Mitch Leslie

Senior Technology Writer

美國(guó)加利福尼亞州計(jì)劃到2030年60%的電力將從可再生能源中獲取[1]。但是，該州自身只能生產(chǎn)大約一半的電力，其余的則需要通過進(jìn)口獲得[2]。相比之下，到2030年，美國(guó)中西部地區(qū)的可再生能源發(fā)電量將超過所需電量的兩倍，以至于該地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)必須將其發(fā)電量削減61% [2]。

對(duì)于這種不平衡的問題，即如何將中西部地區(qū)的多余電力輸送到加利福尼亞州，當(dāng)前美國(guó)電網(wǎng)無法找到合適的解決方案?？偛课挥诿绹?guó)華盛頓州的貿(mào)易組織Wires包含電力公司、輸電線路運(yùn)營(yíng)商和工程公司[2]，由其委托發(fā)布的一份最新報(bào)告指出，為實(shí)現(xiàn)各州和各公司設(shè)定的可再生能源目標(biāo)，美國(guó)需要建立大量新的輸電線路以在區(qū)域內(nèi)和區(qū)域之間輸送電力。

中國(guó)和歐盟面臨著與美國(guó)相同的挑戰(zhàn)。他們都試圖將更多的可再生能源納入其能源結(jié)構(gòu)，因?yàn)殡娏π枨笞罡叩拇蟪鞘胁灰欢拷稍偕茉醋畋阋撕妥钬S富的地區(qū)。但中國(guó)和歐盟采用與美國(guó)不同的策略來修改電網(wǎng)以分配電力。

在美國(guó)，風(fēng)力發(fā)電的主要地帶是該國(guó)的中部地區(qū)，即從得克薩斯州到加拿大邊境[3]，而西南部各州則具有最大的太陽能發(fā)電潛力[4]。美國(guó)愛荷華州立大學(xué)電力系統(tǒng)工程學(xué)教授James McCalley說，由于建造新的輸電線路要比建設(shè)收集可再生能源的設(shè)施便宜，如果這些設(shè)施位于這些能源豐富的黃金地段，消費(fèi)者將會(huì)獲得最加便宜的電力。“理想情況下，我們希望在資源質(zhì)量最好的地方建造設(shè)施，然后將能源輸送到所需要的區(qū)域。”

美國(guó)麻省理工學(xué)院電氣工程學(xué)教授John Kassakian表示，大家普遍認(rèn)為美國(guó)電網(wǎng)正在崩潰且跟不上時(shí)代，但這種觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的?！昂苊黠@，目前的電網(wǎng)滿足了各處所需?！泵绹?guó)匹茲堡大學(xué)工程學(xué)教授Gregory Reed說，無論如何，美國(guó)電網(wǎng)的確需要進(jìn)行大規(guī)模的升級(jí)，才能最佳地分配大量可再生能源。Reed說，一旦可再生能源設(shè)施開始提供千兆瓦的電力，而不是如今常見的兆瓦電力，“我們就沒有充足的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施來輸送了”。

然而，美國(guó)依靠的主要是3個(gè)獨(dú)立的電力網(wǎng)絡(luò)，而不是一個(gè)完整的全國(guó)性電網(wǎng)[5]。東部電力互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)覆蓋該國(guó)東部和中部大部分地區(qū)。西部電力互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為幾乎整個(gè)大平原以西的地區(qū)提供電力。第三個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)服務(wù)于得克薩斯州的大部分地區(qū)。McCalley說，盡管電力可以在各個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)中傳輸，但是只有少量、低容量的連接將這3個(gè)系統(tǒng)連接在一起，并且它們幾乎不共享電力。因此，內(nèi)布拉斯加州的風(fēng)能無法到達(dá)洛杉磯，而亞利桑那州的太陽能也無法被用于紐約。

