2015年12月，《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》近200個(gè)締約方在巴黎氣候變化大會(huì)上達(dá)成《巴黎協(xié)定》。該協(xié)定為2020年后全球應(yīng)對(duì)氣候變化行動(dòng)做出安排。從環(huán)境保護(hù)的角度看，《巴黎協(xié)定》的最大貢獻(xiàn)在于明確了全球共同追求的“硬指標(biāo)”。其長(zhǎng)期目標(biāo)是將全球平均氣溫較前工業(yè)化時(shí)期上升幅度控制在2℃以內(nèi)，并努力將溫度上升幅度限制在1.5℃以內(nèi)。只有全球盡快實(shí)現(xiàn)溫室氣體排放達(dá)到峰值，本世紀(jì)下半葉實(shí)現(xiàn)溫室氣體凈零排放，才能降低氣候變化給地球帶來(lái)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)以及給人類帶來(lái)的生存危機(jī)。
在《巴黎協(xié)定》達(dá)成后的5年來(lái)，歐盟、加拿大、日本、以及中國(guó)等超過(guò)30多個(gè)國(guó)家和地區(qū)出臺(tái)了本國(guó)碳達(dá)峰和碳中和的政策目標(biāo)。比如2020年9月以來(lái)，我國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人多次在重要場(chǎng)合強(qiáng)調(diào)要在2030年碳排放達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)；日本和韓國(guó)提出了2050年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)；歐盟也提出了2050年碳中和的目標(biāo)。
在不久前的2月8日，聯(lián)合國(guó)秘書(shū)長(zhǎng)古特雷斯在英國(guó)格拉斯哥舉辦的《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》第26次締約方會(huì)議的籌備情況線上簡(jiǎn)報(bào)會(huì)上強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)碳中和，及建立全球碳中和聯(lián)盟的重要性。他希望能在2050年之前，全球?qū)崿F(xiàn)碳中和。
所謂的碳中和指的是每年的二氧化碳排放量與減排量互相抵消，為零排放。
也就是說(shuō)，要想減少碳排放，就需要盡量減少化石能源的消耗。然而，在我國(guó)，煤炭仍然在能源和電力結(jié)構(gòu)中占有很大的比例，根據(jù)中電聯(lián)最新的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2020年煤炭在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比約為56.7%，火電發(fā)電量在我國(guó)總發(fā)電量中的占比約為67.8%。
要想達(dá)成碳中和，我國(guó)在能源供給端就需要更多地使用太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、水電等可再生能源；在能源消費(fèi)端提升電力的消費(fèi)比例，降低二氧化碳的排放；在能源傳輸端則要降低損耗。
提升可再生能源給電網(wǎng)帶來(lái)挑戰(zhàn)
在可再生能源中，主要有傳統(tǒng)的水電、新興的光伏、風(fēng)電，以及仍在技術(shù)創(chuàng)新中的生物質(zhì)能（包括垃圾發(fā)電、生物燃料等）、地?zé)崮芎统毕艿鹊取?/p>
圖：電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。（來(lái)源：上海宏力達(dá)招股書(shū)。）
一般來(lái)說(shuō)，電力系統(tǒng)由發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等環(huán)節(jié)組成。發(fā)電廠將一次能源轉(zhuǎn)換成電能，經(jīng)過(guò)輸電和配電將電能輸送和分配到最終電力用戶，從而完成電能從生產(chǎn)到使用的整個(gè)過(guò)程。
