碳中和推动能源互联网建设加速

电子发烧友报道（文/程文智）2015年12月，《联合国气候变化框架公约》近200个缔约方在巴黎气候变化大会上达成《巴黎协定》。该协定为 2020 年后全球应对气候变化行动做出安排。从环境保护的角度看，《巴黎协定》的最大贡献在于明确了全球共同追求的“硬指标”。其长期目标是将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2℃以内，并努力将温度上升幅度限制在1.5℃以内。只有全球尽快实现温室气体排放达到峰值，本世纪下半叶实现温室气体净零排放，才能降低气候变化给地球带来的生态风险以及给人类带来的生存危机。
 
在《巴黎协定》达成后的5年来，欧盟、加拿大、日本、以及中国等超过30多个国家和地区出台了本国碳达峰和碳中和的政策目标。比如2020年9月以来，我国领导人多次在重要场合强调要在2030年碳排放达峰，2060年实现碳中和目标；日本和韩国提出了2050年实现碳中和的目标；欧盟也提出了2050年碳中和的目标。
 
在不久前的2月8日，联合国秘书长古特雷斯在英国格拉斯哥举办的《联合国气候变化框架公约》第26次缔约方会议的筹备情况线上简报会上强调实现碳中和，及建立全球碳中和联盟的重要性。他希望能在2050年之前，全球实现碳中和。
 
所谓的碳中和指的是每年的二氧化碳排放量与减排量互相抵消，为零排放。
 
也就是说，要想减少碳排放，就需要尽量减少化石能源的消耗。然而，在我国，煤炭仍然在能源和电力结构中占有很大的比例，根据中电联最新的统计数据，2020年煤炭在一次能源消费结构中的占比约为56.7%，火电发电量在我国总发电量中的占比约为67.8%。
 
要想达成碳中和，我国在能源供给端就需要更多地使用太阳能、风能、生物质能、水电等可再生能源；在能源消费端提升电力的消费比例，降低二氧化碳的排放；在能源传输端则要降低损耗。
 
提升可再生能源给电网带来挑战
在可再生能源中，主要有传统的水电、新兴的光伏、风电，以及仍在技术创新中的生物质能（包括垃圾发电、生物燃料等）、地热能和潮汐能等等。
 

 

图：电力系统结构图。（来源：上海宏力达招股书。）

 
一般来说，电力系统由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成。发电厂将一次能源转换成电能，经过输电和配电将电能输送和分配到最终电力用户，从而完成电能从生产到使用的整个过程。
 
电力网根据在电力系统中的作用分为输电网和配电网。输电网是通过高压、特高压输电线路从发电厂输送到变电站的环节。配电网是从变电站接受电能，通过配电设施就地或逐级分配给客户的电力网，通常把电力系统中二次降压变电站低压侧直接或降压后向客户供电的网络称为配电网。配电网是电力系统向客户供电的最后一个环节，它由配电设施（其中包括馈线、配电变压器、断路器、各种开关等配电设备）、继电保护、自动装置、测量和计量仪表以及通信和控制设备构成一个配电系统。
 
在我国配电系统中，电压等级包括 10kV、20kV、35kV 和 110kV 等，其中10kV 是我国应用最广的配电电压等级。
 
随着可再生能源的比例越来越高，电力系统受到的挑战也越来越大。因为传统的电力系统是一个电源随着负荷波动运行的系统，而新能源加入之后，电源侧不可控的随机波动性也增大，要求其他电源也要平抑新能源的波动。而新能源比例越高，波动越大，其他调节电源需要作出的调整越大。
 
还有一点是，新能源的出力曲线往往与负荷曲线并不匹配，极端情况下甚至呈现相背的特点。光伏“晚峰无光”，风电“极热无风”，以及冬季常见的阴雨寡照、静稳雾霾和低温冰冻天气，往往造成新能源在冬夏用电高峰时“临阵脱逃”。2020年8月14、15日，美国加州在高温大负荷期间，就因晚峰时段新能源减发导致大规模停电。在国内，新能源比例较高地区多次出现发电低于预测，被迫对工业用户实施有序用电措施。
 
此外，对电力系统而言，必须将交流电压的幅值、频率以及通过输变电设备的电流维持在限额之内，才能安全有效传输电能。这需要电力系统中的电源能够为系统运行提供足够的旋转备用、电压支撑和转动惯量，以应对各种设备故障。水火电等同步发电机性质的电源，因转子质量大、惯性大，在电压和频率小幅波动时可稳定运行，所以能够可靠有效地提供上述三种辅助服务。新能源因源端获取的能量波动不稳、或以直流电流形式输出，所以必须通过由电力电子器件构成的变频器、逆变器方能并网运行，电力行业称之为“电力电子化电源”。受此技术特性影响，新能源难以向电力系统提供与其发电功率相应的旋转备用和转动惯量，能够提供的火电机组为了让出电能消纳空间，不能开机并网。
 
因此，从目前的技术水平来看，未来的电力系统必然是“双高”的，即并网运行的设备中新能源比例高、电力电子化比例高。“双高”电力系统如何安全稳定运行目前还是“无人区”，全世界的电力系统运行者都还在探寻摸索。
 
