2014年3月31日，《2014全球智能电网建设分布式能源及技术储备展览会暨高峰论坛》在国家会议中心举行，在下午举行的主题为“智能变配电与电能测量管理”的演讲环节。北极星电力网整理 国网智能电网研究院总工曹均正博士的演讲。全文如下：

 

　　曹均正：我是智能电网研究院底下一个工程公司的总工，今天我介绍的内容是直流电网及其关键技术，在这个地方我重点围绕直流输电网、直流配电网和相关的一套内容，我的重点是直流输电网。

 

　　内容分几个方面，第一个方面是现有电网面临的挑战是什么，第二个是关于我们国家在直流输电方面的一些规划和工程建设，然后是欧洲、美国在直流输电方面的工程和规划。然后是直流输电相关的一些关键技术，在这个关键技术里面，我重点讲的输电领域里面用的一次设备还有很多二次设备，控制系统没有在这里提，因为时间的关系。

 

　　第一个挑战是关于能源的不断增加，从这个曲线看到，1980年预测到2030年，原始能源不断地增加，其中能源增加在50%的数量级。同时在整个能源里面，我们可以从底下两个度看到电力在能源里面占的比例增加的更快，其中在1973年的时候，电占整个能源的9%，2005年占到16%，我相信到今天会更高。

 

　　第二个挑战就是可再生能源，大家知道环保的需求，全世界对可再生能源的接入要求比较高，其中在这个地方你可以看到对欧洲在2012年总的能源里面，非化石能源占的比例达到46%，在这个里面其中风能和水电能分别占10%和15%，太阳能占到3%。在这一年新建的装机容量里面，太阳能增加到22%，其中风能增加到17%。关于我们国家在2012年总的装机能量非化石能源占到27%，其中主要的是水电占22%，峰巅占3.2%，太阳能占0.1%，在这一年新建的装机容量里面，太阳能占到1%，其中风电占到了15%，水电占到18%。同时在整个电力需求不断增加的同时，大家对二氧化碳的排放量又有一个比较苛刻的要求，尤其在哥本哈根召开的世界全球大会上，对每个国家的二氧化碳的排放量都做出了一个明显的规定。我们国家要求到2020年的时候，二氧化碳的排放量每一个GDP比2005年低40%到45%。在整个电力发展同时，保证技术不断推进，二氧化碳的排放量要逐渐地降下来。

 

　　另外一个挑战是整个输配电系统的效率问题，这个地方给的例子是关于苏格兰在2005年整个能源的缓解效率，包括了煤炭、可再生能源和核电、天然气。从这个图你如果推导下来，你会发现其中三分之二的能量损失在两个输电和配电系统里面，真正用户得到的这样一个资源只是三分之一的原始资源。所以说这个效率实际上是非常低的，同时从这个图中也可以看到在配电系统里面，损耗基本上占到了电力的7%到16%的比例。当然，各个国家会不一样，我们国家大概在红线的数量级上，在整个欧洲实际上是最低的。

 

　　下面简单介绍我们国家关于直流输电方面的规划和工程，这个地方是一张图，是白先生在电力系统专委会上做的介绍，他里面用了这张图，我把他采下来了，在2010年到2030年我们国家主要国家电网电力规划基本上是这样的，其中水电重点开发的是四川和云南，逐渐的大规模的发展到西藏这些地方。但是水电的比例你可以看到从2000年到2030年20年的时间基本上翻一番。核能刚开始重点开发沿海地区的核电站建设，逐渐的到内陆，整个的比例差不多是4倍的关系，要增加4倍。其中风能刚开始重点是三北地区，沿海、内陆同时实现海上风电接入问题。到后面的时候，会全面的推进海上，尤其是远海地区风厂的建设，到这个时候直流输电技术应用会全面推开。

 

　　在太阳能方面，从刚开始这样一个大光伏电站、分布式电源到最后的一个重点太阳能发电站的建设，整个增加的规模你可以看到差不多是10倍的关系。所以说在整个这样一个绿色能源建设里面，今后20年的增加比例是非常大的。这个地方就是国网公司关于直流电网方面的规划，国网公司规划到2020年以前建28条直流输电工程，包括高压和超高压直流输电，其中在2015年，实际上也就是今明两天甚至三年的时间内建15条，现在剩6条建设，加起来总共要建15条，总投资大概是250亿人民币。这张图是周院士的建议，建议在我们西北地区建立一个直流电网，建立这样的直流电网的目的一个是提高它的输送能力，第二个就是说增加可再生能源的接入能力，因为直流有这样一个特点。

 

