中國輸電網發展模式

我國輸電網發展模式在2020年及2030年將主要以交直流超/特高壓混合輸電網模式為主，2050年我國電網發展模式可能存在交直流超/特高壓混合輸電網模式、超導主網架模式及電源與負荷匹配模式三種情況。未來我國輸電網路全國聯網是一種必然趨勢。

基本介紹

• 中文名：中國輸電網發展模式
• 外文名：Development Patterns of China's Power TransmissionNetwork
• 學科：電氣工程
• 領域：能源利用
• 發展方向：全球能源網際網路
• 特點：提高資源最佳化配置及利用效率

背景

化石能源的日漸枯竭，以及使用化石能源帶來的環境影響，使人類不得不尋求新的途徑，解決能源危機和環境污染問題。

從歐美國家來看，美國石油資源一直十分依賴進口國際油價的波動使美國在能源戰略上發生了重大轉變，未來將更加重視國內資源的開發，減少對國外資源的過分依賴，並通過提高能源利用效率、利用新技術、發展能源供應的多樣性等措施保證能源供給的安全。電網方面則提出“Grid 2030"計畫，對美國未來電網進行了構想，以適應未來各方麵條件的變化。歐洲對化石能源的依賴度同樣較高，一次能源的80%來自於化石能源，為了保證能源安全，應對氣候變化，已有眾多學者和機構提出建設歐洲"Super Grid”建議，該“Super Grid”可實現大規模可再生能源供電，保證能源供給的安全和清潔。

未來我國負荷將持續增長，面對能源資源緊張及環境氣候變化的雙重壓力，除了採用節能減排等措施以外，將同樣大力發展風能、太陽能等可再生能源。由於我國能源資源分布及負荷分布極為不均衡，而未來大規模可再生能源的發展將進一步加重這一局面，因此，電網作為電力傳輸的載體，在能源資源最佳化配置中將起到十分重要的作用。目前我國已經規劃建設了多條超/特高壓直流輸電工程，可以將西部、西南部、北部地區電力送往中東部負荷中心地區。

未來，隨著大容量遠距離電力輸送需求的增加，我國電網如何發展目前還存在爭議。借鑑國外電網發展思路，根據我國未來電源及負荷發展預測結果，對我國2020年及2030年電網發展模式進行預測，對我國2050年電網發展模式進行展望，並總結我國未來電網發展可能存在的技術需求。

歐美電網發展思路及對我國電網的借鑑意義

美國電力設備及基礎設施嚴重老化，由於電力投資不足，發生電力阻塞的輸電線路增加，大停電事故發生機率增大，8.14大停電事故給美國造成了巨大的經濟損失和嚴重的社會影響。為了實現電網的升級改造，建造現代化電力系統，美國能源部組織眾多部門、機構召開2次會議，第1次會議對未來電網進行構想，提出了“Grid 2030”計畫，第2次會議為實現該計畫設計了具體的路線圖。

在“Grid 2030”計畫中，美國提出在現有網路上建設國家主幹網，通過國家主幹網將東西海岸、加拿大及墨西哥聯繫起來，主幹網可用於在國家層面上進行電力供應及需求平衡，擴大電力供應範圍，實現資源最佳化配置，可通過利用全國範圍內的季節性、區域性氣候多樣性及需求側管理等方式實現高效送電，降低網損。在技術實現上，國家主幹網涉及多種技術，如超導電纜及變壓器、先進電導體、信息及通信技術以及控制技術等。“Grid 2030”計畫中同時指出超導系統可以減少網損，減少輸電走廊，擴大輸電能力，與高壓直流輸電及其他先進導體實現無縫整合，並可實現電力、氫能的同時輸送，因此，在建設國家主幹網時若考慮將超導輸電與液態氫輸送結合起來可節省總的基礎設施費用。