最近的典型案例是英国2019年8月9日下午发生的大停电。这次停电造成了包括伦敦在内的100万电力用户受到影响。事故的起因只是一起电力系统运行中常见的线路接地故障，却在英国最大的海上风电场导致大量机组变频器因无法承受电压波动跳闸，功率缺失后系统频率小幅下滑，又引发各地配电网的分布式光伏因逆变器耐频性能不足、无序脱网，进一步拉低系统频率；而此时并网常规电源较少，无力提供足额的旋转备用和转动惯量，遏制系统频率一步步下滑，直到跌至48.9Hz，引发配电网中为防止系统频率崩溃而设置的低频减载自动装置动作，切除了大量负荷，造成大面积停电，才稳住系统频率跌势，阻止了英国电力系统的全面崩溃。发生大停电的英国，其可再生能源装机比例约为47%，同时具备良好调节性能的天然气装机比例超过40%，但调节电源充分并不意味着能够应对系统缺乏转动惯量的问题。
 
为了应对这种情况的发生，我国目前的做法是希望构建坚强智能电网来防止此情况的发生。比如我国智能电网的总体目标是：建设以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，以信息化、自动化、互动化为特征的坚强国家电网，全面提高电网的安全性、经济性、适应性和互动性。
 
能源互联网建设提速
在2008年，美国著名学者、经济趋势基金会主席杰里米˙里夫金首先提出了“能源互联网”(Energy Internet)的概念。所谓的“能源互联网”指的是“互联网”与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合的能源产业发展新形式。
 
据全球能源互联网发展合作组织在2017年2月发布的《全球能源互联网发展战略白皮书》介绍，全球能源互联网是以特高压电网为骨干网架，坚强智能电网为基础的能源网络，分为国内互联、洲内互联和洲际互联三个发展阶段。
 
根据《全球能源互联网发展战略白皮书》的测算，构建全球能源互联网能够拉动世界投资规模超过50万亿美元。2030年到2050年，各国各洲电网或将实现互联互通，全球能源互联网成形。
 
其实能源互联网的核心特高压直流输电+清洁能源+智能电网，而特高压输电是实现清洁能源发电全球范围调剂的唯一途径。按照国家电网公司的构想，2020-2030 年将是建设全球能源互联网的第二个阶段，主要用作是推动洲内大型能源基地开发和电网跨国互联。
 
就在2020年12月27日，随着国家能源局局长章建华下达启动投产指令，国家西电东送重点工程------乌东德水电站送电广东、广西特高压多端柔性直流示范工程正式建成投产。这是世界上第一条±800千伏特高压多端柔性直流输电工程，其建成投产几乎登上了年度能源新闻排行榜前列，被认为“我国在世界上率先系统掌握了特高压多端混合柔性直流技术体系”，并“引领世界特高压技术进入柔性直流新时代”。
 
此前，世界主流输电模式都是“直流送电、交流组网”。这是交直流输电本身的技术特性决定的：常规直流主要用于点对点、远距离、大容量电源外送，而不能组网；交流输电则可以满足常规电源送出和电网互联需求，且成本低。但这一基本模式却面临一个“原理性障碍”，即所谓“多直流馈入”问题。当大流量的常规直流汇入电网，就像一条大河流入一个水库，一旦常规直流线路“闭锁”，就像河水突然截停，会导致水库缺水。
 
然而柔性直流改变了这一切。柔性直流(flexible）是20世纪90年代兴起的新一代“电压源型”直流输电技术。和传统“电流源型”直流相比，它对电压、频率的控制更加灵活，就像一个完全可控的水泵，能够精准控制水流的方向、速度和流量，使水库更加平稳，河流被截停的几率也大幅下降。
 
柔性直流输电也是未来中国电网升级的重要技术手段。它可以解决当前大电网面临的诸多问题，比如孤岛供电、城市配电网的增容改造、异步交流系统互联、大规模新能源发电并网等，对传统交流电网具有重要的互补价值。其核心电力电子器件是全控型IGBT器件。
 

 

图：国家电网在建在运特高压工程示意图。（来源：国家电网官网）

 
根据国家电网的数据显示，截止到2021年2月，国家电网建成投运“十三交十一直”24项特高压工程，核准、在建“一交三直”4项特高压工程。已投运特高压工程累计线路长度35583公里、累计变电（换流）容量39667万千伏安（千瓦）。加上南方电网在运的“4直”，目前国内在运的特高压直流网共有15个。
 
根据《中国“十四五”电力发展规划研究》的预测，到2025年，我国特高压直流工程将会达到23个，总输送容量达到1.8亿千瓦。就在2020年11月，国家发改委核准了白鹤滩-江苏直流工程，该工程全长2087公里，总投资307亿元，计划2022年建成投运。
 
有业内人士预计，未来我国特高压线路将会进入常态化核准状态，我国能源互联网投资建设步伐将会持续加快。
 
结语
在碳中和目标的推动下，加上我国能源的分布和消耗分布不均，需要大容量、长距离输送能源，特高压作为新能源大规模远距离消纳的重要手段，无疑会成为“十四五”，乃至“十五五”投资的重点。在特高压直流输电系统中，换流站的投资额占到了整个工程投资的30%左右，而换流站中的换流阀/IGBT、直流避雷器、控制保护系统和换流变压器等为主要支出。
 
也就是说，能源互联网建设的加快，对IGBT、换流变压器、直流避雷器、桥臂电抗器等电力电子器件的需求也会进一步提升。