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用特高压电网联通世界,中国的路才刚刚开始
2021-09-17 浏览: 3049 次

输电电压的一次次跃升,就是人类电气化水平前进的阶梯。

1891年,世界上第一条高压输电线路诞生,它的电压只有13.8千伏;

1935年,美国将220千伏电压提高到275千伏,人类社会第一次出现了超高压线路;

1959年,前苏联建成世界上第一条500千伏输电线路,这是人类利用电能水平的一次巨大跨越;

2009年,世界上第一条1000千伏晋东南-南阳-荆门特高压交流试验示范工程投入商业运行,这次领先世界的是中国!

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和高铁、5G这些中国领先世界的技术不同,特高压输电领域,中国是真正的独一档,会当凌绝顶,一览众山小般的世界第一。

01.

电这种能源具有一定的特殊性,它是即时性的,基本不可储存。

储存到电池里,成本很高,而能量密度又很低,实在不划算。而发电的门槛又比较低,像很多小区和工厂里都有自己的紧急发电站,像燃油车发动机在运行过程中都可以给电瓶供电。

电力资源的不可储存性,意味着发电和供电需要形成一个平衡,一个动态的平衡。

这就涉及到了输电的问题。

印度2017年的时候发电量就达到了全球第三,但全国绝大部分地区经常还是限时供电,就是因为输电线功率不够。输电功率P=U*I(电压*电流),想要提高功率,要么增大电流要么升高电压,而电流过大会导致线路的发热功率增加,不仅损耗了能源还容易造成安全隐患,所以就必须升高电压。

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电压越高,输送能力就越强,可以输送的电力就越多,电力损耗也越低,而且还可以实现长距离输电。特别是这个长距离输电,非常关键。在线路上的发热损耗和电线长度成正比,要是低电压输电,线路拉的过长的话,电能就在线路上都被耗费光了。

而长距离输电,是要在根本上解决电力供需不平衡的问题。

在上世纪80、90年代,甚至直到21世纪初,电力是优先供应给工业生产,其次才是保证居民用电。当时农村是限时供电,城市则推出波峰波谷电价以限制高峰用电。其中峰价比谷价要贵三倍以上,为什么在几个小时之内电价就会有这么大的波动?就是因为电能有“即时性”,晚上大家都用电供不上,只能通过提高电价的方式适当减少部分家庭的用电需求。

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工厂则是错峰用电,尽可能把用电需求均匀排开。直到2003年夏天,全国还有22个省拉闸限电,居民的生活用电需求无法得到充分满足,经济发展也卡在缺电的“瓶颈”上。

中国76%的煤炭、80%的风能、90%的太阳能分布在西部北部、80%的水能分布在西南部,而70%以上的电力消费集中在东中部地区。

一头是中西部的资源大省有电送不出、白白浪费掉,另一方面则是东部经济大省电不够用。而电力资源的供需不平衡,甚至在省内区域之间都存在。

国家发改委原副主任、国家能源局局长张国宝讲过这样一段经历:2000年前后他在二滩水电站工作,主持负责分电。当时二滩水电站是国内建成投产的最大水电站,但是当时的年利用小时,只有5162小时,仅相当于7个月的时间。一年里还有5个月的时间,发电机组是空闲着的。

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为什么?

因为发出去的电没人用,不知道该送到哪儿去。

当时二滩水电站发出的电只能输送到四川省内,张国宝找到了当时电力工业部的副部长陆廷昌,希望把二滩的电运出去。陆廷昌算了笔帐,二滩的装机功率是300万千瓦,一条500千伏的交流输电线路只能送90多万,二滩至少需要一条500千伏、三条220千伏的输电线,以我国当时的水平来说,成本高风险还大,即便是电力长期供需不平衡,也没有把握去建高压输电线去解决问题。

所以当时只能是就近发电就近用电。以大规模、长距离输煤的方式,完成我国的能源配置。世纪初年的时候,铁路新增运力的70%以上用于煤炭运输。当时长江每30公里就有一座发电厂,都是烧煤发电的中小型供电厂。为什么在二十多年前山西黑煤窑问题那么严峻,因为小窑厂出来的低价煤,在各地的需求实在是太旺盛了。

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因为要烧煤发电,所以在经济最发达的长三角地区,每年每平方公里二氧化硫排放量达到45吨,是全国平均水平的20倍。

当时流传一句话“重发、轻供、不管用”,各地建电厂、发电的积极性都很高,但是对输变电重视不够,对用户侧管理则更少,所以尽管电厂遍地开花发电量增长很快,但用电不均衡的根本矛盾一直无法解决。

随着我国城市建设和工业化用电需求持续攀升,再加上发展与环保之间的矛盾日渐凸显,解决就地火力发电问题,到了必须要上马的时候了。

02.

