在新能源發電機組大量并網和能源互聯網發展的新形勢下，我國特高壓電網規劃工作面臨下列新問題：①電源結構變化對傳統特高壓電網的輸電能力有什么影響?②未來我國電力系統需要什么樣的特高壓電網?③什么條件下新一代特高壓電網才可以全面取代傳統特高壓電網?④新一代特高壓電網可能遇到的關鍵安全問題是什么?

在上述背景下，本文結合我國的能源資源和用電負荷的分布情況、能源傳輸的需求及存在的問題、電源結構變化、電網安全性以及改善環境的需求等影響因素，對上述問題進行討論。

一、電源結構變化對傳統特高壓電網的輸電能力有什么影響?

在輸電通道中間落點及受電端，傳統特高壓交流電網需要穩定可靠的電壓支撐，以保證在重載輸電狀態下遭受故障擾動時，能滿足電力送受兩端發電機組相對角暫態穩定的約束，并且確保在其后的中長過程中，避免受端系統的電壓失去穩定。

傳統的直流輸電系統也要求所連接的交流電網能為其提供穩定可靠的交流電壓支撐，否則不能穩定運行。當傳統的直流輸電系統接入弱交流系統時，容易出現以下問題：高動態過電壓、電壓不穩定、諧波諧振和諧波不穩定、故障恢復的暫態過程不穩、逆變器換相失敗等。

在傳統特高壓直流輸電系統的受端電網，由于通常小規模、分散、間歇性工作的風電和光伏電源不能為直流逆變站提供穩定可靠的電壓支撐，因此需要配置一定數量可提供穩定可靠電壓支撐的火電、核電機組或大容量調相機。

未來在可再生能源發電出力占比很高的情況下，由于電源出力的間歇性和波動性，電網容易出現因電力盈虧波動過大所導致的頻率、電壓不穩定問題。尤其當部分常規發電機組計劃及強迫停運后，電網的頻率、電壓的穩定性會進一步降低，在電網短路故障的沖擊下，伴隨著電壓的不穩定也很容易出現功角失穩問題。因上述情況下下級電網過于脆弱，傳統特高壓電網的輸電能力容易出現嚴重下降的情況。目前針對上述問題的一般對策有：在電網中配置動態無功補償裝置、提高新能源機組低壓穿越能力、風電機組配置能夠響應系統頻率變化的輔助控制環節、增強電網的儲能/發電轉換能力、直流輸電系統根據電網擾動改變其輸送功率等。此外，實現用電需求自動響應網、源側的狀態變化，對提高電網的穩定性也有一定的幫助。但由于在受端電網因新能源出力間歇性大幅降低而缺電時，傳統特高壓電網可能同時因電壓支撐被嚴重削弱而大幅度降低了輸電能力，從而導致受端電網的缺電更趨嚴重。因此對承擔遠距離大容量輸電任務的傳統特高壓電網而言，僅有上述措施是不夠的。除了上述的措施外，在交直流輸電的受端電網以及交流輸電通道落點的中間電網，通常還需保留相當數量可為特高壓電網提供穩定可靠的電壓支撐的常規機組，以確保在需要時特高壓電網有能力將大量的電能向受端電網輸送。

綜上所述，傳統的特高壓交、直流輸電網為了維持其穩定可靠的大容量輸電能力，對電源中的常規電源成分有較強的依賴性。反之，電源中的常規電源成分在未來相當長的時期內，在一定程度上依附傳統的特高壓交、直流輸電網結構而存在。上述兩者在一定程度上具有相互依存關系。

二、未來我國電力系統需要什么樣的特高壓電網?

中國能源資源大部分集中在西北、東北、華北和西南。已建和規劃建設的大型電源基地(含風、光、水、火電)主要分布在新疆(準東、準北、哈密)和內蒙古(蒙西、阿拉善、巴彥淖爾、上海廟、烏蘭察布、勝利、錫盟、呼盟、扎魯特、赤峰)，以及陜西、甘肅、青海、寧夏、山西、四川、云南等省區。上述能源基地到負荷中心區域的距離在800~3000km之間，需要通過交直流特高壓電網將其電力向京津唐、山東、華中、華東、華南等經濟發達地區輸送。基于能源開發和負荷的分布情況，據國家電網公司能源研究院估計，2030年和2050年我國跨區電力流規模將分別達到460GW和680GW以上。

