關(guān)于交流1000kv電網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟性的思考

關(guān)于交流1000kv電網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟性的思考

0“三網(wǎng)”全國聯(lián)網(wǎng)2005年6月，在北京舉辦的全國高壓供電技術(shù)研討會上，提出了建立1000kv全國供電網(wǎng)絡(luò)的計劃。1000kv網(wǎng)絡(luò)覆蓋層覆蓋上海、廣東、西邊云貴和東北部黑龍江省，利用1000kv網(wǎng)絡(luò)連接全國各地。后來,方案又改為華北、華中和華東1000kV聯(lián)網(wǎng)。但是,全國聯(lián)網(wǎng)是為了進(jìn)行全國能源優(yōu)化,手段包括“西電東送”和“煤電遠(yuǎn)送”。遠(yuǎn)距離輸電已有先例,如三峽送出采用直流輸電遠(yuǎn)比交流輸電安全、經(jīng)濟。所以,1000kV全國聯(lián)網(wǎng)只能是達(dá)到“煤電遠(yuǎn)送”的目的。然而,保持目前“北煤南運”方針遠(yuǎn)比“煤電遠(yuǎn)送”更為安全、經(jīng)濟、環(huán)保。筆者建議按現(xiàn)行穩(wěn)定導(dǎo)則分層分區(qū)原則和發(fā)展趨勢,運用既不受穩(wěn)定影響又直接控制電力潮流的直流輸電實現(xiàn)“直流遠(yuǎn)送/穩(wěn)控互聯(lián)各大區(qū)強化的同步網(wǎng)”,同樣可以實現(xiàn)大容量電力遠(yuǎn)送,靈活發(fā)揮聯(lián)網(wǎng)效益,可確保全國電網(wǎng)安全穩(wěn)定、運行靈活可靠、經(jīng)濟有效的優(yōu)越性。1安全穩(wěn)定導(dǎo)則下多系統(tǒng)間聯(lián)合開發(fā)帶來的問題中國電網(wǎng)發(fā)展起步較晚,20世紀(jì)70年代末電力部組成工作組分析了國內(nèi)外事故,特別是世界大停電事故(包括1965年紐約大停電),并研究了解決方法。a.一是抓電網(wǎng)穩(wěn)定和結(jié)構(gòu):1981年在大連召開的全國電網(wǎng)穩(wěn)定會議頒布了電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則;1984年電力部又頒布了電力系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則。b.二是抓繼電保護(hù):全國實行“四統(tǒng)一”,發(fā)展全新保護(hù)設(shè)備全國使用,效果顯著。結(jié)果是大幅降低了電網(wǎng)失穩(wěn)事故,即使一旦發(fā)生失步振蕩也會很快恢復(fù)同步運行,不致發(fā)生大面積的停電事故。20多年來,各大區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)按照原穩(wěn)定和技術(shù)導(dǎo)則的分層分區(qū)原則發(fā)展,奠定了安全穩(wěn)定基礎(chǔ)。其與歐美電網(wǎng)結(jié)構(gòu)有顯著不同:明確劃分各自獨立的大區(qū)電網(wǎng);每個大區(qū)各自具備堅強、緊密的受端系統(tǒng)網(wǎng)架,它是電網(wǎng)的核心,關(guān)系到電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的整體(見圖1);遠(yuǎn)方電源是分散、獨立、直接接入受端系統(tǒng),遠(yuǎn)方電源和電源間在送端不相聯(lián),主要避免故障時負(fù)荷轉(zhuǎn)移;一旦任一遠(yuǎn)距離輸電走廊出問題或振蕩,基本形成單機對無限大系統(tǒng)的振蕩,其他電源皆變?yōu)槭芏?作為后盾。文獻(xiàn)所示的2個導(dǎo)則已于2001年合并為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則,由國家經(jīng)貿(mào)委作為電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布,主要原則基本相同。分區(qū)的主要目的是要每個大區(qū)基本獨立,運行問題易于掌握,安全穩(wěn)定有所保證;而且保證任一大區(qū)問題不會影響其他大區(qū),防止跨大區(qū)的大停電。大區(qū)之間用直流聯(lián)網(wǎng),個別交流聯(lián)絡(luò)線也將改為直流聯(lián)絡(luò)線,同時發(fā)揮錯峰效益的作用。分區(qū)的主要理念是避免發(fā)展為一個全國交流強聯(lián)的同步電網(wǎng)。20世紀(jì)80年代末期,有人士提出通過三峽工程全國聯(lián)網(wǎng),當(dāng)時筆者表示反對。因為穩(wěn)定技術(shù)導(dǎo)則強調(diào)分區(qū)原則,特別強調(diào)遠(yuǎn)方電源和電源間不應(yīng)相聯(lián)。如果三峽在500kV連成一個電廠,則任一出線(包括直流輸電)故障,負(fù)荷都會連鎖反應(yīng)地轉(zhuǎn)移到其他交流線路。這樣的惡性循環(huán)會導(dǎo)致電壓崩潰繼而穩(wěn)定破壞,造成大停電?，F(xiàn)在,按照導(dǎo)則將三峽分為4個電廠,互不相聯(lián),各送東、南、西、北,避免構(gòu)成一個特大的同步電網(wǎng),保證了安全運行。