Reed說，升級(jí)美國(guó)電網(wǎng)以優(yōu)化可再生能源的分配“需要對(duì)高壓直流輸電進(jìn)行大規(guī)模投資”。與在美國(guó)占主導(dǎo)地位的交流電（AC）相比，高壓直流（HVDC）輸電線路通過相同的路線可以傳輸8倍的電力，而且每公里損耗的功率更少[6,7]。Reed說，高壓直流輸電線路的建造成本也更低。但是，由于高壓直流輸電線路兩端的地區(qū)都需要昂貴的換流站來與交流電進(jìn)行電力轉(zhuǎn)換[8]，除非它們的長(zhǎng)度大于300 km，否則它們并不具有成本效益。McCalley說，美國(guó)目前有5條高壓直流輸電線路，但只有兩條被用于遠(yuǎn)距離傳輸可再生能源生產(chǎn)的電力。一條500 kV的線路從西北太平洋地區(qū)給加利福尼亞州南部地區(qū)帶來1361 km外的水電，另一條450 kV的線路從魁北克地區(qū)傳送水電到1480 km外的馬薩諸塞州[9]。

許多改造美國(guó)電網(wǎng)并增加長(zhǎng)距離高壓直流輸電線路的方案已被提出[7]。全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織（Global Energy Interconnection Development and Cooperation Organization）在2019年發(fā)布的一項(xiàng)計(jì)劃要求，到2035年在北美增加10條新的800 kV超高壓直流輸電線路，以及多條新的高壓交流電線路[10]。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（US National Renewable Energy Laboratory）于2018年進(jìn)行的一項(xiàng)研究，評(píng)估了建立東西部地區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)之間更牢固聯(lián)系的3種方法[11]。例如，一項(xiàng)提議建議增加互聯(lián)電網(wǎng)之間現(xiàn)有連接的能力。第二種方案是增加3條高壓直流輸電線路，將中西部和南部地區(qū)連接到西部各州。第三種方案是建設(shè)一條為全國(guó)大部分地區(qū)提供電力的高壓直流輸電“宏網(wǎng)絡(luò)”。研究發(fā)現(xiàn)，這3種選擇均優(yōu)于僅增加每個(gè)互聯(lián)電網(wǎng)中的交流線路數(shù)量的方法，且節(jié)省的成本在13%～26% [12,13]。如果美國(guó)采取碳定價(jià)政策，收益將更大。協(xié)助進(jìn)行這項(xiàng)研究的McCalley說，增強(qiáng)互聯(lián)電網(wǎng)之間的電力交換將會(huì)提高電網(wǎng)的可靠性、彈性和適應(yīng)性。

但是，是否建造新的高壓直流輸電線路尚不確定。Reed說，美國(guó)沒有升級(jí)完善國(guó)家電網(wǎng)以容納更多可再生能源的國(guó)家戰(zhàn)略。潛在的新線路面臨經(jīng)濟(jì)和政治方面的障礙。Kassakian說，由于獲得許可十分困難，因此“建立新的電力輸送渠道是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)”。任何擬建的輸電線路都需要得到其所在州的政府的批準(zhǔn)，有些州不同意建造高壓直流輸電線路[14]。Kassakian說：“各州對(duì)建造線路基本上都是壟斷的?！?/p>

圖1. 過去20年，中國(guó)積極擴(kuò)大了高壓輸電能力。圖為新建運(yùn)行的1100 kV的超高壓直流輸電線路的一部分。該線路是輸送距離最長(zhǎng)、電壓最高的線路，連接中國(guó)西北部的新疆和東部的安徽，全長(zhǎng)3293 km。圖片來源：人民網(wǎng)湖北頻道，2019年9月28日。

而且，并非所有人都認(rèn)為需要建造這些新的運(yùn)輸線路。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授Alexandra von Meier說，一些替代方法，如增加本地電力存儲(chǔ)和更好地控制需求等，可以在不用建造大量新線路的情況下更多地使用可再生能源。她說：“如果建造輸電線路是必須的，我支持，但是在這樣做之前，我們應(yīng)該考慮其他解決方案并權(quán)衡取舍?！?/p>

