及以上的电压。通常情况下,±600kV及以下的直流输电电压称为高压直流输电,±800kV以上的电压称为特高压直流输电。在我国,特高压指1000kV及以上交流电和±800kV及以上直流电的电压等级。在输电电流一定的情况下,电压等级越高,传输功率越大、线路损耗越小。因此,与高压/超高压相比,特高压具有输送容量大、距离远、损耗低、占地省等优势,尤其适合远距离大规模电力传输。
1.2. 我国特高压研发与应用后来居上
国外特高压输电技术研究起步早,但商业化应用尚未取得大规模突破。20世纪60年代以来,美国、加拿大、前苏联、意大利、日本等国家都开始了对特高压输电技术的研究。1965年,加拿大建成了600公里的735kV超高压输电线路用于水电站外送;1969年,美国电力公司则将这一记录提高到765kV。1985年,前苏联建成全球首条1150kV交流输电线路(巴斯图兹-科克契塔-库斯坦奈,共890公里);陆续又建成1500公里线路,但在1992年后均降压至500kV运行。1988年开始,日本陆续建成了427公里长1000kV同塔双回线路,但在2000年后也都降压至500kV运行。
我国已实现特高压输电工程大规模商业化应用,并在核心技术上实现全面国产化。我国对特高压技术的跟踪研究始于20世纪80年代,2004年底集中开展大规模研究论证、技术攻关和工程实践。在掌握了特高压交直流输电关键技术及主设备研制成功的基础上,在2006年下半年,我国相继启动了交直流特高压示范工程建设。2006年8月,我国第一条特高压交流线路“晋东南-南阳-荆门工程” 试验示范工程开工建设,并于2008年12月正式投运。2006年12月,全球首个特高压直流输电项目“云南-广东”±800kV直流输电工程开工建设,输电距离1,373公里,途径云南、广西、广东三省区;该项目于2009年12月单极投产,2010年6月双极投产。
从2006年至今,我国已建成投运21条特高压线路。到2017年底,我国累计已建成特高压线路21条,其中直流线路13条,交流线路8条;总投资规模约4,073亿元,初步形成“强交强直”的特高压输电骨干网架。截止2017年,我国已建成投运特高压输电线路长度达3.1万公里,在全国110kV以上输电线路中的占比上升到了46.2%。2017年度,我国跨区输电容量超过1.3亿千瓦,其中交直流联网跨区输电容量超过1.17亿千瓦,跨区占对网送电能力达到1,344万千瓦。
当前还有3交2直和苏通GIL综合管廊等6项特高压工程在建。除已建成的8交13直外,当前还有准东-皖南、北京西-石家庄等3交2直和淮南-南京-上海1000kV特高压交流输变电工程苏通GIL综合管廊工程特高压项目在建,大部分项目预期2018/2019年间将陆续投运。这6项在建特高压工程投运后,我国特高压输电线路长度将达到3.7万公里,输电容量将超过1.8亿千瓦。
1.3. 特直特交相互配合,共同构成输电骨干网架
特高压输电工程可分为特高压交流和特高压直流。特高压交流与特高压直流都是技术可行的,输电工程设计为直流还是交流,主要是基于成本的考虑,而成本主要与线路的距离相关。特高压交流简化了网络结构,可以多端联接易于直接组网,但在长距离传输时存在无功补偿使得线损偏高,因而站点成本低但会增加线路的变电站建设成本;特高压直流适合点对点长距离传输且线损低,但换流站点造价高且对绝缘等级要求高,使得特直站点成本高但线路成本低。在长距离输电中,通常当输电距离在800公里以上时,特高压直流的经济性会比较明显。
特直特交配合使用共同构成输电骨干网架。交直流线路向来都是配合使用、相互补充的,500kV的交流与500kV的直流线路是相互匹配的,特高压直流与特高压交流也是相互匹配的。以形象的比喻来说,特高压直流好比“飞机”一站直达,耗时较短;而特高压交流则是“高铁”沿途可上可下,但耗时较长。因此,特高压直流的应用场景主要是点对点长距离传输、海底电缆、大电网联接与隔绝等;而特高压交流的应用场景主要是构成交流环网和短距离传输。
输电网络规模正不断扩大,输电技术正呈现三大趋势。当前,输电线路正朝高电压、大容量、远距离输送电能的方向不断进步,新的输电网络规模不断扩大。未来输电技术呈现出以下三大趋势:1)输电电压等级有进一步提高的趋势;2)直流输电技术将得到更为广泛的应用;3)电网侧对电源侧的要求逐步降低。我国由于能源资源与电力需求存在远距离、逆向分布特点,需要开发和应用远距离、大容量、高效率的特高压输电技术。