2004年底,掌舵国家电网公司两个月的刘振亚和时任国家发改委主要领导,一同参加三峡—广东直流输电工程验收总结会。在疾驰的中巴车上,谈及中国缺电的现状,刘振亚深感忧虑,国内电力供应已“严重拖了经济发展的后腿”。

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刘振亚对这个问题最有发言权,从1979年进入山东省临沂市电业局开始,他在山东电力系统干了20年。他回忆山东的工作经历时表示,当时山东没有电网的概念,哪里缺电就在哪里建电厂,只要能把煤运过来就行。即“新城区新厂区扩到哪里,电厂就建到哪里。”

2000年,刘振亚进入国家电网工作。

从更高层面再看我国能源资源、电力供需,才深刻认识到,就地平衡的电力发展方式,是造成我国煤电运输长期紧张,周期性、季节性缺电的根源。”

而要根本解决这一难题,必须发展输电容量更大、输电距离更远、更高电压等级的线路,把全国孤立的区域电网连成一个大电网,提高电网‘运力’,有朝一日能在全国范围配置电力。

2004年,升任国网一把手之后,刘振亚开始大踏步地推进“电网升级”:建设“电力高速公路”——特高压电网,即1000千伏交流和±800千伏及以上的直流输电线路,并且在全国范围内链接成供电网络,彻底扭转中国电力发展长期受制于煤炭运力的难题。

在此之前,我国最高等级的输电线是500千伏,是上世纪八十年代开始建设的从葛洲坝到上海的葛沪线,全套的技术设备都是从国外引进的。除此之外,当时全国的输变电线路基本都是330千伏和220千伏的。

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葛沪线跨越黄浦江

500千伏都高度依赖外国,现在要直接上到1000千伏,电网内部有反对的声音,认为应该稳扎稳打,先把500千伏做好,然后在部分区域做750千伏,步子大了不一定走得稳。

张国宝和刘振亚的态度是坚决要一步到位,现在做750千伏的,钱没少花,过不了十年八年又要上1000千伏的。

与500千伏超高压交流输电相比,1000千伏特高压交流输电距离增加了2-3倍,输电容量提高了4-5倍,输电损耗仅为1/3,走廊宽度仅为1/3,单位造价只需70%。

与±500千伏超高压直流输电相比,±800千伏、±1100千伏特高压直流输电距离分别增加了2-3倍、5-6倍,输电容量分别提高了2-3倍、4-5倍,输电损耗不到1/2、1/4,单位容量走廊宽度仅为65%、55%,单位造价只需65%、40%。

用十年二十年的时间来个一步到位非常有必要,特高压输电就是西电东送的基础设施,而对中国的发展速度一定要拥有足够的想象力,这是二人反复强调的。

2005年1月,国家电网公司启动了特高压输电的可行性研究,并在年后递交给发改委。发改委批复很快,2月16日,发改委就提出“启动我国百万伏级交流、正负80万伏级直流特高压输电技术前期研究工作”。3月21日,国务院领导主持会议,刘振亚作了汇报。这次会议明确同意发展特高压电网,并将特高压纳入国家重大装备规划。

然而,挑战才刚刚开始。

当你尝试做一件新工作时,摸着石头过河其实是一件很幸福的事情,因为很多时候,你连摸石头的机会都没有。

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做特高压输电,就属于这种情况。

当时在全世界范围内,没有一个国家有特高压输电线。

上世纪六十年代,美国开始琢磨搞1000千伏特高压输电,技术上基本得到攻克,已经开始筹划工程落地的时候,赶上70年代的石油危机和去工业化浪潮,美国的特高压输电技术就这样破产。最重要的是,美国的电网是地方私有的,被拆的支离破碎,特高压技术大规模输电并不符合美国电力系统的实际情况。

日本则是在上世纪八十年代建成了两条特高压线路,但随着经济一路下行再加上时不时出现的核泄漏安全事故,日本政府逐步减少核电站的规模,特高压也就降成了高压线。

前苏联也是大同小异,在1985年建成了一条900公里长的特高压输电线路,断断续续运行了5年之后,随着1991年苏联解体,这条线路上的用电需求越来越少,特高压也就不复存在。

这三个发达国家都放弃了,为什么中国偏偏要搞特高压?这个项目到底能搞成吗?又实用吗?这是当时萦绕在很多人心头的疑问。

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03.

