有關(guān)房主和商家紛紛脫離電網(wǎng)轉(zhuǎn)而自己發(fā)電、儲(chǔ)電的報(bào)道比比皆是。在電費(fèi)極高或服務(wù)不均衡的地區(qū)，放棄使用電網(wǎng)可以理解，但是對(duì)于其他地區(qū)，反其道而行之反而更為明智：將區(qū)域電網(wǎng)互連，形成覆蓋全球的超級(jí)電網(wǎng)?！窕谀壳半娋W(wǎng)遭受的若干壓力，這個(gè)想法頗具吸引力：在快速發(fā)展的大城市，能源需求猛增;無(wú)碳間歇性風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電逐步普及和發(fā)展;確保電網(wǎng)免受電子和物理攻擊的需求大大提高。電網(wǎng)規(guī)模越小、越孤立，維持電力供需之間的瞬時(shí)平衡就越困難。

目前，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離大規(guī)模電力輸送且無(wú)顯著損耗的技術(shù)已經(jīng)存在，因此運(yùn)營(yíng)商們完全可以在整個(gè)大洲甚至是全球平衡電力供需。如果某個(gè)國(guó)家發(fā)生停電，線路電壓和頻率的突變將會(huì)開啟數(shù)千里之外的發(fā)電機(jī)來(lái)彌補(bǔ)電力的不足;如果主要依靠風(fēng)電的地區(qū)風(fēng)力衰退，鄰近地區(qū)可以迅速助以一臂之力;如果某個(gè)地區(qū)發(fā)生強(qiáng)降雨，水電站大壩可留存能量，在需要時(shí)輸送到其他地區(qū)。有了超級(jí)電網(wǎng)，就可確保所有或幾乎所有電力都能物盡其用，有效避免一些導(dǎo)致浪費(fèi)的做法，例如付錢給風(fēng)力發(fā)電廠，讓其減少發(fā)電量，甚至釋放多余電量。(當(dāng)然，存儲(chǔ)多余能量也有助于避免出現(xiàn)這樣的問(wèn)題，但大規(guī)模經(jīng)濟(jì)型儲(chǔ)能尚未普及。)

本文轉(zhuǎn)載自：悅智網(wǎng)，作者：Clark W. Gellings。

一般來(lái)說(shuō)，有了全球超級(jí)電網(wǎng)，發(fā)電站就可以遠(yuǎn)離居民區(qū)。例如，澳大利亞達(dá)爾文市南部的開闊區(qū)域人煙稀少，且是世界上陽(yáng)光最充沛的地區(qū)之一。據(jù)估計(jì)，在那里建造一個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)大小的太陽(yáng)能電站就可滿足整個(gè)國(guó)家的電力需求。通過(guò)連接?xùn)|南亞的海底電纜，電力還可以被送往印尼、巴布亞新幾內(nèi)亞、新加坡等國(guó)。有了超級(jí)電網(wǎng)，運(yùn)營(yíng)商還能大幅縮減其空轉(zhuǎn)備用(需求提升時(shí)可以利用的備用容量，但實(shí)際中很少使用)。

那么建設(shè)全球超級(jí)電網(wǎng)需要開展哪些工作呢?在技術(shù)層面，這取決于覆蓋全球的高壓直流(HVDC)輸電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，其中大部分組件已經(jīng)存在。此外，區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商們需要就這類網(wǎng)絡(luò)的付費(fèi)方式達(dá)成一致，制定交易規(guī)則，規(guī)定技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，確保超級(jí)電網(wǎng)安全、可靠、平穩(wěn)地運(yùn)行。

全球超級(jí)電網(wǎng)的淵源可以追溯到電力行業(yè)剛起步的階段，當(dāng)時(shí)兩位天才發(fā)明家——托馬斯•愛(ài)迪生和尼古拉•特斯拉——展開了一場(chǎng)“電流大戰(zhàn)”。1882年愛(ài)迪生展示了第一個(gè)商用直流電站。但之后，特斯拉發(fā)明的交流電一統(tǒng)天下。