　　另外一个是降低输电走廊的使用，考虑到西北地区的人员居住比较分散，通过直流可以把电很经济的送到比较分散的居住区域里面去，还有这么一个特点，这个是一个建议，还没有真正的规划。

 

　　在我们国家关于柔性直流方面的工程和规划，我在这个地方也给出来了。在我们国家最早的柔性直流工程是上海南汇，是正负30千伏，18MW的工程，2011年投入。

 

　　第二个是南澳工程，正负160，35MW，去年12月份投运的。

 

　　正在建设的工程是舟山，电压等级200千伏，容量1000兆瓦，今年年底投运。

 

　　还有一个厦门，电压等级320千伏，容量一千兆瓦，计划是明年年底。

 

　　所以说这是我们国家关于柔性直流输电方面的一些规划，当然这个只是一部分，还有南网的规划我没有罗列出来。

 

　　关于欧洲方面，总的提出了它的这样一个电网发展规划，把它定义为超级电网。它这个建议实际上是在2008年提出来的，总的目的是实现三个20，第一个20是二氧化碳排放量降20%。第二个是能源的使用率提升20%，第三个是可再生能源的使用增加20%，总的是这样一个目的。它把欧洲和北非这些电网连在一块，同时还有一个，使得这些国家之间很容易实现电力交易，根据各自的电价实现这样一个电力交易。总的目的就是说把北非地方的太阳能和北海地方的风能连起来，把这些电送到欧洲，因为欧洲整个的资源欠缺，使用的电量要求很多。

 

　　同时，这个地方是英国关于风电厂建设的一些规划，从这个地方来看，整个可以说是苏格兰、英格兰、威尔斯分别计划建这么多海上的风电。总的计算会发现海上风电的工程，基本上是29个工程。当然这个地方有的是近海的，有的是远海的，远海的基本上用直流输电技术，近海基本上交流输电就可以解决了。同时在爱尔兰计划建设风电厂，通过直流输电送到英国，英国是一个用户大国，想通过海底电缆送到英国。

 

　　这个地方是英国和挪威的联网工程，基本上在海上建了很多风电厂，分阶段性把海上风电厂连起来，整个规划分了四个阶段，第一个阶段是实现点对点的连接，第二个阶段基本上实现发散的网络。部分的使用直流断路器的技术，在第三个阶段是部分的实行这样一个网络，形成环网，利用直流断路器，无电流开断。

 

　　第四个阶段基本上形成全面的直流网络，普遍的使用直流断路器和直流变压器，因为在分阶段的过程中，你会发现直流工程的电压等级可能会不一样，所以将来不同的电压等级电在一块使用直流变压器。

 

　　这个地方是关于德国海上风电的开发规划，德国大概在这个位置。丹麦在这个位置，荷兰在这个位置，这个地方是海湾，德国计划在这个地方建很多海上风电厂，通过直流输电工程把海上风电送到德国本土。德国采取的措施已经把这个规范化了，一个是直流工程的容量是九百兆瓦，建很多九百兆瓦的工程送到里面。总装机容量是这么多，现在整个的工程里面已经运行了有三个，正在建设的有八个，计划投标的有五个。

 

　　整个电从海上送到陆上以后，想办法从德国的北部送到南部。德国重工业用电区在南部，想办法要送过来。基本上采取的措施是这样的，在现有的输电走廊上计划建2800公里的新交流输电线路，同时又对现有的输电走廊的交流线路技术升级改造的大概是1300公里，同时在建300公里的直流线路。它建的直流线路容量也是一样，基本上是九百兆瓦一个，建很多。这个地方也考虑可靠性的问题，同时在这个基础上，德国还计划扩展它的输电走廊，建两种类型的新输电走廊，德国这样的一个规划非常宏伟。

 

　　关于美国大概是这样的，美国当前面临这么几个问题，一个是可靠性，一个是电力系统设备的老化，一个是可再生能源利用非常低。美国怎么处理呢？计划投资120亿美元，建相关输电站，通过一些工程以后，计划把可再生能源的使用提升80%，到2035年的时候。在这一页上可以看到美国的一些规划工程，从这个地方可以看出它的工程集中在西部、中部和东部，大概是这么多。大概有十几个工程，总的容量大概是35个，如果计划一个工程的容量是一千兆瓦的话，要建35个直流输电工程，规模也是非常宏伟的。

 

