清潔能源大規(guī)模輸送是新型電力系統(tǒng)要解決的首要問題

我國清潔能源分布和用電需求存在“胡煥庸線”。由于氣候、生產(chǎn)力發(fā)展以及歷史政治經(jīng)濟(jì)等因素，我國區(qū)域間的經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡。1935年提出的“胡煥庸線”（又稱黑河—騰沖線）就是這一現(xiàn)象的典型描述：胡煥庸線以東地區(qū)以約36%的國土面積，占據(jù)了我國95%以上的人口（20世紀(jì)30年代當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)）。而我國清潔能源分布和用電需求也存在“胡煥庸線”。胡煥庸線以東消費(fèi)了86.5%的電量，以西則僅消費(fèi)了13.5%，但是在清潔能源分布上，從我國風(fēng)資源和光資源分布可以看出，胡煥庸線以西則遠(yuǎn)高于胡煥庸線以東。除了海上風(fēng)電資源外，其余風(fēng)光優(yōu)質(zhì)資源均遠(yuǎn)離負(fù)荷密集區(qū)，有巨大的電力調(diào)配需求。

海上風(fēng)電是沿海重要的清潔能源，遠(yuǎn)海化、大型化是大勢(shì)所趨。我國海上風(fēng)電發(fā)展速度較快，2020年我國海上風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)3.1GW，超過歐洲首次成為全球最大的海上風(fēng)電市場(chǎng)，新增裝機(jī)容量超過全球的一半。2021年我國海上風(fēng)電新增裝機(jī)16.9GW，創(chuàng)歷史新高，但隨著2022年海上風(fēng)電國家補(bǔ)貼退出，海上風(fēng)電進(jìn)入平價(jià)時(shí)代，裝機(jī)量將回到正常水平。海上風(fēng)電靠近負(fù)荷中心，利于消納，且海上風(fēng)電出力相對(duì)穩(wěn)定，利用小時(shí)數(shù)高，是沿海地區(qū)最佳的清潔能源。根據(jù)廣東、江蘇等地的海上風(fēng)電規(guī)劃，結(jié)合國外海上風(fēng)電發(fā)展趨勢(shì)，深遠(yuǎn)海、大型化是大勢(shì)所趨。

特高壓直流是跨區(qū)大規(guī)模輸電最佳解決方案

特高壓包括特高壓交流和特高壓直流輸電。特高壓交流指電壓等級(jí)1000kV 的交流輸電項(xiàng)目，特高壓直流指電壓等級(jí)±800kV及以上的直流輸電項(xiàng)目，兩者的技術(shù)原理和發(fā)展邏輯則截然不同。特高壓直流是典型的點(diǎn)對(duì)網(wǎng)輸電項(xiàng)目，其基本原理是采用換流閥將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，輸送至目的地后再將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，再接入交流電網(wǎng)，主要目的是輸送電能。交流特高壓除了輸送電能外，還有承擔(dān)改善電網(wǎng)架構(gòu)，增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性的作用。直流輸電技術(shù)是基于電力電子技術(shù)的輸電技術(shù)。交流輸電由于具有拓?fù)浜?jiǎn)單、變壓容易、設(shè)備造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)，成為了全球各國最普遍采用的輸電技術(shù)，至今仍然是構(gòu)成我國電網(wǎng)最重要的組成部分。直流輸電技術(shù)則是伴隨著電力電子技術(shù)的誕生而發(fā)展出的技術(shù)路線。

根據(jù)其采用的電力電子器件和功能的不同，可分為常規(guī)直流（LCC）和柔性直流（VSC） 兩種路線：

（1）常規(guī)直流（LCC）是以晶閘管等半控型電力電子元件為換流閥核心器件的直流輸電技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是輸送容量大、造價(jià)便宜，但是需要較強(qiáng)的交流電網(wǎng)支撐。諧波量大，需要從電網(wǎng)中吸收無功，因此要配置大量的直流濾波和交流濾波設(shè)備。

（2）柔性直流（VSC）是以 IGBT 等全控型電力電子原件為換流閥核心器件的直流輸電技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是可以通過模塊化多電平技術(shù)形成非常接近標(biāo)準(zhǔn)正弦波的交流電，且有功和無功可以分別獨(dú)立調(diào)節(jié)，不需要濾波設(shè)備，也不需要交流電網(wǎng)支撐。缺點(diǎn)是造價(jià)較高，且輸送容量較小。

從遠(yuǎn)距離輸電的角度，直流特高壓比交流特高壓有明顯優(yōu)勢(shì)：我國電網(wǎng)分區(qū)運(yùn)行的大格局不會(huì)改變。我國電網(wǎng)運(yùn)營由國家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司和內(nèi)蒙古電力公司三家主要運(yùn)營商承擔(dān)，分別負(fù)責(zé)不同的區(qū)域，共分為東北電網(wǎng)、華北電網(wǎng)、華中電網(wǎng)、華東電網(wǎng)、西北電網(wǎng)、西南電網(wǎng)、南方電網(wǎng)等7個(gè)區(qū)域同步電網(wǎng)，各個(gè)區(qū)域電網(wǎng)之間僅有較弱的聯(lián)系，絕大多數(shù)電力生產(chǎn)和消納均在區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生。