1895年，特斯拉實(shí)現(xiàn)了利用尼亞加拉大瀑布發(fā)電的夢(mèng)想，在隨后的幾年內(nèi)，產(chǎn)生的電力向700公里外的紐約市供電，證實(shí)了交流系統(tǒng)的優(yōu)越性。進(jìn)入20世紀(jì)后，世界上的動(dòng)力系統(tǒng)都開始使用交流電。

交流電戰(zhàn)勝直流電的關(guān)鍵是其能夠利用磁感應(yīng)增大電壓，從而以較低的電流實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離電力輸送，最大限度地減少電阻造成的損耗;到達(dá)目的地后再降壓進(jìn)行本地配電。在當(dāng)時(shí)，直流電無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。但電力工程師也認(rèn)識(shí)到，在執(zhí)行相同的電力輸送任務(wù)時(shí)，在較高電壓下工作的直流系統(tǒng)將優(yōu)于交流系統(tǒng)，因?yàn)橹绷鱾鬏斨械碾娏p耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于交流系統(tǒng)。

那么低多少呢?如果通過(guò)HVDC系統(tǒng)傳輸給定電量，若將電壓加倍，那么需要的電流僅為相應(yīng)交流系統(tǒng)的一半，可將線路損耗減少四分之三。所需的導(dǎo)線也將大幅減少，因?yàn)橹绷麟娏骺蓾B透電力線的整個(gè)導(dǎo)體，而交流電流大多集中在導(dǎo)線表面。換句話說(shuō)，對(duì)于相同的導(dǎo)線截面，交流電遇到的有效電阻較大，以熱量形式損失的電量更多。那么這就意味著交流輸電所需的基礎(chǔ)設(shè)施遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)直流電。例如，利用765千伏交流系統(tǒng)傳輸6000兆瓦電功率，需要3條單回路輸電線路穿過(guò)180米寬的線路走廊;而800千伏直流系統(tǒng)的線路走廊寬度只需80米。

通過(guò)HVDC，不同頻率的電網(wǎng)之間可以輕松進(jìn)行電力傳輸。HVDC換流器、電纜、斷路器和其他組件比交流電相關(guān)組件貴，因此對(duì)500公里或更遠(yuǎn)的距離使用HVDC才具有經(jīng)濟(jì)意義。但隨著直流組件成本的下降，這一臨界距離也在不斷減小。

認(rèn)識(shí)到這些優(yōu)勢(shì)，在整個(gè)20世紀(jì)，電力工程師的焦點(diǎn)一直放在直流輸電技術(shù)上。長(zhǎng)久以來(lái)，HVDC的關(guān)鍵點(diǎn)是安裝在HVDC線路任意一端的換流器。換流器用于將高壓交流電轉(zhuǎn)換為高壓直流電，或者將直流電轉(zhuǎn)回交流電。在20世紀(jì)60年代，人們主要利用汞弧閥換流。汞弧閥實(shí)際是只能開不能關(guān)的電子開關(guān)，功能有限，并會(huì)造成電力的大量損耗。

20世紀(jì)70年代，直流技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展。人們開發(fā)出水冷晶閘管，一種巨大的可以開關(guān)的固態(tài)開關(guān)。1978年，這一開關(guān)首次被用于納爾遜河的HVDC輸電系統(tǒng)中，這一輸電系統(tǒng)將電力從加拿大馬尼托巴省北部的水力發(fā)電站傳輸至人口稠密的南部地區(qū)。

自那以后，HVDC雖然在北美應(yīng)用較少，但已開始在世界其他地區(qū)(主要是巴西、中國(guó)、印度和西歐)出現(xiàn)。從20世紀(jì)90年代末開始，HVDC的配置依賴于絕緣柵雙極晶體管(IGBT)——一種每個(gè)周期可多次開關(guān)的專用晶體管。最新IGBT的開關(guān)速度不到十億分之一秒。