2005年5月,一份题为《关于发展特高压电网存在的问题和建议》的报告,被提交到国务院。此时距离国务院同意搞特高压输电,刚刚过去不到两个月时间。

这份报告就特高压项目的安全性和必要性提出了担忧,国务院本着慎之又慎的原则,决定再开展一场更高规格的论证会议。

2005年6月21-23日,国家发改委在北戴河组织召开了特高压输电技术研讨会。会场摆放的论证资料厚达半米,“200多人参加,既有电工专家,也有电力设备专家”。

论证的问题主要在四个方面,输电和输煤的比较、特高压输电的安全性、维护和运营成本、电磁环境影响。

这四个问题其实又可以分为两个大类,煤电比较是特高压项目是否必要的先决条件,后三个都是落地实施保障。

根据论证计算,西部北部大型煤电基地的电力通过特高压输送到东中部负荷中心,到网电价比当地煤电标杆上网电价低0.06-0.13元/千瓦时。也就是说用特高压输来的电,一度电能便宜差不多1毛钱。

上海市2004年的年用电量在900亿度左右,如果用上特高压输电,上海市一年的用电成本能降下来90亿,两三年就能收回成本,当然,至于上海市周围的小型火电厂关门带来的失业则是另一个层面的问题了。

但至少从输煤还是输电角度,经过讨论后很快达成了共识,确实是用电网输电比用铁路运煤更便宜。

而在安全、维护成本、电磁影响上,则陷入了一场旷日持久的争论。

这次北戴河会议的结论是,可以上马特高压项目,但部分重点问题需要继续论证。为了全面了解特高压的发展状况,刘振亚亲自做团长带人去考察,在日本的时候,他甚至中途下车,在输电线下方一路徒步走上山,就是为了听噪声究竟有多大。

2005年10月31日,发改委召开了第二次论证会,部分反对人士继续就安全性表达意见,希望暂缓发展特高压技术。

在当时的环境下,对自身技术妄自菲薄,对欧美国家的盲目崇拜,都成为了特高压项目的阻碍。项目进展甚至陷入死循环,“专家上书-国家电网公司汇报-政府论证-专家再上书-国家电网公司再汇报-政府再论证”,如此往复,大家都非常疲惫。

张国宝在后来回忆这段经历时,感慨地说:不要说刘振亚了,像我们这样的人都感到身心疲惫。其实争论不可怕,但只争论不拍板,这是有问题的。

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最终,是国务院一锤定音。

2006年元旦,《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》发布,明确将特高压输电技术列入其中。

至此,刘振亚和他的国网终于能撸起袖子大干一场了。

04.

现任国网特高压部主任的王绍武,当时在特高压技术攻关团队工作,国网上马超高压项目的时候,他才刚毕业不到五年,还算半个“新兵蛋子”,但是因为当时国网内没有人在特高压项目上有经验,所以他才有机会冲到一线。

他回忆说,当时他刚毕业,在葛洲坝—上海直流输电工程参观的时候,里面几乎找不到国产设备,就连换流站里值班人员的椅子、变电站里的马桶都是国外整装进来的。

就是在这种情况下,我们要搞到世界一流水平,其难度可想而知。

1000千伏的特高压,不是500伏超高压的简单放大,还有很多关键技术空白需要填补,更要对一些配套元件开展研发。

当然,这并不是要国网独立完成,还有几十家科研机构和高校、200多家设备制造企业、500多家建设单位协同攻关,开展309项重大关键技术研究。

为了在绝对安全的情况下加快项目进度,国网极为重视试验验证,先后建立特高压直流试验基地、特高压交流试验基地、特高压工程力学试验基地、高海拔试验基地、国家电网仿真中心、特高压直流输电工程成套设计研发(试验)中心,共计四个基地两个中心。

其中国家电网仿真中心尤其重要,各国在判断电网是否安全上,都需要以仿真计算作为评价依据。在仿真电网中,看各个电压的线路还有发电机在运行过程中能否对主网的安全造成冲击。

因此,中国电科院建成了世界最先进的电力系统仿真平台。对包括220千伏到1000千伏电网、2258台发电机、35932条线路、11547个节点的超大型特高压交直流混合电力系统进行了全景仿真计算,模拟了10万多个故障条件和运行方式,充分验证特高压电网的安全可靠性。