2发展特高压,符合中国国情的电力超级快递
2.1.特高压是契合国情的电力超级快递
我国能源资源禀赋与负荷中心呈现典型的逆向分布特征。我国的用电负荷主要集中在华东、华南、华中等中东部地区,中东部地区经济发达人口稠密,能源需求占比达到70%以上;而能源资源则主要集中在“三北”以及西南地区。根据国家能源局和中联电统计数据,我国76%的煤炭资源在北部和西北部;80%的水能资源集中在西南部;90%的陆上风电资源主要集中在西北、东北和华北北部;全国太阳能源资源最丰富的地区则主要在西藏、青海、甘肃、宁夏、新疆等西部省区,这些地区的年日照小时数均超过3,000小时。
能源生产与消耗结构性失衡,需要对电力资源进行合理调配。我国大型能源基地和负荷中心逆向分布的特征,使得跨区长距离输电的需求客观存在,“西电东送”、“北电南供”的电力格局已经成为我国电力工业长期面临的挑战之一。2016年,华东和华南两个主要用电负荷区域用电量分别达到了2万亿kWh和7,257万kWh,区域内发电量分别为1.8万亿kWh和5,898万kWh,缺口分别达到了1,669万kWh和1,359万kWh,缺口率分别为8.4%和18.7%。而同期,西南、西北、华北三个地区的富裕电量则分别为2,948、1,125和672万度。从省区来看,内蒙、云南、四川、山西、湖北等资源集中区是典型的发电富裕省份,而人口稠密、制造业占比高的浙江、江苏、广东、上海则存在大量的外部电力输入需求。
能源集中地与负荷中心距离遥远,催生特高压需求。在2010年以前,我国的主干输电网架以500kV为主,输送距离均在1,000公里以下。然而,我国主要资源负荷地与禀赋地之间的距离大都在1,000公里以上,原有的输电网架结构无法满足大范围大规模调配电力资源的需要,发展远距离大容量输电技术迫在眉梢。1000 kV特高压交流输电线路输送功率约为500 kV输电线路5倍;±1100kV特高压直流输电能力是±500 kV输电线路的4倍。在输送相同功率的情况下,1000 kV特高压交流和±1100kV特高压直流的输电距离分别是其500 kV输电线路的4倍和5倍,而线路损耗则只有500kV线路的25%。同时,输送同样的功率,采用1000kV线路输电与采用500kV的线路相比,单位容量线路走廊占地减小30%,可节省60%的土地资源。从西北将煤电、风电输送到华东、华北地区,输送距离超过3,000公里,特高压输电技术的可行性和经济性无疑是可观的。
特高压项目在电力资源调配方面效果显著。以我国第一条特高压示范试验项目工程“晋东南—南阳—荆门”为例,该工程自2009年投运以来,南北互济,水火交融,最大限度发挥了电力资源调配的作用。湖北省水电资源基本开发完毕且大量外送,全省用电量的60%依靠火电,然而湖北省内化石能源匮乏,98%的发电用煤需要从外省购入。每到冬季枯水季节,湖北电网通过特高压接受山西等地的煤电输入;到了夏季丰水季节,又通过特高压将西南四川富余水电送到华北电网,缓解山东等地的缺电状况。特高压为湖北电网新增北方火电500万千瓦,减少电煤运输700余万吨/年,累计输送电量556亿千瓦时,有效缓解了湖北电网缺电局面。
特高压工程提升了跨区输电能力,已成为我国电力领域的“超级快递”。国家电网公司辖区内跨区输送电量从2010年的269亿kWh快速增加到2017年度的2,326亿kWh,2010-2017年间复合增长达到36%,尤其是从2014年大规模批复大气污染治理特高压通道后跨区输电量更是大幅增长。从占比上来看,跨区输电量占辖区发电量的比重已达到4.3%,较2010年提升3.5Pcts。南方电网公司所辖的云南地区水电资源丰富,一直都是西电东送的主力。2011年到2017年间南方电网公司西电东送输电量从969亿kWh上升到2,028亿kWh,复合增长达11.1%;西电东送输电量占辖区发电量的比重也上升到18%-19%。
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