美國提出“Grid 2030”計畫時，僅提出了一個電網結構的構想，尚未確定具體的電網實現方式，“Grid 2030”是一個開放式的概念，其方案設計需要一個長期的研究過程，如1-3年的時間。由於有太多的未知因素，如電網的最終需求、研發進程的預期等，且當設計方案同時有多種選擇時，需要經過一段時間以後對其中某一方案的相對優勢理解得更為透徹時才能決定選擇哪一方案，而設計過程中新技術的發展也將不斷融入其中。“Grid 2030”的具體路線圖的提出即是對後續如何實現“Grid2030”中電網結構方案的設計比選、解決後續涉及到的關鍵問題等進行詳細的路線設計。可以說，美國為了實現“Grid 2030”計畫煞費苦心，召集了60多個高層確定電網遠景構想，200多個電力專業人員進行路線圖的設計，足以看出美國對“Grid 2030”計畫的重視。

而從“Grid 2030”計畫中未來電網的定位來看，美國提出“Grid 2030”電網構想不僅僅是為了滿足負荷增長需要、大容量電力輸送需求、接納新能源及減少環境污染的目的，而且是由於美國電力設備老化需要更新換代，美國的電力市場競爭機制及各種技術的發展對電網發展產生驅動，同時也涉及到美國的國家安全問題等。可以說，"Grid 2030”的定位是全方面的，既涵蓋了不同需求，又融合了各種可用技術，並在設計中不斷更新升級。其電網構想提出的思路及為了實現該構想所採取的技術路線對我國未來遠期電網設計具有一定的借鑑意義。歐洲為了解決能源危機、應對氣候變化，同樣有多個機構提出不同的電網構想。早在2003年即有學者提出泛地中海新能源合作的想法，指出將歐洲的海上風電、北非及近東的風電、太陽能發電用HVDC與歐洲電網相連，既可解決歐洲的二氧化碳排放問題，又可解決北非及近東的社會經濟發展及就業問題，同時可以通過電網互聯及電力交易等方式加強地中海區域各國家的社會經濟和諧發展及睦鄰友好合作關係。2004年，Czisch博士根據具體的數據，進行了詳細的建模研究和分析比較，指出利用現有的技術將歐洲及其周邊國家電網相連，可在保證供電可靠性的前提下，實現歐洲100%可再生能源發電，且電力成本沒有增加，甚至會減少，這為歐洲後續提出建設“Super Grid”提供了依據。2006年，Airtricity風能有限公司制定了“歐洲海上 “Super Grid”計畫，該“Super Grid”是一個高壓海底傳輸網路，可最終覆蓋波羅的海、北海、愛爾蘭海、英吉利海峽、波斯灣及地中海。2007年，泛地中海可再生能源合作組織提出了DESERTEC概念，指出在撒哈拉沙漠建立覆蓋面積達17000平方公里的集中式光熱太陽能電站、光伏電站及風電廠，其產生的電力通過HVDC電纜送往歐洲及非洲國家，可為中東、北非國家提供大量電力，且可進行海水淡化，並可進一步為歐洲大陸提供巧%的電力。

2008年，歐盟在“Second Strategic Energy Review-Securing our Energy Future”中提出“北海各國海上風電計畫”(the North Seas Countries' Offshore Grid Initiative，NSCOGI)，該計畫是歐盟成員國與挪威之間的合作，旨在創建可連線跨越歐洲北部海域的風電廠和其他可再生能源的綜合海上能源網路，可將北海地區豐富的可再生能源，如蘇格蘭的風電站、德國的太陽能陣列、比利時和丹麥的波浪能發電站以及挪威的水電站等聯繫在一起，被認為是歐盟6個優先能源基礎設施行動之一。按歐盟委員會的說法，北海海上網路將成為未來歐洲“Super Grid”的一部分。

2008年12月17日，歐盟通過了氣候變化一攬子計畫，設定了“20-20-20”目標。2009年7月8國集團(G8)峰會發表減排宣言，提出了到2050年全球溫室氣體至少減排50%，已開發國家排放總量比1990年減少至少80%以上的長期目標。2009年10月，歐洲議會為歐洲及其他已開發國家設定的減排目標是:到2050年排放量比1990年的排放量低85%-90%。