在最关键的核心零件上,我们也实现了突破。

特高压输电的卡点在于变压设备,变压设备的核心部件是换流阀,换流阀最难搞的就是晶闸管。当时有5英寸和6英寸两个方案,前者国内就能生产,难度相对较低,而后者全世界都没有生产使用过。

5英寸的通流能力是3000安培,6英寸则能达到6000安培。

国网内部的主流意见是稳字当先,但刘振亚始终坚持,要干就要来个一步到位。

6英寸全世界都是一片空白,需要找全世界最领先的ABB公司联合研发,刘振亚底气十足:全世界就中国有这个机会,出了中国他这个技术都没地方使去。

联合研发,其实就是我们撵上来的机会,外国公司挣一笔钱,我们把本事学到手,再之后,中国的广大市场就可以掌握在我们自己手中了。

对于这一点,张国宝看的更透:

我们不是简单的去买人家设备,而是要在国内生产,特别是特高压变压器、开关、绝缘等关键设备的国产。我们一定要坚持一条原则,那就是重大装备的研发一定要与重大工程结合,如果不和重大工程结合,空对空的研发,研制出来也没人要,投入的成本很大,最后见不到效益。”

2007年12月,许继电气和ABB公司签订联合研发晶闸管协议,2009年5月,许继电气就向国网交了作业,全部通过试验,而且比合同要求时间提前了5个月。

而且许继电气得益于特高压业务的发展,公司营收也迅速增长,从2009年的30亿,直接跃升到了2013年87亿。有了资金和技术的支持,许继电气在研发上投入了更大的精力,现在智能变配电系统已经超过特高压业务,成为许继电气第一大营收来源。

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许继电气净利润

从国情需求,到技术突破,再到下游企业,特高压输电的良性闭环关系,就这样建立起来了。

05.

2008年1月6日,1000千伏晋东南-南阳-荆门特高压交流线投入商业运行。这是世界上首个实现商业化运行的特高压输电线路。

2010年7月8日,向家坝-上海±800千伏特高压直流输电示范工程投入运行,标志着国家电网全面进入特高压交直流混合电网时代。

截至2020年底,中国已开展建成“14交16直”、在建“2交3直”共35个特高压工程,在运在建特高压线路总长度达到4.8万公里。

运行电压最高、输送能力最强、技术水平最高,这些记录一次次被中国国网所刷新。

我们制定了全球首个具有完全自主知识产权的特高压技术标准体系,更形成了特高压交直流工程从设计到制造、施工、调试、运行、维护的全套技术标准和规范。

中国的标准,就是国际标准。

2019年9月26日,全球最长的输电线路,准东(新疆)-皖南±1100千伏特高压直流输电工程正式投运。

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3324公里,从新疆到安徽,横跨六个省份大半个中国。输送容量达到1200万千瓦,可以满足5000万个家庭的用电需求,这意味着仅这一条线路的输电量,就能覆盖安徽+河南,两个省的居民生活用电。年减少耗煤3800万吨,相当于货运火车少运10000列。

按照现有的输电能力折算:每年可减少燃煤运输约1.9亿吨,减排二氧化碳约3.2亿吨、二氧化硫约100万吨、氮氧化物约94万吨。

从2006年国务院立项,到2009年第一条特高压输电线正式商用,再到35个特高压输电工程,特高压输电项目进展的速度一点都不比高铁慢。为什么美苏日三个国家在特高压上都折戟沉沙,只有我们搞成了?

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两方面的原因。

第一是体制的原因,我们的体制天生就擅长集中力量办大事,更重要的是,国网这种巨头拥有一锤定音的魄力。

回忆起当初一定要上马特高压输电,刘振亚感慨地说“当时看到日本和俄罗斯的特高压都不成功,我压力很大,但为了国家发展,面对再大的风险,也要把特高压搞成功。”

即便当初有反对意见认为特高压过于激进,但只要拍板了,国网就能扛住压力坚决地走下去,建出来一条线路之后,事实就会把反对者的声音压下去。

但在国外不行,加州的高铁项目,从2008年就开始立项,到2015年才动工,断断续续几次停工,拜登上台后项目重启,预计最快到2027年才能通车。为什么修一条三百多公里的高铁这么费劲?不只是土地征用和预算的问题,更是因为总有反对的声音出来添乱,比如州议员要求修建高铁的设备和技术必须百分之百来自美国。

