覆盖全球的超级电网：将区域电网互连，实现跨洲电力交换

连接法国与西班牙：法国与西班牙之间建成的HVDC输电线路使两国之间的电量交换增加了一倍。此处所示的换流站位于线路两端，可以将高压交流电转换为直流电，或者将直流电转回交流电。

有关房主和商家纷纷脱离电网转而自己发电、储电的报道比比皆是。在电费极高或服务不均衡的地区，放弃使用电网可以理解，但是对于其他地区，反其道而行之反而更为明智：将区域电网互连，形成覆盖全球的超级电网。基于目前电网遭受的若干压力，这个想法颇具吸引力：在快速发展的大城市，能源需求猛增；无碳间歇性风能和太阳能发电逐步普及和发展；确保电网免受电子和物理攻击的需求大大提高。电网规模越小、越孤立，维持电力供需之间的瞬时平衡就越困难。

目前，能够实现远距离大规模电力输送且无显著损耗的技术已经存在，因此运营商们完全可以在整个大洲甚至是全球平衡电力供需。如果某个国家发生停电，线路电压和频率的突变将会开启数千里之外的发电机来弥补电力的不足；如果主要依靠风电的地区风力衰退，邻近地区可以迅速助以一臂之力；如果某个地区发生强降雨，水电站大坝可留存能量，在需要时输送到其他地区。有了超级电网，就可确保所有或几乎所有电力都能物尽其用，有效避免一些导致浪费的做法，例如付钱给风力发电厂，让其减少发电量，甚至释放多余电量。（当然，存储多余能量也有助于避免出现这样的问题，但大规模经济型储能尚未普及。）

一般来说，有了全球超级电网，发电站就可以远离居民区。例如，澳大利亚达尔文市南部的开阔区域人烟稀少，且是世界上阳光最充沛的地区之一。据估计，在那里建造一个养殖场大小的太阳能电站就可满足整个国家的电力需求。通过连接东南亚的海底电缆，电力还可以被送往印尼、巴布亚新几内亚、新加坡等国。有了超级电网，运营商还能大幅缩减其空转备用（需求提升时可以利用的备用容量，但实际中很少使用）。

那么建设全球超级电网需要开展哪些工作呢？在技术层面，这取决于覆盖全球的高压直流（HVDC）输电系统网络，其中大部分组件已经存在。此外，区域电网运营商们需要就这类网络的付费方式达成一致，制定交易规则，规定技术规范和标准，确保超级电网安全、可靠、平稳地运行。

全球超级电网的渊源可以追溯到电力行业刚起步的阶段，当时两位天才发明家——托马斯•爱迪生和尼古拉•特斯拉——展开了一场“电流大战”。1882年爱迪生展示了第一个商用直流电站。但之后，特斯拉发明的交流电一统天下。

1895年，特斯拉实现了利用尼亚加拉大瀑布发电的梦想，在随后的几年内，产生的电力向700公里外的纽约市供电，证实了交流系统的优越性。进入20世纪后，世界上的动力系统都开始使用交流电。

交流电战胜直流电的关键是其能够利用磁感应增大电压，从而以较低的电流实现远距离电力输送，最大限度地减少电阻造成的损耗；到达目的地后再降压进行本地配电。在当时，直流电无法实现这一点。但电力工程师也认识到，在执行相同的电力输送任务时，在较高电压下工作的直流系统将优于交流系统，因为直流传输中的电力损耗远远低于交流系统。

那么低多少呢？如果通过HVDC系统传输给定电量，若将电压加倍，那么需要的电流仅为相应交流系统的一半，可将线路损耗减少四分之三。所需的导线也将大幅减少，因为直流电流可渗透电力线的整个导体，而交流电流大多集中在导线表面。换句话说，对于相同的导线截面，交流电遇到的有效电阻较大，以热量形式损失的电量更多。那么这就意味着交流输电所需的基础设施远远超过直流电。例如，利用765千伏交流系统传输6000兆瓦电功率，需要3条单回路输电线路穿过180米宽的线路走廊；而800千伏直流系统的线路走廊宽度只需80米。

通过HVDC，不同频率的电网之间可以轻松进行电力传输。HVDC换流器、电缆、断路器和其他组件比交流电相关组件贵，因此对500公里或更远的距离使用HVDC才具有经济意义。但随着直流组件成本的下降，这一临界距离也在不断减小。