現(xiàn)在的HVDC換流器稱為電壓源換流器(VSC)。雖然較高電壓、較大容量的電力傳輸仍使用傳統(tǒng)的換流器，但VSC有助于將HVDC線路整合到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中。1997年3月，在瑞典赫爾斯楊和格蘭斯堡之間，基于VSC的3兆瓦/10千伏的HVDC系統(tǒng)成功運(yùn)行。5年后，在紐約與康涅狄格之間長(zhǎng)島海灣的跨海輸電工程中，VSC首次得以大規(guī)模部署。該項(xiàng)目功率較高，為330兆瓦，但換流損耗也很高，為2.5%。利用最新的VSC，這種損耗已經(jīng)降到1%。

此外, 沿一條HVDC輸電線路建立多個(gè)換流站的設(shè)想已經(jīng)成為可能。工程師們可以在中間點(diǎn)而不是只能在一端接入線路。超越點(diǎn)到點(diǎn)限制的HVDC輸電系統(tǒng)可將輸電線路連接成網(wǎng)，雖然結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，但更穩(wěn)健。

全球超級(jí)電網(wǎng)還需要哪些技術(shù)?當(dāng)務(wù)之急就是開發(fā)出可應(yīng)對(duì)60千安以上的短路電流并能在幾毫秒內(nèi)對(duì)檢測(cè)到的故障作出反應(yīng)的大容量快速斷路器。幾年前，瑞士ABB公司宣布混合動(dòng)力機(jī)電斷路器已取得一定進(jìn)展。2015年早些時(shí)候，西門子公司宣布已在中國(guó)溪洛渡-金華(四川-浙江)HVDC輸電系統(tǒng)上成功測(cè)試5千安斷路器。阿爾斯通公司亦公布了這個(gè)范圍內(nèi)的斷路器原型。但要降低這些設(shè)備的成本和尺寸并提高其性能，還需要開展大量的工作。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，由高溫超導(dǎo)材料代替銅或鋁制成的電纜可大大加快全球超級(jí)電網(wǎng)的部署。因?yàn)檫@些材料可傳輸大量電流，且基本無(wú)能量損失。盡管需要冷卻至液氮溫度(低于77開爾文)，但制冷和由其他因素造成的損耗卻不到傳統(tǒng)交流和直流高架輸電線消耗量的一半。超導(dǎo)直流電纜所需的線路走廊也比傳統(tǒng)電纜HVDC窄。若干項(xiàng)目已經(jīng)證明了超導(dǎo)電纜在短距離上的優(yōu)勢(shì)，如最近韓國(guó)濟(jì)州島部署的500米/80千伏直流線路。但目前其成本仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電纜。

另一個(gè)前景看好的領(lǐng)域是利用硅以外的材料制造先進(jìn)的電力電子系統(tǒng)。硅元素儲(chǔ)量豐富、成本低、加工簡(jiǎn)單，可在室溫下操作，所以是電力和其他半導(dǎo)體器件的首選材料，但研究表明，碳化硅和氮化鎵等新材料也有望用于制作HVDC網(wǎng)絡(luò)所需的功率開關(guān)。與標(biāo)準(zhǔn)硅器件相比，這些寬帶隙半導(dǎo)體可在較高溫度下運(yùn)行，可以以較低的電阻承受較高的電壓或電流。如果能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，那么寬帶隙裝置將既有助于降低成本，又可加強(qiáng)HVDC換流器的功能。