上述情況表明，一方面我國需要以微網為基礎單元建立能源互聯網，形成源、網、儲、荷協調發展的多能集成互補系統，這一結構形式可促進分布式能源的建設和商業運營。另一方面，大型電源基地群遠離大負荷區域的基本國情決定了我國有大規模遠距離輸送電能的特殊需求。基于上述國情，我國能源互聯網建設，在強調信息互聯網和配電網層面的多能互補和互動交易的同時，不應排斥廣域的能源開發、能量流通和交易的需求。未來我國能源互聯網應在能源廣域互聯交易和個體分散產銷兩個層面成為堅實可靠的支撐平臺。因此，我們設想中國能源互聯網的發展目標為：通過信息互聯網技術和能量流通網智能處理技術，在廣域互聯交易和個體分散產銷兩個層面，使風、光、水、火、油、氣、核、電、熱等能源的采集、轉化、傳輸、消納、存儲和釋放過程實現智能化協調優化管理，并支持雙向互動，滿足用戶安全可靠便捷地進行能量生產、消費、存儲、轉換和商業交易的需求。并預計2050年前后，我國將逐步實現上述發展目標。

在我國能源互聯網基本上實現了上述發展目標后，隨著可再生能源和分布式發電技術的發展，原來的電力用戶也將成為數量巨大的能源生產者。將來他們的大量涌現是否會導致特高壓輸電網失去存在的必要性?下面針對這一問題進行簡要的分析。

由于我國中、東、南部負荷中心區域風力資源以及可用于建大型風電場的土地資源不足，預計將來在上述地區數量巨大的個體電力用戶主要依靠光伏電源補充電力供給，但這種分布式屋頂光伏發電容量較為有限，2050年在全國范圍也只有2.6億千瓦左右。而且這種電力會隨著日照和天氣變化情況呈現很大的間歇性和波動性，因此在人口密集的區域，有的時段區域性的電力缺口估計仍會很大，尤其在夜晚負荷高峰時段以及在持續陰雨的季節。上述的電力缺口需要通過廣域能源互聯網從其它區域獲取電力來填補。而2050年以前我國已經建成遠離負荷中心的大型電源基地和特高壓電網，繼續用其獲取和傳輸電能，填補缺電區域的供電缺口，無疑是最為經濟合理的選擇。而且，我國跨區域的特高壓互聯電網不僅僅是能源單向傳輸的通道，同時還是實現廣域范圍間歇性電源出力過程總體平緩化的必要途徑。再者，通過特高壓電網輸送電力，可將邊遠地區大型電源基地生產的過剩電能在用電區域儲存起來用作備用電源。這樣既可減少棄水、棄風、棄光電能，又可提高受端系統供電的可靠性，解決這些區域能源不足的問題。

綜上所述，預計將來至少在相當長的過渡時期內，中國不僅需要區域內的能源互聯網，而且需要跨區域的能源互聯網。2050年前后，特高壓電網仍將為我國廣域大規模能源資源集中開發利用、為滿足負荷中心區域用電需求以及為國際間的電能交易提供服務，發揮不可或缺的重要作用。只不過遠景隨著部分大型煤電基地年發電量的減少，特高壓電網年輸電量可能會相應地減少，在未來能源互聯網中的功能和地位會有所下降而已。

三、什么條件下新一代特高壓電網才可以全面取代傳統特高壓電網?

當電力系統中常規發電機組大量裁減，傳統特高壓交直流輸電網大規模遠距離穩定輸送電力的功能將嚴重削弱。雖然針對這一問題可考慮為傳統特高壓電網部分節點配置同步調相機或靜止同步補償器等，但由于受特高壓變壓器第三卷容量的限制，當特高壓輸電受端下接的電網間歇性地出現嚴重缺電并且電壓低落時，這一措施也不能為特高壓電網及下接的電網提供足夠的電壓支撐。因此，當傳統特高壓電網的基本功能隨著未來電力系統中可再生能源比例的增大而被嚴重削弱時，特高壓電網將需要更新換代。

從電源規劃數據看，2030年前后，中國仍有大量的火電機組可為傳統的特高壓電網提供可靠的電壓支撐，因此傳統的特高壓電網仍可作為中國西南、西北和北部大規模電源基地電力外送的承載體。在此背景下，屆時顯然不宜付出昂貴的代價采用安全防御技術尚不成熟的特高壓直流電網去取代剛建成不久正在正常發揮作用的傳統特高壓電網。

有學者認為，我國用能結構、供能結構的形成有其深刻的歷史原因和資源賦存特征，若在短短三十幾年內讓化石燃料發電設施退出，并大規模使用可再生能源，中國將付出過高的成本。例如電力發展促進會專職顧問姜紹俊認為，2050年我國可再生能源發電量占80%以上的愿望不切實際。比較可行的目標是屆時可再生能源成為中國能源的支柱之一，化石能源發電量比重降至35%～40%，核電、水電及非水可再生能源發電量占到一半以上。

即使按設想的間歇性電源高比例情景，2050年全國總裝機容量預計可達到71億千瓦，可再生能源發電比重雖從參考情景的46%上升到85%以上，但也仍有煤電8.8億千瓦、天然氣發電2.2億千瓦以及核電1億千瓦。

在上述兩種可能出現的場景下，2050年我國仍有足夠的數量的常規火機組可為我國傳統的特高壓電網提供電壓支撐，那時我國傳統特高壓電網仍可正常運行。因此，預計我國傳統特高壓電網在2050年之后才需要隨著常規火電機組的大量退役而逐步更新換代。

四、新一代特高壓電網可能遇到的關鍵安全問題是什么?