20多年實踐證明按分層分區(qū)原則發(fā)展起來的六大區(qū)域電網(wǎng)是安全可靠的。圖2所示為目前的全國電網(wǎng)格局。2006年7月1日華中電網(wǎng)事故再次證明分層分區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)對保證全國安全的重要作用,這次事故是因未貫徹導(dǎo)則規(guī)定的分層原則而導(dǎo)致,雙回500kV線路的1780MW負(fù)荷因保護(hù)誤動跳閘而經(jīng)500/220kV電磁環(huán)網(wǎng)轉(zhuǎn)移到220kV系統(tǒng),立即引起整個華中電網(wǎng)失步振蕩。這次振蕩沒有波及與華中電網(wǎng)以直流形式聯(lián)網(wǎng)的西北、華東和南方大區(qū),證實了以直流形式分區(qū)限制事故擴大的作用。但華中和華北是交流聯(lián)網(wǎng),振蕩波及華北,所幸由于是弱聯(lián)系聯(lián)網(wǎng),振蕩一開始就迅速將聯(lián)網(wǎng)的單回500kV線路解列,華北電網(wǎng)未遭損失。可見,大區(qū)間交流弱聯(lián)系聯(lián)網(wǎng)并非長遠(yuǎn)之計,最安全可靠的還是直流穩(wěn)控聯(lián)網(wǎng)。華北對東北的交流弱聯(lián)系由于低頻振蕩等復(fù)雜問題已影響東北電網(wǎng)運行,所以2008年華北對東北將改為直流互聯(lián)。2煤外運下輸電系統(tǒng)與其他線路的經(jīng)濟性影響比較我國長期以來對劣質(zhì)煤、洗中煤在礦區(qū)建電廠近處供電,對優(yōu)質(zhì)煤則采用“北煤南運”的方針。現(xiàn)在的提法是為優(yōu)化全國能源,使北煤大量就地轉(zhuǎn)電,推出交流特高壓作為遠(yuǎn)距離(1000~2000km)南送,而交流輸電必須有沿途電源支持,這樣就自然聯(lián)成交流特高壓國家級電網(wǎng)。但輸電必有損耗,按其計劃,2020年以交流特高壓從坑口煤電基地送電8×104MW,平均輸送1500km,輸電線路選8×400型導(dǎo)線時線損為8.9%,即損失0.712×104MW,到達(dá)受端只剩7.288×104MW。用“特高壓輸電”方案時一定要在缺水的北煤各基地建可供8×104MW電力的空冷機組,而用“北煤南運”方案時則在南方有充足供水的地方、特別在海邊建可供電7.288×104MW的水冷發(fā)電機組即可。相比于水冷機組,空冷機組的投資每臺增加2億元、發(fā)電煤耗增加5~10g/(kW·h)、廠用電由6%增加到8.5%~9%。所以,僅從電廠建設(shè)投資比較,輸電比運煤方案投資大得多,而且交流特高壓輸電投資需2400億元以上,包括北方空冷機組和很多輸電線、變電站的運行成本也相應(yīng)高得多。而每年運2.5億噸煤增加的投資則為900~1000億元。從經(jīng)濟比較結(jié)果分析,“特高壓輸電”方案不如“北煤南運”方案。而且鐵路建設(shè)不僅可運煤,更可以改善交通,發(fā)展客運和各種貨運,有利于開發(fā)落后地區(qū)。繼續(xù)執(zhí)行“北煤南運”方針,更重要的是可提高電網(wǎng)的安全性,因為新建機組從電壓和穩(wěn)定上直接支持各受端系統(tǒng),同時大幅度降低遠(yuǎn)距離輸電與全區(qū)電力的比例,保持各區(qū)同步電網(wǎng)范圍不再擴大。受電系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)愈為牢靠,所有交流同步網(wǎng)的復(fù)雜問題自然都迎刃而解。為“北煤南運”方案而增設(shè)的鐵路長為1320km、走廊平均寬度為21m,將長途穿越我國北方的草原、沙漠和戈壁,80%以上是人煙稀少地區(qū)?！疤馗邏狠旊姟币鲈O(shè)的線路多達(dá)23回以上,每回按走廊寬度100m計算,則為2300m,相當(dāng)鐵路走廊寬度的100倍多,而且80%以上將穿越華北、華中和華東的眾多城鎮(zhèn)、人口密集地區(qū),又多次跨越大江、大河,對社會環(huán)境將造成嚴(yán)重影響。交流特高壓線路對環(huán)境的污染包括影響人體健康的工頻電場、工頻磁場、無線電干擾、噪音和破壞自然風(fēng)景等。鐵路只是噪音影響,也僅在機車經(jīng)過時才存在影響。有關(guān)人士提出建特高壓電網(wǎng)可減輕中、東部煤電建設(shè)的環(huán)保壓力,但燃煤電廠污染是可以治理的,何況不管在坑口還是在沿海,二氧化碳排放影響是相同的。優(yōu)質(zhì)煤外運后,煤基地中應(yīng)利用劣質(zhì)煤、洗中煤建立適當(dāng)?shù)碾姀S,主要向近處供電。如電量有多余并需要向稍遠(yuǎn)處供電也可用同塔雙回500kV緊湊型線路輸電;個別更遠(yuǎn)距離可用直流輸電,這樣既安全又經(jīng)濟,更不會造成環(huán)境污染。按上述理由,為了交流特高壓而在北煤基地建近億千瓦的電廠是沒有必要的。這樣也沒有必要建交流特高壓線路,更沒有必要建交流特高壓網(wǎng)架而聯(lián)網(wǎng)了。31000kv電網(wǎng)的交換3.1兩種線路的最大輸送功率直流輸電的輸送能力不受系統(tǒng)穩(wěn)定限制,而決定于輸電電壓和晶閘管的制造技術(shù),如±500kV和±600kV直流輸電現(xiàn)已達(dá)到3000MW和3600MW的輸送能力。下一步若采用更高的輸電電壓或研發(fā)比目前3000A容量更大的晶閘管,輸送能力還有望提高。