電力網(wǎng)根據(jù)在電力系統(tǒng)中的作用分為輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)。輸電網(wǎng)是通過(guò)高壓、特高壓輸電線路從發(fā)電廠輸送到變電站的環(huán)節(jié)。配電網(wǎng)是從變電站接受電能，通過(guò)配電設(shè)施就地或逐級(jí)分配給客戶的電力網(wǎng)，通常把電力系統(tǒng)中二次降壓變電站低壓側(cè)直接或降壓后向客戶供電的網(wǎng)絡(luò)稱為配電網(wǎng)。配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)向客戶供電的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，它由配電設(shè)施（其中包括饋線、配電變壓器、斷路器、各種開(kāi)關(guān)等配電設(shè)備）、繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、測(cè)量和計(jì)量?jī)x表以及通信和控制設(shè)備構(gòu)成一個(gè)配電系統(tǒng)。
在我國(guó)配電系統(tǒng)中，電壓等級(jí)包括10kV、20kV、35kV和110kV等，其中10kV是我國(guó)應(yīng)用最廣的配電電壓等級(jí)。
隨著可再生能源的比例越來(lái)越高，電力系統(tǒng)受到的挑戰(zhàn)也越來(lái)越大。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的電力系統(tǒng)是一個(gè)電源隨著負(fù)荷波動(dòng)運(yùn)行的系統(tǒng)，而新能源加入之后，電源側(cè)不可控的隨機(jī)波動(dòng)性也增大，要求其他電源也要平抑新能源的波動(dòng)。而新能源比例越高，波動(dòng)越大，其他調(diào)節(jié)電源需要作出的調(diào)整越大。
還有一點(diǎn)是，新能源的出力曲線往往與負(fù)荷曲線并不匹配，極端情況下甚至呈現(xiàn)相背的特點(diǎn)。光伏“晚峰無(wú)光”，風(fēng)電“極熱無(wú)風(fēng)”，以及冬季常見(jiàn)的陰雨寡照、靜穩(wěn)霧霾和低溫冰凍天氣，往往造成新能源在冬夏用電高峰時(shí)“臨陣脫逃”。2020年8月14、15日，美國(guó)加州在高溫大負(fù)荷期間，就因晚峰時(shí)段新能源減發(fā)導(dǎo)致大規(guī)模停電。在國(guó)內(nèi)，新能源比例較高地區(qū)多次出現(xiàn)發(fā)電低于預(yù)測(cè)，被迫對(duì)工業(yè)用戶實(shí)施有序用電措施。
此外，對(duì)電力系統(tǒng)而言，必須將交流電壓的幅值、頻率以及通過(guò)輸變電設(shè)備的電流維持在限額之內(nèi)，才能安全有效傳輸電能。這需要電力系統(tǒng)中的電源能夠?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)行提供足夠的旋轉(zhuǎn)備用、電壓支撐和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以應(yīng)對(duì)各種設(shè)備故障。水火電等同步發(fā)電機(jī)性質(zhì)的電源，因轉(zhuǎn)子質(zhì)量大、慣性大，在電壓和頻率小幅波動(dòng)時(shí)可穩(wěn)定運(yùn)行，所以能夠可靠有效地提供上述三種輔助服務(wù)。新能源因源端獲取的能量波動(dòng)不穩(wěn)、或以直流電流形式輸出，所以必須通過(guò)由電力電子器件構(gòu)成的變頻器、逆變器方能并網(wǎng)運(yùn)行，電力行業(yè)稱之為“電力電子化電源”。受此技術(shù)特性影響，新能源難以向電力系統(tǒng)提供與其發(fā)電功率相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)備用和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，能夠提供的火電機(jī)組為了讓出電能消納空間，不能開(kāi)機(jī)并網(wǎng)。
因此，從目前的技術(shù)水平來(lái)看，未來(lái)的電力系統(tǒng)必然是“雙高”的，即并網(wǎng)運(yùn)行的設(shè)備中新能源比例高、電力電子化比例高。“雙高”電力系統(tǒng)如何安全穩(wěn)定運(yùn)行目前還是“無(wú)人區(qū)”，全世界的電力系統(tǒng)運(yùn)行者都還在探尋摸索。