為達到節能減排目標，保證能源安全，提高歐洲經濟的競爭力，歐盟委員會在其“歐洲能源技術戰略規劃”中提出了多項倡議，其中電力倡議的目標是:到2020年實現至少35%的電力由分布及集中式的可再生能源提供，到2050年電力可實現100%脫碳化生產。同時提出進一步整合國家電網，形成真正的以市場為基礎的泛歐洲電網，並對歐洲電網進行升級改造，應對新的挑戰。

2009年11月7日，“歐洲北海各國海上網路計畫”的政治聲明在歐盟能源局簽署，2010年，歐洲氣候基金會(European Climate Foundation ，ECF)制定了至2050年的具體路線圖，對一系列可能的技術路線進行了技術和經濟評估，並闡明了這一評估的政策、法規意義及更廣泛的社會意義。可以看出，歐洲“Super Grid”計畫以解決能源危機、應對氣候變化為主要目的，其中將風電、太陽能發電及水電等可再生能源發電聯合起來遠距離外送的思路對我國未來電網發展具有一定的啟示作用。其未來實現100%脫碳化生產的目標及具體的實現方案值得我們關注。

我國電網發展滯後於歐美國家，目前仍處於快速發展時期，未來相當長的一段時間內，電網發展仍將以滿足負荷快速增長需要及接納新能源為主，而從歐美國家電網發展歷程及未來電網構想來看，未來幾十年內電網互聯是一種必然選擇，我國未來實現全國聯網也將是一種必然趨勢，同時，借鑑歐洲新能源發展思路，我國可考慮將風電、太陽能發電、水電等可再生能源發電及煤電聯合外送，以平滑功率波動，實現新能源可靠平穩送出。

我國未來輸電網發展模式預測與展望

我國電網簡介

從我國目前的電源及負荷分布情況來看，我國電源主要以煤電為主，且主要集中在西部及北部地區，其次，我國水電規模較大，且主要集中在西部及中部地區，而我國主要的負荷中心位於東部和南部地區，這就構成了我國電源和負荷分布不均的問題，由此決定我國必然存在大容量遠距離輸電的需求，而根據我國電源和負荷的發展趨勢來看，這種電源與負荷分布不均的情況未來將在一定程度上得到緩解，但仍難在短期內得到根本性改變。

可以預測，到2020年之前，我國將主要圍繞煤電基地和水電基地的電力外送以及部分跨國輸電的需要，形成“西電東送”、“北電南送”的基本電力流向。呼盟煤電送電東北、華北京津冀魯地區；錫盟煤電送電京津冀魯和華東地區；寶清等黑龍江煤電送電遼寧；山西、蒙西、陝西、寧夏煤電送電華北、華中、華東地區；新疆煤電送電華中、華東地區;四川和金沙江水電送電華中、華東地區；雲南水電、貴州煤電送電廣東地區；俄羅斯、蒙古跨國電力送電東北、華北地區;緬甸水電送電南方地區。整體電力流流向如右圖所示。

我國未來電力流向示意圖

2030年前後，跨區電力流或電網互聯規模將在2020年的基本格局上進一步加大，重點體現在西藏水電以及新疆煤電基地的外送規模將進一步提高。西北火電基地向華北、華東、華中負荷中心的送電規模加大;西南水電開發已接近其可開發規模，主要外送市場仍然是華中、華東和南方電網。媚公河次區域水電加大輸電規模，與我國南方電網的互聯規模增大。俄羅斯電力繼續加大向我國東北地區的送電規模。

預計2050年的電力流格局會有2種可能情況：第1種情況是，在2030-2050年期間，電力仍需大容量遠距離輸送，但整體上跨區跨國電力流與2030年相比無顯著增長，2030-2050年期間將根據市場發展情況，重點依託東部核電開發和抽水蓄能電站的建設，滿足中東部負荷增長需要；第2種情況是至2050年，隨著核電及大規模可再生能源的接入、未來煤電裝機容量的減少、負荷中心向中西部地區的擴展、分散式能源的滲透等，2050年電力流格局發生較大變化，由目前的大容量遠距離輸送趨向於電力與負荷基本均衡的方向發展，未來對電力的大容量遠距離輸送需求將趨於減少。