认识到这些优势，在整个20世纪，电力工程师的焦点一直放在直流输电技术上。长久以来，HVDC的关键点是安装在HVDC线路任意一端的换流器。换流器用于将高压交流电转换为高压直流电，或者将直流电转回交流电。在20世纪60年代，人们主要利用汞弧阀换流。汞弧阀实际是只能开不能关的电子开关，功能有限，并会造成电力的大量损耗。

20世纪70年代，直流技术得到进一步发展。人们开发出水冷晶闸管，一种巨大的可以开关的固态开关。1978年，这一开关首次被用于纳尔逊河的HVDC输电系统中，这一输电系统将电力从加拿大马尼托巴省北部的水力发电站传输至人口稠密的南部地区。

自那以后，HVDC虽然在北美应用较少，但已开始在世界其他地区（主要是巴西、中国、印度和西欧）出现。从20世纪90年代末开始，HVDC的配置依赖于绝缘栅双极晶体管（IGBT）——一种每个周期可多次开关的专用晶体管。最新IGBT的开关速度不到十亿分之一秒。

现在的HVDC换流器称为电压源换流器（VSC）。虽然较高电压、较大容量的电力传输仍使用传统的换流器，但VSC有助于将HVDC线路整合到现有网络中。1997年3月，在瑞典赫尔斯杨和格兰斯堡之间，基于VSC的3兆瓦/10千伏的HVDC系统成功运行。5年后，在纽约与康涅狄格之间长岛海湾的跨海输电工程中，VSC首次得以大规模部署。该项目功率较高，为330兆瓦，但换流损耗也很高，为2.5%。利用最新的VSC，这种损耗已经降到1%。

此外, 沿一条HVDC输电线路建立多个换流站的设想已经成为可能。工程师们可以在中间点而不是只能在一端接入线路。超越点到点限制的HVDC输电系统可将输电线路连接成网，虽然结构更加复杂，但更稳健。

全球超级电网还需要哪些技术？当务之急就是开发出可应对60千安以上的短路电流并能在几毫秒内对检测到的故障作出反应的大容量快速断路器。几年前，瑞士ABB公司宣布混合动力机电断路器已取得一定进展。2015年早些时候，西门子公司宣布已在中国溪洛渡-金华（四川-浙江）HVDC输电系统上成功测试5千安断路器。阿尔斯通公司亦公布了这个范围内的断路器原型。但要降低这些设备的成本和尺寸并提高其性能，还需要开展大量的工作。

从长远来看，由高温超导材料代替铜或铝制成的电缆可大大加快全球超级电网的部署。因为这些材料可传输大量电流，且基本无能量损失。尽管需要冷却至液氮温度（低于77开尔文），但制冷和由其他因素造成的损耗却不到传统交流和直流高架输电线消耗量的一半。超导直流电缆所需的线路走廊也比传统电缆HVDC窄。若干项目已经证明了超导电缆在短距离上的优势，如韩国济州岛部署的500米/80千伏直流线路。但目前其成本仍远远高于传统电缆。

另一个前景看好的领域是利用硅以外的材料制造先进的电力电子系统。硅元素储量丰富、成本低、加工简单，可在室温下操作，所以是电力和其他半导体器件的首选材料，但研究表明，碳化硅和氮化镓等新材料也有望用于制作HVDC网络所需的功率开关。与标准硅器件相比，这些宽带隙半导体可在较高温度下运行，可以以较低的电阻承受较高的电压或电流。如果能实现商业化，那么宽带隙装置将既有助于降低成本，又可加强HVDC换流器的功能。

那么建设全球超级电网应从哪里着手呢？第一个选择就是中国，它是目前世界上电网技术（特别是HVDC技术）开发和部署的先锋。中国已开始开发利用北部巨大的太阳能和风能资源以及南部大量的水电储能。为了将约1300千兆瓦电量输送到东部和南部的人口和工业中心，中国已经建成了世界上最大的高压交流和直流输电网，并计划在未来几年内再建成13到20条特高压直流输电线路（800至1100千伏）。为此中国投入了巨资：2014年在这类项目上投入了650亿美元，预计未来几年，此类项目的投入还将维持在这一水平。据国际能源机构估计，到2040年中国还需投入4万亿美元以上的资金，才能将输电配电模式改造完成。