最近的典型案例是英國(guó)2019年8月9日下午發(fā)生的大停電。這次停電造成了包括倫敦在內(nèi)的100萬(wàn)電力用戶受到影響。事故的起因只是一起電力系統(tǒng)運(yùn)行中常見(jiàn)的線路接地故障，卻在英國(guó)最大的海上風(fēng)電場(chǎng)導(dǎo)致大量機(jī)組變頻器因無(wú)法承受電壓波動(dòng)跳閘，功率缺失后系統(tǒng)頻率小幅下滑，又引發(fā)各地配電網(wǎng)的分布式光伏因逆變器耐頻性能不足、無(wú)序脫網(wǎng)，進(jìn)一步拉低系統(tǒng)頻率；而此時(shí)并網(wǎng)常規(guī)電源較少，無(wú)力提供足額的旋轉(zhuǎn)備用和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，遏制系統(tǒng)頻率一步步下滑，直到跌至48.9Hz，引發(fā)配電網(wǎng)中為防止系統(tǒng)頻率崩潰而設(shè)置的低頻減載自動(dòng)裝置動(dòng)作，切除了大量負(fù)荷，造成大面積停電，才穩(wěn)住系統(tǒng)頻率跌勢(shì)，阻止了英國(guó)電力系統(tǒng)的全面崩潰。發(fā)生大停電的英國(guó)，其可再生能源裝機(jī)比例約為47%，同時(shí)具備良好調(diào)節(jié)性能的天然氣裝機(jī)比例超過(guò)40%，但調(diào)節(jié)電源充分并不意味著能夠應(yīng)對(duì)系統(tǒng)缺乏轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的問(wèn)題。
為了應(yīng)對(duì)這種情況的發(fā)生，我國(guó)目前的做法是希望構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)來(lái)防止此情況的發(fā)生。比如我國(guó)智能電網(wǎng)的總體目標(biāo)是：建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，以信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化為特征的堅(jiān)強(qiáng)國(guó)家電網(wǎng)，全面提高電網(wǎng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性和互動(dòng)性。
能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提速
在2008年，美國(guó)著名學(xué)者、經(jīng)濟(jì)趨勢(shì)基金會(huì)主席杰里米˙里夫金首先提出了“能源互聯(lián)網(wǎng)”(Energy Internet)的概念。所謂的“能源互聯(lián)網(wǎng)”指的是“互聯(lián)網(wǎng)”與能源生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)、消費(fèi)以及能源市場(chǎng)深度融合的能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展新形式。
據(jù)全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織在2017年2月發(fā)布的《全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略白皮書(shū)》介紹，全球能源互聯(lián)網(wǎng)是以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)為基礎(chǔ)的能源網(wǎng)絡(luò)，分為國(guó)內(nèi)互聯(lián)、洲內(nèi)互聯(lián)和洲際互聯(lián)三個(gè)發(fā)展階段。
根據(jù)《全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略白皮書(shū)》的測(cè)算，構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)能夠拉動(dòng)世界投資規(guī)模超過(guò)50萬(wàn)億美元。2030年到2050年，各國(guó)各洲電網(wǎng)或?qū)?shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，全球能源互聯(lián)網(wǎng)成形。
其實(shí)能源互聯(lián)網(wǎng)的核心特高壓直流輸電+清潔能源+智能電網(wǎng)，而特高壓輸電是實(shí)現(xiàn)清潔能源發(fā)電全球范圍調(diào)劑的唯一途徑。按照國(guó)家電網(wǎng)公司的構(gòu)想，2020-2030年將是建設(shè)全球能源互聯(lián)網(wǎng)的第二個(gè)階段，主要用作是推動(dòng)洲內(nèi)大型能源基地開(kāi)發(fā)和電網(wǎng)跨國(guó)互聯(lián)。