文獻(xiàn)談及交流特高壓時,對不同線路的自然功率進(jìn)行比較,稱1回1000kV線路可輸送電力約5000MW,是500kV線路輸送能力的5倍,所以可將前者1回線和后者5回線作比較,認(rèn)為前者節(jié)約投資又節(jié)省線路走廊。實際上,對超高壓、大容量的系統(tǒng),線路輸電容量絕不簡單地決定于自然功率,它決定于輸送的距離、兩側(cè)電源的強弱、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定條件。據(jù)文獻(xiàn),對于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)比較堅強的核心環(huán)網(wǎng),每回線可以接近或超過4000MW;輸電距離較遠(yuǎn)而送端電網(wǎng)又薄弱的電源直接送出線路,如蒙西送出及陜北送出線路,每回線僅約為2000MW。文獻(xiàn)提到,1000kV交流線路距離為800~1200km時,如不附加其他措施,其輸電能力受靜穩(wěn)限制僅為3000~4000MW,而同塔雙回緊湊型500kV線路距離為1000km時,加50%串聯(lián)補償時輸送能力約為3800MW,也具備相當(dāng)?shù)妮斔湍芰?用于中、短距離輸電比1000kV線路既安全可靠又經(jīng)濟。特別是500kV線路和現(xiàn)有網(wǎng)架相聯(lián),既簡單又加強現(xiàn)有網(wǎng)架。3.2線路運行問題電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是保證電網(wǎng)安全、可靠的基礎(chǔ)。世界上最嚴(yán)重的大停電都發(fā)生在自由聯(lián)網(wǎng)的交流同步電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。所謂自由聯(lián)網(wǎng),就是不分區(qū)、不分層、不分大區(qū)間聯(lián)絡(luò)線,大量電力通過電網(wǎng)對電網(wǎng)傳送。對這種自由聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu),不論采取如何先進(jìn)的保護(hù)和控制措施,都無法改變結(jié)構(gòu)本身不安全、不可靠的性質(zhì)。交流特高壓聯(lián)網(wǎng)從結(jié)構(gòu)上分析就是把分層分區(qū)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂陕?lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。如此龐大的同步網(wǎng)一旦發(fā)生失步振蕩,就有發(fā)生全部大停電的高風(fēng)險。交流特高壓線路和設(shè)備本身也得不到安全保證。全世界唯一運行過的蘇聯(lián)1150kV線路自1985年運行多年,一直輕負(fù)荷運行,后來甚至無電可送,最后降壓運行或停運,沒有積累應(yīng)有的運行經(jīng)驗。1000kV線路的充電功率極大,接近500kV線路的5倍。在線路滿負(fù)荷下故障跳閘時,將引起工頻過電壓。1982年12月14日加拿大魁北克735kV電網(wǎng)大停電過程,邱吉爾瀑布側(cè)和詹姆士灣側(cè)的最高工頻過電壓分別達(dá)到額定電壓的1.8和1.6倍。而有關(guān)報告僅按單一故障計算認(rèn)為不超過1.3和1.4倍,有失偏頗。為限制過電壓,必須使用高補償度的并聯(lián)電抗器,這會增大電感電流,不僅增大線損,還大大降低電壓和輸送容量。為解決此矛盾,于是提出要研究制造自動可控的并聯(lián)電抗器。然而,加拿大魁北克735kV電網(wǎng)的并聯(lián)電抗器就可控失敗。一旦可控失敗,將降低輸電容量或使單相重合不成功,甚至引起極其危險的工頻串聯(lián)諧振過電壓。我國500kV較長線路裝設(shè)并聯(lián)電抗器時都裝中性點電抗器,抵消潛供電流使單相重合成功,但它另外一個重要作用常被忽略:如果沒有中性點電抗器,則在線路單相或兩相斷開時,且并聯(lián)電抗器補償度約為70%~90%時,可能發(fā)生工頻串聯(lián)諧振過電壓。裝設(shè)中性點電抗器可使引起這種過電壓的并聯(lián)電抗器補償度提高到100%以上,相當(dāng)于防止了過電壓。1000kV線路電抗補償度高達(dá)80%~90%,必須加裝中性點電抗器,配合并聯(lián)電抗器可控才能重合成功。如可控失敗,一旦中性點電抗值低于一定數(shù)值,在斷相時會立即引起危險的工頻串聯(lián)諧振過電壓,損壞設(shè)備和線路絕緣。按照我國運行經(jīng)驗,高一級電壓的線路和設(shè)備的故障率總是較高,特別是毫無運行經(jīng)驗的1000kV線路和設(shè)備,并且沿線環(huán)境氣象條件惡劣,在高海拔、覆冰和重污穢條件下能否保證安全,更難以預(yù)料。在切除故障方面,目前我國500kV線路繼電保護(hù)切除故障非?？焖?廣東電網(wǎng)錄波證明,近處故障都可在40ms內(nèi)切除。但由于1000kV線路故障電流的非周期分量衰減很慢,要快切時,斷路器不能確保正確切除故障電流的非周期分量。而采用直流輸電仍然保持各大區(qū)的獨立性,不會負(fù)荷轉(zhuǎn)移,不會電壓崩潰,不會失穩(wěn)。而且歷史證明1984年投運的±600kV、2×3150MW巴西直流輸電和1989年開始投運的我國多回±500kV直流輸電運行完全安全、可靠。1999年投運的我國同塔并架500kV緊湊型線路和全國500kV線路一樣完全安全、可靠。