中国电力科学研究院可再生能源和智能电网技术副院长姚良忠称，他的研究小组还在研究将中国与欧洲、中东及北非相连接的洲际输电网的可行性。

另一个可选的地点是欧洲。自2008年以来欧盟委员会一直在呼吁建设泛欧超级电网。泛欧超级电网的规划由代表34个欧洲国家41家输电系统运营商的欧洲电网运营商联盟（ENTSO-E）牵头。

泛欧超级电网的总体规划是建立HVDC电网，将这些欧洲国家与周边地区连接起来，包括哈萨克斯坦、北非和土耳其。德国卡塞尔大学的格雷戈尔•泽什（Gregor Czish）进行的一项研究表明，有了这样的电网，风电可以在很大程度上满足欧洲的能源需求，只需少量的生物质能发电作为补充。一个名为超级电网联盟的行业组织一直在呼吁发展相关的技术、推进管理和融资，从而推动这一宏伟计划的实现。

如今，欧洲一些主要的HVDC互连工程业已完成或取得重要的阶段性胜利，其中一项是连接德国能源丰富的北部与能源匮乏的南部地区的百亿欧元项目，还有两个是连接德国与挪威以及挪威与丹麦的项目，此外法国与西班牙之间的HVDC电网也刚刚建成。

当然，全球超级电网还需要建设更多的基础设施：根据规划的项目和部分地区的冗余假设，我估计还需要约10万公里HVDC输电线路和115个换流站。其中一些换流站是“超级换流站”，就像新墨西哥Tres Amigas项目开发商所设想的那种。Tres Amigas项目计划连接北美3个主要电网（西部、东部和德州电网），并提供能量储存。要将大型的区域电网连接起来，全球电网需要类似的设施。

迄今为止，全球超级电网所面临的最大难题是费用如何结算。很难为如此庞大和复杂的项目确定一个固定的数字，但支持者指出，这种电网将物超所值。斯派罗斯•察泽瓦斯雷迪斯（SpyrosChatzivasileiadis）、达米安•厄恩斯特（Damien Ernst）和格兰•安德森（Göran Andersson）在2013年《可再生能源》杂志上发表的一篇论文中分析了以往有关超级电网的研究以及已完成的相关项目，并且估算出建设5500公里长（约为连接纽约市与葡萄牙波尔图的距离）、800千伏/3千兆瓦的海底HVDC电缆所需的资金投入。（目前，800千伏远远超出了现有海底电缆的经济性范围。）作者的结论是，仅电缆就需每公里115万至180万欧元，每个换流站耗资约3亿欧元。假设热损耗为3%，使用寿命为40年，研究人员估计，输电成本为每千瓦时0.0166至0.0251欧元（0.0189美元至0.0286美元）；相应地，美国居民用户的成本约为每千瓦时0.011美元，这一数字包括输电费用但不包括发电费用。HVDC超级电网的电价肯定会比今天的价格低得多，因为电力来自价格最低的能源。

规划并融资建设全球超级电网的国家需就可再生能源（亦包括核能）达成国际共识。如果能就温室气体排放征税达成全球协议，从而为向无碳能源的过渡提供经济上的激励，可以加速这一共识的形成。全球超级电网第一阶段的发展需要政府的资金支持，而初步设施到位后，可以通过征收碳排放税推动私营部门融资。

除融资外，政府和电网运营商还需要就电力自由贸易规则达成一致。通过批发市场进行电力交易（可能分区进行）有助于实现全球超级电网的高效电力流通。

此外还需要协同规划，将现有电网和规划的区域超级电网连接起来。如前所述，中国和欧洲都在规划自己的HVDC网络。但在美国，输电规划基本仍属于各州事务，部分原因是土地使用和投资者所有的公用事业都由各州控制和管理。在何处建立超级电网连接点、如何配置HVDC电网、使用多大电压、是否以及何时使用高架或海底系统等技术和运筹决策都需要敲定。

最后（但并非最不重要）的一点是，各方需就相关技术规范达成一致，确定每条输电线路、换流站和发电机的参数，以确保全球超级电网安全、可靠、稳定地运行。

全球超级电网耗资巨大，需要几十年的时间才能建成。不过国际运输和电信部门已有这样的先例，并且另一个选择——继续依赖矿物燃料的、低效的、分离的电网则成本更高。

作者：Clark W. Gellings