根據(jù)中電聯(lián)數(shù)據(jù)，2021年全國跨區(qū)送電電量6876億千瓦時(shí)，僅占全社會(huì)用電量的約8.3%，各區(qū)域之間聯(lián)系較薄弱。擴(kuò)大交流電網(wǎng)可能導(dǎo)致電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)不降反升，根據(jù)2018年中國工程院《我國未來電網(wǎng)格局研究（2020 年）咨詢意見》，應(yīng)繼續(xù)堅(jiān)持以六大區(qū)域電網(wǎng)為主體的結(jié)構(gòu)（2019 年渝鄂工程投運(yùn)后西南電網(wǎng)和華中電網(wǎng)解列）。因此交流特高壓無法跨區(qū)輸電，僅在特定情況下可以發(fā)揮作用，如同一電網(wǎng)內(nèi)既存在優(yōu)質(zhì)風(fēng)光資源又有大量用電需求，同時(shí)兩者距離較遠(yuǎn)。

直流輸電是最佳的區(qū)域電網(wǎng)連接方式。但是，由于各地資源稟賦差異，我國對(duì)跨區(qū)輸電又有比較大的需求，直流輸電具有以下三大優(yōu)點(diǎn)，使其成為了解決跨區(qū)輸電的最佳解決方案：

（1）直流輸電在遠(yuǎn)距離輸電上具有突出的經(jīng)濟(jì)性。直流換流站造價(jià)比交流變電站更高，但由于直流輸電不存在集膚效應(yīng)和充電功率，對(duì)輸電線路的利用率更高，因此當(dāng)輸電距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，其經(jīng)濟(jì)性就會(huì)反超交流輸電。

（2）可以用于非同步電網(wǎng)互聯(lián)。交流電網(wǎng)互聯(lián)要求整個(gè)電網(wǎng)頻率一致，因此無法用于非同步電網(wǎng)互聯(lián)。直流輸電則先將交流電整流為直流電再逆變?yōu)榻涣?，可以?yīng)用于非同步電網(wǎng)互聯(lián)。

（3）有利于電網(wǎng)事故隔離，不擴(kuò)大電網(wǎng)事故風(fēng)險(xiǎn)。采用特高壓直流輸電，可以將其視為受端電網(wǎng)的一個(gè)遠(yuǎn)距離可控電源，兩端的電網(wǎng)并不耦合，可以隔離兩端電網(wǎng)。在發(fā)生電網(wǎng)嚴(yán)重事故時(shí)特高壓直流可以隔離事故，不擴(kuò)大電網(wǎng)事故風(fēng)險(xiǎn)。特高壓交流另一典型應(yīng)用場(chǎng)景是加強(qiáng)電網(wǎng)。隨著我國大規(guī)模的直流輸電輸入華北、華東、華中以及西南等地，交流電網(wǎng)的堅(jiān)強(qiáng)度決定了整個(gè)電力系統(tǒng)的安全性，交流特高壓的需求隨之上升。

柔性直流在新型電力系統(tǒng)中的重要作用

柔性直流特別適合遠(yuǎn)海大型海上風(fēng)電送出。目前主流的海上風(fēng)電送出方式是高壓交流輸電，即將海上風(fēng)機(jī)接入海上升壓站，升壓至220kV或更高電壓等級(jí)后送至陸上電網(wǎng)。直流輸電由于沒有充電功率，海底電纜的投資和輸電效率相比于交流輸電都更優(yōu)，通常來說當(dāng)輸電距離大于約80km后，直流輸電經(jīng)濟(jì)性就會(huì)超過交流輸電。此外，由于常規(guī)直流需要較強(qiáng)的交流電網(wǎng)支撐，而海上風(fēng)場(chǎng)是由風(fēng)機(jī)構(gòu)成的弱交流系統(tǒng)，無法滿足常規(guī)直流的送電需求，因此柔性直流成為唯一經(jīng)濟(jì)且可行的方案。LCC-VSC 混合技術(shù)路線有效解決直流落點(diǎn)密集區(qū)域的特高壓直流換相失敗問題。經(jīng)過數(shù)十年的建設(shè)，我國已經(jīng)建成了32條以遠(yuǎn)距離輸電為主要功能的直流輸電工程，其中落點(diǎn)在長(zhǎng)三角或廣東省的工程均超過10條，密集的落點(diǎn)導(dǎo)致兩地直流輸電換相失敗風(fēng)險(xiǎn)升高，電網(wǎng)事故隱患增加。柔性直流可以獨(dú)立支撐電壓，沒有換相失敗風(fēng)險(xiǎn)，是向上述兩地繼續(xù)饋入直流的最佳解決方案。目前南網(wǎng)已經(jīng)建成烏東德直流輸電工程，國網(wǎng)也在建白鶴灘—江蘇特高壓直流輸電工程，都應(yīng)用了柔性直流技術(shù)。但兩個(gè)工程的技術(shù)方案有所不同。

柔性直流互聯(lián)增加電網(wǎng)互濟(jì)能力，提高供電可靠性和效率。我國區(qū)域電網(wǎng)間除了用遠(yuǎn)距離常規(guī)輸電方案外，也可以在區(qū)域電網(wǎng)交接處采用背靠背柔性直流路線進(jìn)行互聯(lián)。所謂背靠背柔性直流，即將整流站和逆變站合在一起建設(shè)，沒有直流線路。采用背靠背柔性直流技術(shù)，可以提高區(qū)域電網(wǎng)間的功率互濟(jì)能力，且不擴(kuò)大電網(wǎng)事故范圍。此外，我國廣東、江蘇等地500kV電網(wǎng)已經(jīng)非常龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、短路電流超標(biāo)問題突出，在其中加入背靠背柔性直流將電網(wǎng)“解開”，也可以有效解決上述問題。渝鄂背靠背工程和在建的閩粵聯(lián)網(wǎng)工程，都是柔直背靠背工程的典型應(yīng)用。