那么建設(shè)全球超級(jí)電網(wǎng)應(yīng)從哪里著手呢?第一個(gè)選擇就是中國(guó)，它是目前世界上電網(wǎng)技術(shù)(特別是HVDC技術(shù))開發(fā)和部署的先鋒。中國(guó)已開始開發(fā)利用北部巨大的太陽(yáng)能和風(fēng)能資源以及南部大量的水電儲(chǔ)能。為了將約1300千兆瓦電量輸送到東部和南部的人口和工業(yè)中心，中國(guó)已經(jīng)建成了世界上最大的高壓交流和直流輸電網(wǎng)，并計(jì)劃在未來(lái)5年內(nèi)再建成13到20條特高壓直流輸電線路(800至1100千伏)。為此中國(guó)投入了巨資：2014年在這類項(xiàng)目上投入了650億美元，預(yù)計(jì)至少在未來(lái)5年內(nèi)，此類項(xiàng)目的投入還將維持在這一水平。據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)估計(jì)，到2040年中國(guó)還需投入4萬(wàn)億美元以上的資金，才能將輸電配電模式改造完成。中國(guó)電力科學(xué)研究院可再生能源和智能電網(wǎng)技術(shù)副院長(zhǎng)姚良忠稱，他的研究小組還在研究將中國(guó)與歐洲、中東及北非相連接的洲際輸電網(wǎng)的可行性。

另一個(gè)可選的地點(diǎn)是歐洲。自2008年以來(lái)歐盟委員會(huì)一直在呼吁建設(shè)泛歐超級(jí)電網(wǎng)。泛歐超級(jí)電網(wǎng)的規(guī)劃由代表34個(gè)歐洲國(guó)家41家輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商的歐洲電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商聯(lián)盟(ENTSO-E)牽頭。

泛歐超級(jí)電網(wǎng)的總體規(guī)劃是建立HVDC電網(wǎng)，將這些歐洲國(guó)家與周邊地區(qū)連接起來(lái)，包括哈薩克斯坦、北非和土耳其。德國(guó)卡塞爾大學(xué)的格雷戈?duì)?bull;澤什(Gregor Czish)進(jìn)行的一項(xiàng)研究表明，有了這樣的電網(wǎng)，風(fēng)電可以在很大程度上滿足歐洲的能源需求，只需少量的生物質(zhì)能發(fā)電作為補(bǔ)充。一個(gè)名為超級(jí)電網(wǎng)聯(lián)盟的行業(yè)組織一直在呼吁發(fā)展相關(guān)的技術(shù)、推進(jìn)管理和融資，從而推動(dòng)這一宏偉計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)。

到目前為止，歐洲一些主要的HVDC互連工程業(yè)已完成或取得重要的階段性勝利，其中一項(xiàng)是連接德國(guó)能源豐富的北部與能源匱乏的南部地區(qū)的百億歐元項(xiàng)目，還有兩個(gè)是連接德國(guó)與挪威以及挪威與丹麥的項(xiàng)目，此外法國(guó)與西班牙之間的HVDC電網(wǎng)也剛剛建成。

當(dāng)然，全球超級(jí)電網(wǎng)還需要建設(shè)更多的基礎(chǔ)設(shè)施：根據(jù)規(guī)劃的項(xiàng)目和部分地區(qū)的冗余假設(shè)，我估計(jì)還需要約10萬(wàn)公里HVDC輸電線路和115個(gè)換流站。其中一些換流站是“超級(jí)換流站”，就像新墨西哥Tres Amigas項(xiàng)目開發(fā)商所設(shè)想的那種。Tres Amigas項(xiàng)目計(jì)劃連接北美3個(gè)主要電網(wǎng)(西部、東部和德州電網(wǎng))，并提供能量?jī)?chǔ)存。要將大型的區(qū)域電網(wǎng)連接起來(lái)，全球電網(wǎng)需要類似的設(shè)施。(見(jiàn)“邁向全球超級(jí)電網(wǎng)的工程項(xiàng)目”中列出的亞洲、歐洲和世界其他地區(qū)擬建設(shè)的超級(jí)電網(wǎng)項(xiàng)目。)