3.3直流線路試驗比較1000kV交流線路比直流線路對環(huán)保影響嚴(yán)重得多:一是前者電壓高,1000kV只是有效值,最大值更高;二是交流有三相導(dǎo)線,直流只有正、負(fù)兩相導(dǎo)線;三是交、直流特性不同。根據(jù)俄羅斯直流輸電研究院(NIIPT)2003年發(fā)表的“直流輸電線路的環(huán)保特性”,對交流(1150kV)和直流(1000kV)線路試驗作了幾方面比較。a.工頻電場:人站在交流線下,通過人身電容電流為0.2mA,覺得不適,但站在直流線下,離子電流為2μA,根本沒有感覺;兩者電流相差100倍。b.工頻磁場:交流線路為了限制工頻磁場設(shè)定標(biāo)準(zhǔn),如我國500kV線路下的磁場密度不超過100μT,但在直流線下,在磁場方面沒有可察覺的影響,其磁通密度和大地自然值相同,不需定標(biāo)準(zhǔn)。c.無線電干擾:直流線的無線電干擾只有正極導(dǎo)線產(chǎn)生,但交流線則三相導(dǎo)線都會產(chǎn)生,而且電壓高得多的交流引起的電暈放電更為嚴(yán)重,干擾更大。d.噪音:交、直流線路基本相同。3.4線路垂弧擺動的環(huán)保性能線路走廊決定于不同的電壓,是交流或直流,兩外側(cè)導(dǎo)線距離,特別是外側(cè)導(dǎo)線投影和走廊邊界的距離已不再按習(xí)慣決定于導(dǎo)線垂弧的擺動,而是決定于逐步嚴(yán)格的環(huán)保規(guī)定。表1列出輸送容量大致相同的3種輸電方式線路走廊比較的結(jié)果:1000kV交流線路的走廊為直流輸電線路的2.0~2.4倍,又為同塔雙回500kV緊湊型線路的1.7~1.9倍。這說明1000kV線路最浪費土地資源。3.5經(jīng)濟比較3.5.1同塔雙回犯罪線路比較的基礎(chǔ)是一個特大電源經(jīng)長、中距離直接向500kV受端負(fù)荷中心供電。方案1為單回1000kV線路送出3000~4000MW,方案2為同塔雙回500kV緊湊型線路送出3800MW。送出端有變壓器/變電設(shè)備不同電壓的價格差別;受端1000kV需網(wǎng)架和降壓變電站,但500kV受端僅增變電間隔。1000kV線路本身投資為500kV的2.5倍,再加上其他附加內(nèi)容則實際投資應(yīng)在2.7倍以上。表2中只有一項來自1999年底投運的政平至宜興83km的500kV同塔雙回緊湊型線路,每相導(dǎo)線采用6根LGJ-240/30鋼芯鋁絞線,自然功率為1300MW,提高了30%,有利于提高輸送容量。實際投資為170萬元/km。3.5.2交流流經(jīng)濟比較在北戴河會議上發(fā)表的總報告和“長距離大容量輸電技術(shù)和經(jīng)濟比較研究”,認(rèn)為輸電距離在1000km左右,采用1000kV交流輸電在經(jīng)濟上占優(yōu)勢,并強調(diào)它和20世紀(jì)70年代美國論證基本一致,也和國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)1994年研究結(jié)論一致。國際上進(jìn)行交、直流經(jīng)濟比較的方法見圖3。由圖3,并根據(jù)國網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計和科研部門的投資數(shù)據(jù),對輸送容量基本相同的交流1000kV和±600kV直流輸電經(jīng)濟比較如圖4所示。可見,兩者投資相同的經(jīng)濟距離為560km;對輸送距離為1000和2000km時,交流1000kV投資分別為直流輸電投資的1.33和1.9倍。文獻(xiàn)和文獻(xiàn)有關(guān)400kV交流和直流經(jīng)濟比較(見圖3)顯示其經(jīng)濟距離是700km。從表2可見,1000kV交流設(shè)備和線路投資大得多,圖4分析其經(jīng)濟距離為560km,和2005年聯(lián)合國的聯(lián)網(wǎng)文件所指的600km基本相同。上述分析證明:1000kV線路長距離輸電不如直流輸電,中、短距離輸電不如同塔雙回500kV緊湊型線路。410網(wǎng)架短路電流和直流多落點問題北戴河會議強調(diào)建立國家特高壓電網(wǎng),進(jìn)行全國范圍的資源優(yōu)化配置和引導(dǎo)大水電、大火電、大核電的集約化建設(shè),并以解決原網(wǎng)架短路電流和直流多落點問題為理由,要在現(xiàn)有500kV受端網(wǎng)架之上再罩上一個特高壓(1000kV)網(wǎng)架。到底有多少電力能真正上這個網(wǎng)架?在安全穩(wěn)定上到底有好處、還是反而帶來壞處?是否隱藏著大停電的高風(fēng)險?其總報告特別將華東電網(wǎng)作為典型加以說明,下面也針對此典型加以論述。4.1同塔雙回500kv網(wǎng)架的電力圖5按總報告列出華東1000kV網(wǎng)架方案,方案1表示淮南2個坑口電廠(3600和4800MW)共同通過600km2回1000kV線路送到上海、蘇南、浙北的三角1000kV雙環(huán)負(fù)荷中心;另徐州1、2廠各為3000MW也以相同方式(距離為500和540km)送到負(fù)荷中心。該總報告列出華東區(qū)外來電初步規(guī)模,經(jīng)查對所有外來電力(見圖5)都不是由1000kV線路送來的,如山西陽城是用500kV線路送來,而三峽、金沙江一期和雅礱江、錦屏都是以直流送來,它們都落在500kV網(wǎng)架上。直上1000kV網(wǎng)架的電力如表3所示。