修建第一条高铁,就要求技术100%国产化,就算美国是世界第一强国,短时间内也无法做到,工期就只能被耽误。

还有德国的特斯拉超级工厂项目,马斯克最早对德国工厂寄予厚望,希望能和上海工厂一样成为特斯拉的超级引擎。但现在的马斯克,已经不做这个幻想了。

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今年7月份的德国工厂

柏林工厂光前期的土地平整就干了半年多,当地的居民还有环保组织以各种理由阻止开工,包括但不限于:保护树木、保护地下水源、保护林中的蝙蝠,以及不要打扰正在冬眠的蛇。

电动车已经杀上门来准备革燃油车的命了,他们还在悠哉悠哉地“爱护环境”,要人与自然和谐相处。

没有魄力去拍板,没有定力去执行,任何大事到最后都会在无休止的扯皮和内耗中不了了之。

第二则是市场的原因。

美国、苏联、日本的特高压输电失败,都不是因为技术不行,而是因为需求乏力,没有庞大的用电需求,特高压输电就没有意义。国家必须是一台开足马力的工业机器,必须有稠密的人口展开经济活动,才能消化充足的电力。

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大人口基数+制造业大国,只有满足这个条件,特高压输电项目才有上马的意义。

特高压输电本身,不是技术,也不是工程,而是一个需要全盘考量的大项目,背后托起他的那一只手,与其说是中国电网,不如说是整个中国,这个世界上最大的工业国。

写在最后

中国最牛的科技公司,国家电网当之无愧。

在过去五年发明专利数量企业排行榜里,国家电网以23308项专利高居第一。

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但这不是终点,国网面前,还有更多的挑战需要一步步跨越。

比如在最核心的变压器技术上,和世界先进的ABB与西门子比,我们还有一定差距。

比如在直流和交流的选择上,我们还有点“偏科”。这里多解释一句。特高压直流好比Z字头的车,一站到底,中途不能停,而特高压交流则是高速公路,虽然速度没那么快,但在中途也有出口、能停。

因此直流的优点在于输电能力强,是大功率、远距离的点对点输电,但不能形成网络,不具备网络内的电力接入、传输和消纳。

很长时间以来,我们都比较重视电力输送的效率和成本,因此一直存在着“强直弱交”的问题。而发展交流线路,则可以加强电网之间的同步互联,保证整个国家大电网的安全稳定。

比如,华北电网缺电了,但是华中电网有电力富裕,就可以实现输电支援,但到目前为止,华北华中两大电网之间实际只有一条特高压交流线路,并不能很好地起到调节能力。

还有,我们在西部能源大省的能源利用率仍然比较低。

根据国家能源局2019年数据统计,新疆、甘肃和内蒙古,三省(区)弃风电量合计136亿千瓦时,占全国弃风电量的81%。在西北地区,弃光电量占全国的87%,西藏、新疆、甘肃弃光率分别为24.1%、7.4%、4.0%。

这里仍然有大量的清洁能源被浪费,大自然给我们的馈赠,我们又还给了大自然。

四川省电网的最大负荷3500万千瓦,但省内的水电装机功率达到了9000万千瓦,这其中超过70%都是水力发电,一个白鹤滩水电站,装机功率就达到1600万千瓦,因为输送不出去,很多电厂只能以几分钱的价格把电卖给挖数字币的小矿厂。

张国宝当年在二滩水电站遇到的问题,在今天其实还没有得到完全的解决。

未来,我们的目标是什么,建立一张真正四通八达的电网,一张能源互联网,它辐射的范围不止在中国,而是全世界。

联合国秘书长古特雷斯曾表示,中国特高压技术对可再生能源发展至关重要,全球能源互联网是实现人类可持续发展的核心和全球包容性增长的关键。

什么是全球能源互联网?

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就是中东的电力系统突然崩溃了,我们西南水电站的发电机组紧急投入工作开始发电,输电入网,几大交流输电网络之间协调电力,几分钟内就能把电力送到迪拜。

刘振亚说:如果没有宽带技术,世界能成为地球村吗?如果没有特高压技术,全球能源互联网想都不敢想,现在这才是实实在在可操作的。

金沙江的澎湃水流,冲入水轮机嘶吼,汇入电网之后,点亮阿富汗夜间的盏盏路灯;

青藏高原上的烈日,照射在一片片光伏发电板上,穿越两千公里,东南亚的村庄里再也不用间歇供电;

隔壁滩上的凛凛大风,转动起风车的巨大叶片,让西伯利亚平原上的每一户家庭都能感受到寒冬的暖意;

这才是真正的人类命运共同体。

让中国电网走向世界,我们的路才刚刚开始。

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