與美國(guó)不同，中國(guó)在積極提高其高壓直流輸電線路的輸電能力，目前已有22條超過800 kV的超高壓線路，數(shù)量超過了其他所有國(guó)家[15,16]。中國(guó)計(jì)劃至少再建造11條超高壓線路[15]；巨大的電壓容量使遠(yuǎn)距離傳輸成為可能，因?yàn)榫€路損耗的電力將更少[15]。2019年，中國(guó)建成了世界上距離最長(zhǎng)、電壓最高的輸電線路，這條超高壓直流輸電線路可輸送1100 kV的電力，覆蓋了從中國(guó)西北部的新疆到中國(guó)東部的安徽之間的3293 km的距離（圖1）[17]。中國(guó)電網(wǎng)現(xiàn)代化的另一個(gè)關(guān)鍵部分是超高壓交流電輸電網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)將超高壓直流輸電線路輸送的電力進(jìn)行分配[16]。

中國(guó)升級(jí)換代的輸電系統(tǒng)使它能夠更有效地利用其可再生資源。例如，在2017年，新疆不得不削減或阻止其電網(wǎng)發(fā)電量中20%的太陽能發(fā)電和25%的風(fēng)力發(fā)電[17]。新的1100 kV線路使更多的電力可以到達(dá)中國(guó)所需電力的地區(qū)。然而，該線路僅能攜帶約50%的可再生能源所產(chǎn)的電力，其余的來自燃煤電廠[17]。

中國(guó)的電網(wǎng)現(xiàn)代化確實(shí)有一些局限性。它價(jià)格昂貴，新疆至安徽的電力運(yùn)輸線路花費(fèi)了超過407億元人民幣（約合58億美元）[15]。關(guān)于電路系統(tǒng)中的高壓直流和高壓交流電部分如何配合仍然存在問題（圖2）[15]。

圖2. 圖為新建的1100 kV輸電線路的兩臺(tái)巨型變壓器之一，該輸電線路在中國(guó)新疆和安徽之間延伸3293 km。變壓器位于運(yùn)輸線路的終點(diǎn)，長(zhǎng)37.5 m、重816 t。變壓器的效率高于99%，可將超高壓線路的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，并分配給城市。圖片來源：Siemens（新聞稿）。

歐盟將可再生能源并入電網(wǎng)的戰(zhàn)略著眼于增加其電力系統(tǒng)之間的整合。與美國(guó)類似，歐盟包括具有不同權(quán)力組合和戰(zhàn)略的國(guó)家。例如，德國(guó)目前有46%的電力來自可再生能源[18]，瑞典有50%以上[19]，而盧森堡則約有10% [20]。歐盟目前的目標(biāo)是要求成員國(guó)到2020年將其發(fā)電量的10%進(jìn)行跨境輸送，而到2030年將其發(fā)電量的15%輸送出去[21]。人們認(rèn)為這樣的傳輸可以更好地實(shí)現(xiàn)電力的供需平衡，并將可再生能源轉(zhuǎn)移到需要的地方。

歐盟成員國(guó)也在計(jì)劃或正在建造新的高壓直流輸電線路，以重新分配可再生能源。例如，在2019年，德國(guó)批準(zhǔn)了第一條高壓線路，將北海的風(fēng)能引入該國(guó)南部地區(qū)[22]。一條位于北海下面、從挪威通往英國(guó)蘇格蘭的高壓直流輸電電纜也在2019年獲得了批準(zhǔn)[23]。Reed說，與中國(guó)不同，歐洲高壓線路的建設(shè)并不積極。他說：“就像美國(guó)的電網(wǎng)一樣，他們的電網(wǎng)已經(jīng)被很好地建立起來了?！?/p>