2020年我國輸電網發展模式預測

按照能源資源更大範圍內最佳化配置的目標，到2020年，我國電網將存在大規模跨區、跨國電力流。而按當前的500 kV電網發展模式，未來電網可能面臨3個問題：1)多饋入直流在受端集中落點，交流系統對直流的電壓支撐能力較弱，敏感通道失去後電網十分脆弱，易引發多回直流的連續長時間換相失敗閉鎖，可能導致受端發生大停電事故；2)500kV交流電網與直流輸送規模不匹配，發生直流故障後交流系統功率轉移能力不強，可能引起負荷損失，甚至引發連鎖故障，釀成大停電事故；3)中東部負荷中心地區輸電走廊緊張，滿足大容量電力傳輸的500 kV輸電通道建設規模受到限制。

在大規模柔性直流輸電技術、常溫超導等具有革命性的電網技術不具備工程套用能力之前，我國大規模電力流跨區輸送最有可能的實現方式是依託於現有的可實現、可突破的技術構築未來主網架。

從電網發展歷史角度來看，更高電壓等級的出現，目的是實現更大範圍內的電力平衡，滿足大容量電力輸送的需求。尤其是目前我國已掌握超/特高壓輸電技術的情況下，採用超/特高壓技術實現大規模電力輸送是最直接的辦法。總的來說，發展超/特高壓交直流輸電基本已是大勢所趨。

未來，我國電網華北、華中、華東地區無法實現單個區域內的電力平衡，而華北北部和西北部、華中西部(川西)具有大規模的火電和水電基地，華北北部還具有大規模可開發的風電，因此華北、華中、華東構成一個基本平衡的區域(簡稱“三華”區域)是合理的，東北、西北的火電、風電可以採用直流方式送入。全國形成東北、西北、“三華”和南方4個同步電網。其結構示意圖如圖所示。

2020年我國電網結構模式示意

2030年我國輸電網發展模式預測

2020-2030年間，各地負荷增速放緩，但西部地區增速將高於東部地區，西北地區煤電、西南地區水電將有更多的部分被當地負荷消納，因此在常規能源布局上出現以下幾個特點：

1)進一步開發錫盟、蒙西、陝北地區的電源，在維持原有外送規模的基礎上有所增長。

2)大規模開發接續電源。①西藏水電，建設規模為4 000萬kW左右，其主要送電方向有2個：一是送至四川、重慶，接續原有川西水電，繼續發揮原有的川西水電交直流電力外送功能。二是直達華中、華東負荷中心，滿足新增電力市場需要；②進一步開發新疆伊犁煤電，送電至重慶、鄂東地區，接續川西水電及鄂東水電；③進一步尋求境外電源，主要為哈薩克斯坦的煤電，送至華東負荷中心，滿足新增電力需求。

3)大力開發風電為主的綠色電源，大規模風電可以採用直接或接續式接入交流電網，或可採用風火打捆或直流的送出方式，送至“三華”電網消納。

因此，從電源分布和負荷發展情況來看，電網發展將延續2020年左右的發展勢頭，但從滿足需求的角度看，2020-2030年間的建設規模將小於2020年之前，交流主網架主要為滿足負荷需求而新增站點和加強輸電通道，同時，將可能建設藏電外送、疆電外送和哈薩克斯坦電力送入等多回直流。

從能源開發上來看，新能源發電大範圍內具有平滑效應，尤其是風電的開發，多點注入風電可實現功率互補，隨著風電聯網區域的擴大，同時率降低，有利於減少風電功率波動，保證風電的安全、可靠、平穩送出。因此，未來我國新能源發電將在較大範圍內通過較短的電氣距離互聯接入電網。

從輸電技術上來看，由於直流輸電技術輸送容量大、輸送距離遠，可定位於西南水電、西北及東北煤電和風電遠距離、大容量外送及跨國輸電。直流輸電的經濟輸送距離與輸電容量和電壓等級相關，輸電距離越遠，輸送容量越大，電壓等級越高。藏電、新疆電力外送距離達2500-3000km，從經濟效益考慮，需要採用特高壓乃至發展更高電壓等級的士1100kV直流輸電技術。