按該報告數(shù)據(jù),即使徐州、淮南新廠按圖5以1000kV送出,在2015和2020年能直上1000kV網(wǎng)架的電力分別只占總負(fù)荷的7.9%和6.3%。但它們是否應(yīng)以1000kV送出還是一個大問題。按其容量和距離,按本文第3節(jié)分析,以同塔雙回500kV緊湊型線路(電源間不相聯(lián))肯定比1000kV送出更為安全、經(jīng)濟。總報告中有關(guān)華東投資估算比較結(jié)果為:1000kV方案1、2的總投資分別為430.8、394.4億元,分別是500kV方案總投資(150.1億元)的2.87倍和2.63倍。既然1000kV方案投資為500kV方案的近3倍,又不安全可靠,則應(yīng)采用500kV方案。這樣直上1000kV網(wǎng)架電力為零,從全國聯(lián)網(wǎng)需要看,目前已有3回直流輸電和華中相聯(lián),早已可發(fā)揮聯(lián)網(wǎng)的效益。僅從華東作為典型的實例論證,花費約400億元建設(shè)的1000kV網(wǎng)架已不如500kV方案,更不必全國推行了。4.2負(fù)荷密度對受端電網(wǎng)的影響隨著機組/電廠容量的增大,受端網(wǎng)架電壓也隨之增高。出現(xiàn)600MW或以上機組時,自然功率為130MW的220kV線路往往難以經(jīng)濟有效傳送,從而發(fā)展了自然功率為1000MW的500kV電壓線路?？梢娛芏司W(wǎng)架的最高一級電壓是隨機組/電廠容量增大而增高,實際上也是隨負(fù)荷密度增大而增高。因為受端網(wǎng)架必須將區(qū)內(nèi)、外電源有效且經(jīng)濟地送給用戶。這就是導(dǎo)則規(guī)定的分層原則。事實上華東約有一半機組接入500kV網(wǎng),一半機組接入220kV網(wǎng),同時西部水電都以直流輸送,其落點也接入500kV網(wǎng),說明現(xiàn)有的500kV網(wǎng)架已完全滿足使用的要求。世界上從未建設(shè)1000kV的受端系統(tǒng)網(wǎng)架,俄、日也只建輸電線路,而不是網(wǎng)架?，F(xiàn)在歐、美、日國家的負(fù)荷密度比我國大得多。這些國家的受端系統(tǒng)網(wǎng)架最高一級電壓:歐洲為400kV,日本為500kV,美國有345kV(包括紐約)也有500kV(個別有由電源充裕的WestVirginia地區(qū)東送電力的765kV線路,但不是網(wǎng)架)。長期以來,事實證明這些國家的網(wǎng)架和機組/電廠容量、負(fù)荷密度是自然平衡的。4.3不安全，削弱大區(qū)域現(xiàn)有安全基礎(chǔ)4.3.1v網(wǎng)架的安全性在受端系統(tǒng)內(nèi),目前全世界特大機組(包括1000MW及以上)都已是經(jīng)濟合理地接入現(xiàn)有(345、400、500kV)網(wǎng)架,多年經(jīng)驗證明其安全靈活且效率高。如果將特大機組經(jīng)電廠升壓變直上1000kV網(wǎng)架,會對安全要求極其嚴(yán)格的核電廠帶來不安全的永久性隱患。首先,是1000kV升壓變、斷路器等是否有安全保障;其次,電壓和穩(wěn)定飄浮的1000kV網(wǎng)架故障多,直接影響核電的安全;此外,將會造成輸電層次增加、復(fù)雜、損耗大,不安全、風(fēng)險高,投資大、浪費。世界上尚無這樣的先例。此外,由于1000kV線路的充電功率接近500kV線路的5倍,既然送入1000kV網(wǎng)架的電力不多,那么網(wǎng)架上隨負(fù)荷大幅度變化的剩余充電功率也難以可靠和準(zhǔn)確地由并聯(lián)電抗器補償,不僅電壓異常變化,特別在事故時會出現(xiàn)危險的過電壓,結(jié)果特高壓網(wǎng)架在安全穩(wěn)定上的第1個大問題就是不但在穩(wěn)定上漂浮,在電壓上也漂浮,難以保證安全穩(wěn)定。4.3.2線路故障風(fēng)險建設(shè)特高壓網(wǎng)架本身既比500kV網(wǎng)架有高得多的設(shè)備和線路故障風(fēng)險,又不可能像500kV網(wǎng)架那樣既緊密又在電氣距離上緊靠負(fù)荷中心,更不能達(dá)到500kV網(wǎng)架目前的安全準(zhǔn)則水平。這是特高壓網(wǎng)架在安全穩(wěn)定上的第2個大問題。4.3.3網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)清理第3個大問題是為了解決500kV網(wǎng)短路容量和直流多落點問題,在建成1000kV網(wǎng)架時,要拆散原有的500kV網(wǎng)架,1000kV網(wǎng)架安全穩(wěn)定水平原本就低,又需將幾十年來已建立起來的500kV網(wǎng)架安全穩(wěn)定基礎(chǔ)加以拆除,這樣的做法更不合理。5國外對電網(wǎng)的分析5.1控制的不分區(qū)、不分受端系統(tǒng)、不分根據(jù)40年來對國外電網(wǎng)大停電的分析,主要根源是不受控制的可負(fù)荷轉(zhuǎn)移的自由電網(wǎng)結(jié)構(gòu),是一個不分區(qū)、不分受端系統(tǒng)、不分遠(yuǎn)方電源的可通過電網(wǎng)送電網(wǎng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。同步電網(wǎng)愈大,連鎖反應(yīng)愈難以控制,停電范圍愈大。