　　下面简单的介绍一下直流输电的关键技术，我开始讲的重点集中在直流输电的一次设备，关于控制保护、检测技术这些东西不在这个地方介绍。其中关于直流输电的第一个设备就是换流设备，大家知道现在我们交流网络基本上是交流的，你要实现直流输电首先面临的问题把交流转换成直流，直流转换成交流，所以说直流换流设备是第一个，我们国家做的非常好，现在做到1100千伏，基本上从设备角度上来说已经能达到了，容量达到6250A，国网要建立这个工程把新疆的电送到内地来，这样一个关键技术在这个地方可以使用了。

 

　　关于我们国家还有印度，实际上已经有了八百千伏的直流输电工程，同时在巴西已经规划八百千伏的工程，这个工程估计国网公司会把它拿下来。除了这个计划特别适合于远距离特高压直流输电，还有一个技术特别适用于中距离，就是常说的柔性直流技术。关于柔性直流输电换流阀有不同的技术方案，最早是PWM方案，由ABB提出来，有它一系列的缺点，没有广泛的推广使用，容量也做不上去，后面出现MMC多变频，最早由西门子提出来，后来由国家国网公司智能电网研究院做了相应的技术研发，现在也具备这样的技术。直到现在，世界上关键的有几家，国内还有许继，南瑞也相应的做出来了。

 

　　从全球来讲，实际上可以做到五百千伏了，换流设备不是关键，关键的关键是直流电缆。容量实际上可以做到两千兆瓦了，所以就是说很可能在今后的几年，大家看到这样一个技术逐渐的在特高压或者直流输电里面比较广泛的适用。

 

　　另外一个是直流断路器，很多人都看到大概在去年的时候，ABB号称他们解决了百年难题，直流很大的一个特点电流不过零，常规的断路器断不了，ABB采用了一个混合式的，机械和电子结合在一块解决了这个问题，号称是百年难题。紧接着国家电网公司智能电网研究院也是在国网项目的支撑下做这个研发工作，计划在今年年底，明年年初的时候出来，容量基本上两百千伏，故障电流开断能力10KA，围绕舟山来做的，希望在舟山工程上做示范应用。

 

　　然后是直流变压器，刚才我也提到这个问题，将来大家可以想象，我们的直流工程有不同的电压等级，这些不同电压等级的这样一些线路、网络都要连在一块，需要和交流变压器等效的东西是直流变压器，实际上到现在还没有真正的商业可使用的产品出来，只是一些单位陆陆续续报道了科研阳极的研制。因为直流变压器的要求比较特殊，对于辨别要使用电压比较宽的要求，现在常规的直流输电可以到八百千伏，柔性直流有的只有几十千伏，八百和五十连在一块你想辨别要多大？这个是很大的挑战。

 

　　另外，能够适用于常规直流、柔性直流、PWBM和不同的工程连在一块。能量要双向流动，有一些这样的特殊需求，这样一个技术是非常挑战的，现在国外几个大公司，ABB等都在研发，我们国内也在研发，包括我们也在研发一个样机，基本上是电压等级比较低，10KV到20KV，实验室的样机。样机必须能扩展，将来适用于更高等级的设备上面。

 

　　另外一个海上风电的接入，在国际上已经普遍普及了，尤其在欧洲的英国、德国大面积的开展这方面的工程建设，我们国家在这个方面几乎没有起步。但是这方面有一些问题，我希望我们国家能够提前重视起来，一个就是平台，这个地方没有平台，平台在海上建设以后，平台的安装，一些运输问题都是将来面临的问题，现在在欧洲建设海上风厂的时候面临的挑战，全世界能做到只有粮价船舶公司，这个船提前两年预订。况且发生海上大风大浪的事情以后，经常会延误，是一个很头疼的问题。

 

　　另外一个是海水的使用，将来海上平台上有很多电力电子设备，这些设备如果我们在海上装了，充分利用海水进行冷却，现在这种技术没有。海上特殊的环境，包括盐水、风浪，包括海床的流动在我们国家研究的非常少。

 

　　还有一个很大问题是海底电缆，现在全球真正可供直流输电用的海底电缆就三家，都在欧洲。这三家电缆的供货时间都是超前一两年，你做一个工程电缆两年以后供货，在我们国家这样一个节奏情况下，根本满足不了要求。这个电缆对我们将来建立海上直流输电工程来说，是一个很大的瓶颈。

 

　　我介绍的就这么多，结论是常规直流输电主要用于特高压远距离的输电，柔性直流输电用于基本上的几百公里、可再生能源接入的应用环境。还有一个是随着电力电子技术的发展，柔性技术发展在今后的几年内要替代常规直流输电，这个技术发展非常快。将来的电网是一个什么情况呢？预计是交直流混合存在的电网，我们既能看到直流，也能看到交流，能在协调的这样一个系统下工作，这是我的一个见解，不一定正确，谢谢！