目前，我國土地資源越來越緊張，隨著近年來電網的加快建設，線路走廊緊張的矛盾更加突出。同塔多回輸電技術可有效降低走廊寬度，目前在500kV及以下交流系統中得到廣泛套用。隨著直流輸電系統數量增多，採用直流同塔多回輸電及交直流同塔多回輸電將有利於解決走廊緊張問題。

2050年我國輸電網發展模式展望

至2050年，我國電網發展面臨的內外部環境發生了一定的變化：

1)化石能源減少，能源危機問題突出，大規模新能源開發利用進入新階段，新能源在一次能源消耗總量中所占比例達到一定水平。風電、太陽能等新能源具有大幅度長時間尺度的功率隨機波動特性，大規模新能源接入後解決新能源功率波動及保證清潔能源的高效可靠利用將成為電網的主要任務。

2)全國用電負荷分布逐步趨於均衡，分散式電源在城市中發電比例升高，但負荷整體仍呈現穩步上升的態勢。

3)輸電技術快速發展，超導輸電、多端直流輸電等先進輸電技術可能趨於實用化，可為我國未來電網發展提供更多的技術選擇。

由於2050年電力流情況很難準確預測，因此，前面對2050年的電力流格局進行了2種可能性的展望。根據2050年的電力流格局情況，考慮2050年內外部環境的變化，預測2050年的電網發展模式可能有以下3種:超/特高壓交直流聯網模式、超導主網架模式、電源與負荷匹配模式。

1)超/特高壓交直流聯網模式。

該模式的前提條件是2050年電力流格局基本延續2030年的情況，跨國跨區電力流雖無大幅增長，但仍有大容量遠距離電力輸送的需求，此時，我國2050年的電網模式可能延續2030年的情況，在2030年網架結構基礎上繼續發展。由於2020年我國電力需求翻一番，而2050年電力需求則接近於翻兩番，因此，為滿足電力輸送的需求，2050年可能通過升高線路電壓等級、採用更為先進的輸電技術(多端直流、常規輸電線路的改進)及增加線路回數等方式提高輸電通道的輸電能力。

2)超導主網架模式。

該模式的前提條件之一是2050年電力流格局延續2030年的情況，存在大規模遠距離電力輸送的需求，條件之二是常溫超導技術實現突破，常溫超導電纜可實現規模化生產且成本大幅降低。此時，由於常溫超導電纜所具有的絕對優勢，有必要採用先進的超導輸電技術滿足2050年大規模電力輸送的需求。在這樣的條件下，2050年我國電網的網架結構可能向超導主網架模式轉變。但需注意該模式的發展條件是常溫超導技術取得突破且成本降低，而發展該模式時需考慮如何由原有網架向新型網架過渡。

3)電源與負荷匹配模式。

該模式的前提條件是2050年電力流格局不再延續2030年的情況，而是形成電源與負荷基本匹配的形式。此種情況下，大部分區域電源與負荷可以基本匹配，少部分區域仍需要電力的遠距離輸送。

由於我國電源和負荷分布極為不均，負荷中心的轉移又是一個較為長期的過程，在幾十年時間內依靠常規電源和負荷中心的轉移形成電源與負荷匹配的電力流格局比較困難，除非核聚變等不受地理位置及能源分布限制的新型能源發電技術成熟，才有可能形成這一發展模式。

未來我國電網發展的關鍵技術需求

未來電網的發展需要新技術的推動，我國幅員遼闊，電網龐大複雜，其安全、高效運行需要各種技術的支撐。在2030年之前電網發展形式比較明朗的情況下，需要有重點地發展相關關鍵技術，如在發電方面，應重點發展風力發電、太陽能發電、分散式發電、核電技術等新型能源發電技術，在輸電方面應重點發展特高壓交直流輸電、多端直流輸電、柔性交直流輸電等實用技術，同時應有針對性地研究分頻輸電、半波長輸電等新型輸電技術。