5.1.1美加自由聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)2003年8月14日美加大停電,事故始發(fā)于美國無功不足的FE地區(qū),但由于美國和加拿大安大略省間為自由聯(lián)網(wǎng),受到嚴(yán)重波及。事故前安大略從美方受電1303MW,只占其總負(fù)荷23215MW的5.6%。事故后損失22500MW,占97%。曾和美、加方專家討論解列問題,如果在振蕩一開始立即將美加聯(lián)絡(luò)處解列,不但加方不受損,而且失步振蕩會即時中斷,美方損失也將大減。但美加之間自由聯(lián)網(wǎng)太復(fù)雜,難以設(shè)解列點。這就是把美加自由聯(lián)網(wǎng)成為一個同步網(wǎng)導(dǎo)致的結(jié)果。在這次事故中,由加拿大魁北克到美國波士頓附近的三端直流輸電仍然照常運行。大停電后的紐約長島也首先由另一直流輸電恢復(fù)供電。這說明直流輸電根本不受大停電的的影響。但他們沒有利用已有直流輸電改造為2個不同的同步網(wǎng)。5.1.2美國西部同步網(wǎng)和wscc圖6表示北美并不是完全自由聯(lián)在一起的一個同步網(wǎng)。1994~1996年美國西部(WSCC)發(fā)生了3次大停電,特別是1996年8月10日大停電損失30500MW,停電范圍波及整個美國西部同步網(wǎng),但由于它和東部網(wǎng)用背靠背直流隔開,所以3次大停電都沒有波及東部,這證明了分區(qū)實現(xiàn)多個獨立(同步)大區(qū)的優(yōu)越性。5.2直流輸入網(wǎng)的安全目標(biāo)美國2003年4月召開了國家電網(wǎng)預(yù)想會議,經(jīng)60位權(quán)威專家研究了美國電網(wǎng)發(fā)展的GRID2030年預(yù)想計劃(見圖7)。后又在2003年7月召開了國家電力傳輸技術(shù)論壇,經(jīng)其國內(nèi)、外共200位權(quán)威專家再一次研究確定,主要是建立由東岸到西岸、北到加拿大、南到墨西哥的跨越全國的主要采用超導(dǎo)體技術(shù)、電力儲存技術(shù)和更先進(jìn)的全國直流輸電骨干網(wǎng)架,初步確定都是雙回路的直流干線,按實際需要各是3000~10000MW的輸送容量。美國2030年電網(wǎng)預(yù)想計劃從安全、經(jīng)濟上考慮在現(xiàn)有345kV和500kV網(wǎng)架上再罩上的不是一個交流特高壓網(wǎng)架,而是一個全國直流輸電網(wǎng)架。目前,美國有3個由直流隔離的交流同步網(wǎng),東部同步網(wǎng)主要由345kV和500kV的復(fù)雜自由聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成,范圍約520×104km2,裝機6×105MW。所謂復(fù)雜自由聯(lián)網(wǎng),就是不分區(qū)、不分層,電力潮流可自由地通過電網(wǎng)送電網(wǎng),電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不安全且復(fù)雜。西部同步網(wǎng)主要由500kV構(gòu)成并和±500kV直流輸電并列運行,也是復(fù)雜自由聯(lián)網(wǎng),范圍也不小,曾連續(xù)發(fā)生3次大停電。如果實現(xiàn)2030年電網(wǎng)預(yù)想、有了跨越全國可穩(wěn)控的直流網(wǎng)架,就可將下面原有的三大片交流復(fù)雜自由同步網(wǎng),分成更多由直流隔離、控制、事故支援的安全獨立的較小同步網(wǎng)區(qū),從而徹底解決美國百年來的交流復(fù)雜自由聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)無法解決的根本問題。5.3供配電網(wǎng)方案2:kb白俄羅斯/俄羅斯、波蘭和德國能源主管部門曾組織東電西送的可行性研究,輸送4000MW、距離1800km,研究了3個方案。a.方案1:±500kV兩組雙極多端直流輸電,見圖8(a)。b.方案2:交流750kV線路、波蘭以東三回,以西兩回,加背靠背直流輸電,見圖8(b)。c.方案3:俄羅斯和白俄羅斯間用750kV、白俄羅斯和波蘭間以背靠背直流輸電隔離,波蘭以東加強原400kV電網(wǎng),見圖8(c)。各方案的成本比較見表4。結(jié)果認(rèn)為采用直流輸電的方案1在技術(shù)上、經(jīng)濟上和法律上都是可行的。它有諸多優(yōu)勢:相互事故備用;各地區(qū)不必多增電源,現(xiàn)有電源得到充分利用;發(fā)揮了峰谷時差效益;各處有功、無功電力得到有效控制,不像交流750kV聯(lián)網(wǎng)難以控制連鎖反應(yīng)。雖然這個可行性研究至今尚未實行,但也說明了采用直流輸電比交流400kV上覆蓋750kV線路不僅安全可靠,而且經(jīng)濟得多。5.4多同步電網(wǎng)協(xié)同電網(wǎng)的發(fā)展世界電網(wǎng)的客觀規(guī)律,隨著直流輸電技術(shù)的迅速發(fā)展,必然會逐步由一個變成多個的同步網(wǎng)。上述美國2030年國家電網(wǎng)預(yù)想就是采用大容量直流輸電跨越多個電網(wǎng),如果實現(xiàn),就會增加同步網(wǎng)的數(shù)目。印度很重視直流輸電,現(xiàn)在已用此實現(xiàn)了4個同步電網(wǎng)。同步電網(wǎng)大到一定程度,其優(yōu)點下降,而問題愈為復(fù)雜,包括負(fù)荷轉(zhuǎn)移、無功損耗、電壓穩(wěn)定、低頻振蕩影響電網(wǎng)運行等問題都難以控制,有的更不受控制,對于這些特大而復(fù)雜的技術(shù)和協(xié)調(diào)問題,即使花大量費用,也難以徹底解決。