迄今為止，全球超級(jí)電網(wǎng)所面臨的最大難題是費(fèi)用如何結(jié)算。很難為如此龐大和復(fù)雜的項(xiàng)目確定一個(gè)固定的數(shù)字，但支持者指出，這種電網(wǎng)將物超所值。斯派羅斯•察澤瓦斯雷迪斯(SpyrosChatzivasileiadis)、達(dá)米安•厄恩斯特(Damien Ernst)和格蘭•安德森(Göran Andersson)在2013年《可再生能源》雜志上發(fā)表的一篇論文中分析了以往有關(guān)超級(jí)電網(wǎng)的研究以及已完成的相關(guān)項(xiàng)目，并且估算出建設(shè)5500公里長(zhǎng)(約為連接紐約市與葡萄牙波爾圖的距離)、800千伏/3千兆瓦的海底HVDC電纜所需的資金投入。(目前，800千伏遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了現(xiàn)有海底電纜的經(jīng)濟(jì)性范圍。)作者的結(jié)論是，僅電纜就需每公里115萬(wàn)至180萬(wàn)歐元，每個(gè)換流站耗資約3億歐元。假設(shè)熱損耗為3%，使用壽命為40年，研究人員估計(jì)，輸電成本為每千瓦時(shí)0.0166至0.0251歐元(0.0189美元至0.0286美元);相應(yīng)地，美國(guó)居民用戶的成本約為每千瓦時(shí)0.011美元，這一數(shù)字包括輸電費(fèi)用但不包括發(fā)電費(fèi)用。HVDC超級(jí)電網(wǎng)的電價(jià)肯定會(huì)比今天的價(jià)格低得多，因?yàn)殡娏?lái)自價(jià)格最低的能源。

規(guī)劃并融資建設(shè)全球超級(jí)電網(wǎng)的國(guó)家需就可再生能源(亦包括核能)達(dá)成國(guó)際共識(shí)。如果能就溫室氣體排放征稅達(dá)成全球協(xié)議，從而為向無(wú)碳能源的過(guò)渡提供經(jīng)濟(jì)上的激勵(lì)，可以加速這一共識(shí)的形成。全球超級(jí)電網(wǎng)第一階段的發(fā)展需要政府的資金支持，而初步設(shè)施到位后，可以通過(guò)征收碳排放稅推動(dòng)私營(yíng)部門融資。

除融資外，政府和電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商還需要就電力自由貿(mào)易規(guī)則達(dá)成一致。通過(guò)批發(fā)市場(chǎng)進(jìn)行電力交易(可能分區(qū)進(jìn)行)有助于實(shí)現(xiàn)全球超級(jí)電網(wǎng)的高效電力流通。

此外還需要協(xié)同規(guī)劃，將現(xiàn)有電網(wǎng)和規(guī)劃的區(qū)域超級(jí)電網(wǎng)連接起來(lái)。如前所述，中國(guó)和歐洲都在規(guī)劃自己的HVDC網(wǎng)絡(luò)。但在美國(guó)，輸電規(guī)劃基本仍屬于各州事務(wù)，部分原因是土地使用和投資者所有的公用事業(yè)都由各州控制和管理。在何處建立超級(jí)電網(wǎng)連接點(diǎn)、如何配置HVDC電網(wǎng)、使用多大電壓、是否以及何時(shí)使用高架或海底系統(tǒng)等技術(shù)和運(yùn)籌決策都需要敲定。

最后(但并非最不重要)的一點(diǎn)是，各方需就相關(guān)技術(shù)規(guī)范達(dá)成一致，確定每條輸電線路、換流站和發(fā)電機(jī)的參數(shù)，以確保全球超級(jí)電網(wǎng)安全、可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行。

全球超級(jí)電網(wǎng)耗資巨大，需要幾十年的時(shí)間才能建成。不過(guò)國(guó)際運(yùn)輸和電信部門已有這樣的先例，并且另一個(gè)選擇——繼續(xù)依賴礦物燃料的、低效的、分離的電網(wǎng)則成本更高。