從遠期來看，2050年我國電網發展模式並不十分明朗，但對新技術的研究始終是對未來電網發展的技術儲備。因此，針對2050年的電網發展模式，應從多方面進行前沿性技術研究，使我國電網發展始終處於國際領先水平。具體的前沿性技術需求包括：高溫超導輸電技術、常溫超導輸電技術、無線輸電技術等。

高溫超導輸電技術未來具有一定的套用前景，到2050年之前可能會實現商業化。但由於目前高溫超導電纜設備電壓等級較低，且需要冷卻設備，因此很難採用該技術形成我國未來電網的主網架，但可考慮將其套用在我國未來城市配電網，以滿足日益增長的區域負荷需求。相反，若常溫超導輸電技術能夠實現商業化，則可能對電網發展產生顛覆性影響，可改變整個電網的發展模式。目前國內外均已對高溫超導有了一定的研究並有了實際套用，我國對高溫超導技術的研究也處於國際先進水平，但國內外對常溫超導技術的研究仍進展緩慢。超導技術作為21世紀重點的前沿技術，應引起我國的重視，未來我國應對高溫超導技術進行進一步深入研究，爭取儘早實現商業化，並對常溫超導技術進行基礎性研究，爭取取得技術性突破。

此外，日本提出到2050年建設太空太陽能電站，並通過無線輸電技術進行電能的傳輸，這同樣是一種新的能源發展思路，我國有必要對無線輸電技術進行關注和研究。

除了發電技術、輸電技術以外，電網的發展還依賴儲能技術、電網技術、配電技術、用電技術等。儲能技術的研究包括超導儲能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能、抽水蓄能以及電動汽車技術等;電網技術研究包括智慧型電網技術、電力市場技術以及電網運行控制技術等，而配用電技術研究包括智慧型配電網技術、微網技術及物聯網技術等。

總結起來，未來電網發展可能需要的關鍵技術從發、輸、配、用4個方面來分析，具體的技術需求如下：

發電技術：風力發電技術、太陽能發電技術、分散式發電技術、核電技術等。

輸電技術：

1）新型輸電技術，特高壓交直流輸電技術、多端直流輸電技術、柔性交直流輸電技術、半波長輸電技術、分頻輸電技術、高溫超導輸電技術、常溫超導輸電技術、無線輸電技術等。

2）儲能技術：超導儲能、飛輪儲能、抽水蓄能、壓縮空氣、電動汽車技術等。

3）電網技術：智慧型電網技術、電力市場技術、電網運行控制技術、先進的大規模仿真計算技術等。

配電技術：智慧型配電網技術、微網技術。

用電技術：物聯網技術、智慧型用電技術。

此外，未來對新材料和新設備的技術需求包括：高性能電介質材料、超導材料及設備、新型電力電子材料及器件、型輸變電設備、新型電力電子裝置、儲能設備、新柔性交直流輸電設備及智慧型電器等。

結論

歐美已開發國家電網已經發展較為成熟，從其未來的電網規劃構想來看，其電網的進一步擴大升級主要用於應對能源危機和氣候變化問題，我國電網雖處於快速發展時期，但同樣需要借鑑歐美國家的發展思路，未來電網的發展既要以滿足電力需求為首要目的，又要大量接納清潔及可再生能源，解決我國的能源短缺和環境污染問題。

從我國未來的能源及負荷分布情況來看，2020-2030年，我國仍將存在大規模的跨區域電力流，而2020-2030年可預見的實用化輸電技術將主要以超/特高壓輸電技術為主，因此，預計我國2020-2030年的輸電網發展模式將主要以超/特高壓交直流混合輸電模式為主。2050年，由於能源及輸電技術發展的不確定性，我國輸電網發展模式不十分明朗，存在交直流混合輸電模式、超導主網架模式、電源與負荷匹配模式3種可能情況。

從電網發展的技術需求來看，近期我國應重點研究特高壓交直流輸電、多端直流輸電、柔性交直流輸電等實用技術，有針對性地研究分頻輸電、半波長輸電等新型輸電技術，並對高溫超導輸電技術、常溫超導輸電技術、無線輸電技術等進行前沿性研究。