特別是存在整個特大同步網(wǎng)大停電的高風(fēng)險。所以按導(dǎo)則的分區(qū)原則設(shè)多個獨立電網(wǎng)是完全正確的,現(xiàn)在更有條件通過直流輸電技術(shù)實現(xiàn)為多個同步電網(wǎng)。這是世界電網(wǎng)發(fā)展的客觀規(guī)律。中國要建立的國家級電網(wǎng),實際上是一個極為復(fù)雜、高風(fēng)險的全國同步網(wǎng),且用交流1000kV線路聯(lián)網(wǎng)將使我國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)改變成為不可控制的可負(fù)荷轉(zhuǎn)移的自由市場,事故繁多復(fù)雜,存在全國大面積停電的風(fēng)險。6世界電網(wǎng)的發(fā)展趨勢和期待6.1直流輸電的發(fā)展迅速北戴河會議報告、發(fā)言提到電壓升級規(guī)律:當(dāng)系統(tǒng)容量翻兩番時,就要引入一個新的電壓等級。應(yīng)當(dāng)指出,這是20世紀(jì)60和70年代電力工業(yè)發(fā)展迅速時代的思維,那時很多國家都以220~275kV升壓到400~500kV,加拿大魁北克甚至升到了735kV。但是三、四十年后經(jīng)過實踐,特別是有實用價值的直流輸電技術(shù)迅速發(fā)展,情況發(fā)生了變化。有的部門為宣傳特高壓,稱國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)1994年報告指出“特高壓輸電沒有難以克服的技術(shù)難題”。實際上經(jīng)核查1996~2006年十年多來,CIGRE再沒有把特高壓輸電列到任何議題中,確實被冷凍起來了。這是全世界電網(wǎng)發(fā)展趨勢和交流特高壓本身的固有問題(既不可靠又不經(jīng)濟)所造成的?，F(xiàn)在美國、加拿大、意大利、巴西交流特高壓的研究早已中斷,俄羅斯、日本的特高壓還會再用嗎?俄羅斯科學(xué)院能源所2005年在美國IEEE會議發(fā)表的文章對將來遠(yuǎn)距離輸電只采用直流輸電,不再提交流特高壓了。日本面積不大,各個分區(qū)電網(wǎng)早為不同的企業(yè)所有,電網(wǎng)頻率有50和60Hz;日本對直流輸電(包括最新的VSC型)有深入研究,直流輸電既可以避免和解決交流網(wǎng)很多固有問題,又保持分區(qū),不受不同頻率影響,特別適應(yīng)日本的條件。2005年日本的核電容量占31%,由于缺能源,位于負(fù)荷中心的核電將迅速增容,更不需要遠(yuǎn)距離輸電了。6.2世界直流輸電的未來發(fā)展趨勢是穩(wěn)控網(wǎng)越來越在歷史上,很多國家、包括國家互聯(lián)的交流同步網(wǎng)不斷擴大,當(dāng)它擴大到一定程度時,自然會出現(xiàn)不少復(fù)雜的問題難以解決。隨著直流輸電由汞整流發(fā)展到目前常規(guī)的晶閘管技術(shù)時,無論是用背靠背或點對點方式,它的作用是縮小同步網(wǎng)的范圍,將同步網(wǎng)復(fù)雜的問題減輕或解決了;另一個作用是因為直流輸電的電力是受控的,又無穩(wěn)定問題,所以相當(dāng)于穩(wěn)控聯(lián)網(wǎng)。例如,2005年9月美國IEEE會議上,俄國科學(xué)院發(fā)表為節(jié)省能源的亞洲聯(lián)網(wǎng),包括俄、外蒙、中、日、南韓、北朝鮮,距離470~3500km,全部用±500kV或±600kV直流輸電聯(lián)網(wǎng),而不是交流特高壓。說明將來世界的發(fā)展是穩(wěn)控網(wǎng)越來越大。近年來直流輸電技術(shù)再進(jìn)一步發(fā)展,采用GTO/IGBT組件的VSC(見圖9、10),已分別在日本和美國投入運行。2002年美國投運的VSC為330MW、+/-150kV、40km電纜,2003年美加大停電時,它使長島很快恢復(fù)用電。它和現(xiàn)有常規(guī)晶閘管換流的直流輸電相比有很多優(yōu)點:交流系統(tǒng)故障時,它不像常規(guī)直流輸電會換相失敗,直流功率不受影響;它不但不需要交流系統(tǒng)無功和短路容量的支持,反而在自己能力范圍(圖10)內(nèi)瞬時改變有功、無功輸出,支持交流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定和功角穩(wěn)定;它也可靈活構(gòu)成多端直流輸電,任一端跳閘時,其余照樣運行,而且各端負(fù)荷潮流可靈活控制。再過一定時間,待VSC直流輸電達(dá)到3000~4500MW的容量,就可用于美國2030年國家電網(wǎng)預(yù)想,跨越現(xiàn)有特大同步電網(wǎng),使之劃分為多個規(guī)模較小的同步電網(wǎng),既解決了原有的復(fù)雜問題,又使各同步電網(wǎng)得到有功、無功電力的事故支援,更進(jìn)一步發(fā)揮穩(wěn)控聯(lián)網(wǎng)的安全效果。ABB公布的一篇文獻(xiàn)同樣也有采用VSC直流輸電跨越現(xiàn)有歐洲400kV特大同步電網(wǎng)的構(gòu)思。從近十年的世界電網(wǎng)發(fā)展趨勢分析,不再是在現(xiàn)有網(wǎng)架上再罩上一個1000kV交流特高壓網(wǎng)架,新的展望是通過直流輸電穩(wěn)控的國內(nèi)或國與國間聯(lián)網(wǎng),所以穩(wěn)控網(wǎng)越來越大;同樣通過直流輸電跨越/穩(wěn)控現(xiàn)有同步電網(wǎng),將使同步網(wǎng)范圍越來越小,數(shù)量越來越多。