就在2020年12月27日，隨著國(guó)家能源局局長(zhǎng)章建華下達(dá)啟動(dòng)投產(chǎn)指令，國(guó)家西電東送重點(diǎn)工程------烏東德水電站送電廣東、廣西特高壓多端柔性直流示范工程正式建成投產(chǎn)。這是世界上第一條±800千伏特高壓多端柔性直流輸電工程，其建成投產(chǎn)幾乎登上了年度能源新聞排行榜前列，被認(rèn)為“我國(guó)在世界上率先系統(tǒng)掌握了特高壓多端混合柔性直流技術(shù)體系”，并“引領(lǐng)世界特高壓技術(shù)進(jìn)入柔性直流新時(shí)代”。
此前，世界主流輸電模式都是“直流送電、交流組網(wǎng)”。這是交直流輸電本身的技術(shù)特性決定的：常規(guī)直流主要用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、遠(yuǎn)距離、大容量電源外送，而不能組網(wǎng)；交流輸電則可以滿足常規(guī)電源送出和電網(wǎng)互聯(lián)需求，且成本低。但這一基本模式卻面臨一個(gè)“原理性障礙”，即所謂“多直流饋入”問(wèn)題。當(dāng)大流量的常規(guī)直流匯入電網(wǎng)，就像一條大河流入一個(gè)水庫(kù)，一旦常規(guī)直流線路“閉鎖”，就像河水突然截停，會(huì)導(dǎo)致水庫(kù)缺水。
然而柔性直流改變了這一切。柔性直流(flexible）是20世紀(jì)90年代興起的新一代“電壓源型”直流輸電技術(shù)。和傳統(tǒng)“電流源型”直流相比，它對(duì)電壓、頻率的控制更加靈活，就像一個(gè)完全可控的水泵，能夠精準(zhǔn)控制水流的方向、速度和流量，使水庫(kù)更加平穩(wěn)，河流被截停的幾率也大幅下降。
柔性直流輸電也是未來(lái)中國(guó)電網(wǎng)升級(jí)的重要技術(shù)手段。它可以解決當(dāng)前大電網(wǎng)面臨的諸多問(wèn)題，比如孤島供電、城市配電網(wǎng)的增容改造、異步交流系統(tǒng)互聯(lián)、大規(guī)模新能源發(fā)電并網(wǎng)等，對(duì)傳統(tǒng)交流電網(wǎng)具有重要的互補(bǔ)價(jià)值。其核心電力電子器件是全控型IGBT器件。
圖：國(guó)家電網(wǎng)在建在運(yùn)特高壓工程示意圖。（來(lái)源：國(guó)家電網(wǎng)官網(wǎng)）
根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)的數(shù)據(jù)顯示，截止到2021年2月，國(guó)家電網(wǎng)建成投運(yùn)“十三交十一直”24項(xiàng)特高壓工程，核準(zhǔn)、在建“一交三直”4項(xiàng)特高壓工程。已投運(yùn)特高壓工程累計(jì)線路長(zhǎng)度35583公里、累計(jì)變電（換流）容量39667萬(wàn)千伏安（千瓦）。加上南方電網(wǎng)在運(yùn)的“4直”，目前國(guó)內(nèi)在運(yùn)的特高壓直流網(wǎng)共有15個(gè)。
根據(jù)《中國(guó)“十四五”電力發(fā)展規(guī)劃研究》的預(yù)測(cè)，到2025年，我國(guó)特高壓直流工程將會(huì)達(dá)到23個(gè)，總輸送容量達(dá)到1.8億千瓦。就在2020年11月，國(guó)家發(fā)改委核準(zhǔn)了白鶴灘-江蘇直流工程，該工程全長(zhǎng)2087公里，總投資307億元，計(jì)劃2022年建成投運(yùn)。
有業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì)，未來(lái)我國(guó)特高壓線路將會(huì)進(jìn)入常態(tài)化核準(zhǔn)狀態(tài)，我國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)投資建設(shè)步伐將會(huì)持續(xù)加快。
結(jié)語(yǔ)
在碳中和目標(biāo)的推動(dòng)下，加上我國(guó)能源的分布和消耗分布不均，需要大容量、長(zhǎng)距離輸送能源，特高壓作為新能源大規(guī)模遠(yuǎn)距離消納的重要手段，無(wú)疑會(huì)成為“十四五”，乃至“十五五”投資的重點(diǎn)。在特高壓直流輸電系統(tǒng)中，換流站的投資額占到了整個(gè)工程投資的30%左右，而換流站中的換流閥/IGBT、直流避雷器、控制保護(hù)系統(tǒng)和換流變壓器等為主要支出。
也就是說(shuō)，能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的加快，對(duì)IGBT、換流變壓器、直流避雷器、橋臂電抗器等電力電子器件的需求也會(huì)進(jìn)一步提升。