這樣將充分發(fā)揮各種能源的有效利用,加強安全和提高經(jīng)濟效益。6.3《聯(lián)合國文件》聯(lián)合國經(jīng)濟社會事務(wù)局2005年在紐約發(fā)表長達(dá)204頁的“國際電力聯(lián)網(wǎng)多方面要點頒布”文件中,提到交流1200kV曾在俄羅斯的西伯利亞長線路使用,并直接指出:“達(dá)到1000kV以上,無論如何,能承受如此高電壓的實際難度和設(shè)備及絕緣的代價,都過高而難以采用”。聯(lián)合國文件所指包括2個風(fēng)險:一個是技術(shù)難度風(fēng)險,另一個是經(jīng)濟代價風(fēng)險。聯(lián)合國文件指出長距離輸電應(yīng)采用直流。和交流比較,超出600km都是直流輸電的經(jīng)濟距離,而且直流輸電比較安全、可靠,有優(yōu)良的特點。聯(lián)合國文件還指出直流輸電可以穩(wěn)控聯(lián)網(wǎng),解決了交流同步網(wǎng)的固有問題,不同交流電網(wǎng)通過直流聯(lián)網(wǎng),可避免同步網(wǎng)本身運行的很多技術(shù)問題。文件還引證2003年美加大停電事故,任何一處故障都影響整個同步網(wǎng),同步網(wǎng)越大、線路越長,電壓崩潰和穩(wěn)定問題越嚴(yán)重,更會連鎖反應(yīng)導(dǎo)致大停電。聯(lián)合國文件不僅對交流特高壓的采用下了結(jié)論,而且分析了如何運用直流輸電來科學(xué)解決和完全避免交流特高壓的技術(shù)風(fēng)險和經(jīng)濟風(fēng)險,明確指出了電網(wǎng)發(fā)展方向。我國建立交流特高壓聯(lián)網(wǎng)則違背了該方針。7應(yīng)繼續(xù)發(fā)揮3大放電的導(dǎo)則作用20多年來通過穩(wěn)定導(dǎo)則規(guī)定的分層分區(qū)原則,使各大區(qū)電網(wǎng)建立了安全穩(wěn)定基礎(chǔ),不僅未發(fā)生全網(wǎng)性大停電的實踐得以證明,即使造成國外大停電的關(guān)鍵問題發(fā)生在我國現(xiàn)有的分層分區(qū)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)上,有導(dǎo)則的三道防線,大停電也是完全可以避免的。所以應(yīng)該繼續(xù)貫徹這一導(dǎo)則。同時,按照世界電網(wǎng)發(fā)展的新思維和展望,應(yīng)以直流遠(yuǎn)送/穩(wěn)控互聯(lián)各大區(qū)強化的同步網(wǎng)。7.1弱聯(lián)網(wǎng)可及時解列,發(fā)展成直流聯(lián)網(wǎng)、使第三網(wǎng)目前,我國6個大區(qū)間有的已用直流聯(lián)網(wǎng),個別是交流弱聯(lián)網(wǎng)。一旦發(fā)生問題,弱聯(lián)網(wǎng)可及時解列,以保持大區(qū)的獨立性,任何一個大區(qū)問題不會影響相鄰大區(qū)安全。隨著電網(wǎng)的發(fā)展,弱聯(lián)網(wǎng)將會發(fā)展為直流聯(lián)網(wǎng),將來成為6個或更多的同步網(wǎng)。這是保證安全穩(wěn)定的最可靠、最經(jīng)濟的方法。7.2直流輸電系統(tǒng)直流輸電不受穩(wěn)定限制可以點對點將遠(yuǎn)方電源直達(dá)受端,只要在送端避免交流和直流不相聯(lián),安全可以完全保證。建議研究部門將重點轉(zhuǎn)移到直流輸電,包括VSC技術(shù),使直流輸電不但不會換相失敗,反而可自動快速以有功、無功電力支援所在交流電網(wǎng),保證安全穩(wěn)定;還有三極技術(shù)(直流線路三導(dǎo)線)將增大直流線路輸送容量40%,降低損耗20%~25%,如一極故障,不需要通過極難實施的大地作回路,而輸送容量僅降低27%。7.3同塔雙回城市軌道交通按上述分析,交流1000kV線路長距離輸電不如直流輸電,中、短距離輸電不如同塔雙回500kV緊湊型線路。對比2005年8月CIGRE的ELECTRA雜志,以架空線路學(xué)委會,包括歐、美、日、俄、巴西等的工作組發(fā)表“加大架空線路輸送能力的高自然功率技術(shù)”,也只是以巴西744km500kV導(dǎo)線水平排列的單回緊湊型線路作為典型。但我國的緊湊型線路發(fā)展很快,1999年底不僅投入了500kV單回,而且又投入了多個500kV同塔雙回緊湊型線路,最新發(fā)表的CIGRE工作組緊湊型線路典型只有單回沒有雙回,我國可謂后來居上。這種500kV同塔雙回緊湊型線路節(jié)省走廊,自然功率比一般高30%,特別適用強化大區(qū)的輸送能力。a.為了提高功角穩(wěn)定,在需要時可以充分使用50%~60%的串補,或在較長線路設(shè)中間站,中間站選址最好就近利用地方電廠作電壓支持,否則必要時加并補(STATCOM/SVC),結(jié)合緊湊型線路已提高的自然功率(1300MW),綜合的穩(wěn)定水平將大幅提高,就可多送電。b.為了提高熱穩(wěn)定,可以根據(jù)輸電容量要求增大比目前每相6根LGJ-240導(dǎo)線的截面;而且導(dǎo)線溫升提高到80℃以上,比過去熱穩(wěn)定提高20%以上。c.國產(chǎn)繼電保護(hù)已可完全發(fā)揮同塔雙回線的優(yōu)點,如兩回線同時發(fā)生不同相的單相接地