未來新一代特高壓電網的輸電能力應能擺脫對傳統常規火電機組的依賴，具備可在間歇性可再生能源占比很高的條件下在廣域范圍大容量多點采集、穩定輸送和分配電力的功能。

隨著以絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistors，IGBT)為代表的全控型功率半導體器件的技術進步，基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術日趨成熟。新型的特高壓電網可采用基于電壓源換流器的高壓直流(voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC)輸電技術，其網絡結構如圖1所示。基于VSC-HVDC構建的網絡通常稱為柔性直流輸電網。這種電網可向無源的受電系統穩定輸電，擺脫了對傳統常規發電機組的依賴。因此，從發展趨勢看，將來特高壓柔性直流電網很有可能取代傳統的特高壓電網而成為新一代特高壓電網，其發展進程與我國新能源機組比例的提高存在相互促進的關系。

圖1 VSC-UHVDC網絡結構示意圖

圖1所示的特高壓直流輸電網絡在直流母線上將多回特高壓直流輸電線連結，形成了“一點對多點”和“多點對一點”的網絡形式。為了避免母線短路時需切除的線路過多，網絡中由母線和斷路器構成的主接線的實際結構比圖1所示的結構要更復雜一些，所需斷路器的數量也更多一些。高壓直流斷路器造價很高，單臺額定電壓和電流為320kV/2kA的混合式高壓直流斷路器的造價高達1~2億元。當電壓和容量進一步大幅提升，混合式特高壓直流斷路器中需要串并聯的電子元器件需要大量增加，其造價也隨之大幅增加。因此，特高壓直流網絡的投資成本將是非常高的。

如果采用特高壓直流電網作為跨區域能源互聯電網的主網架，還應當考慮如下所述的抵御嚴重故障的系統安全性問題。當我國中部、東部和南部的火電機組逐步退出歷史舞臺，而在我國西南、西北和北部大規模電源基地仍在使用的時期，特高壓輸電系統的崩潰，難免導致大規模停電。因此，在我國中、東、南部能源互聯網事故備用電源配置不足的條件下，要將特高壓直流輸電網絡用作為國家電網的主網架，用以替換傳統的特高壓電網，對其安全性就必須提出比地區性直流輸供電網絡更高的要求。以下對特高壓直流輸電系統所面臨的嚴峻的涉及系統安全性技術難題進行簡要分析。

在設備安全方面，由于上述基于電壓源換流器的特高壓直流輸電的元器件故障承受能力差，當直流系統電壓持續跌落至額定電壓的80%以下時，VSC-HVDC將不能正常工作。因此為保證直流電網的安全穩定運行，需配置具有很高的故障響應特性的健全可靠的保護系統。而在系統安全方面，大規模直流網絡中的斷路器如果無法快速切除故障線路，則會波及到與之相連的其它換流器、線路和網絡，釀成大范圍停電。

雖然可以考慮在安全性要求較低的部分區域先建立特高壓柔性直流輸電網絡，但要將特高壓柔性直流輸電網絡全面取代傳統特高壓電網，則須滿足如下技術要求：①要求特高壓直流網絡任意點發生短路故障時，能通過跳開相關的特高壓直流斷路器將故障點及時隔離。②要求在特高壓直流斷路器發生拒動或斷流不成功時，也能夠確保特高壓直流電網中各換流站元器件的安全，并避免因連鎖反應而導致全系統崩潰。

上述第②點要求由本文提出，目前尚沒有解決此問題的可行的技術方案。在特高壓交流電網中，三相斷路器同時拒動的概率可以忽略不計，而單相開關拒動對系統沖擊較小，一般通過失靈保護跳開其它相關斷路器隔離故障點和采取切機等措施，就可維持系統的穩定。但大規模特高壓直流輸電網絡發生短路時，直流單個斷路器拒動對系統的危害估計將不亞于交流三相斷路器同時拒動。因為這種情況下如果還依靠失靈保護動作跳開相關斷路器去隔離故障，就會因電流持續過大而毀壞換流元器件。特高壓直流網絡中單個斷路器拒動或開斷短路電流失敗的故障，很可能導致多個換流站母線電壓持續過低，所引發的連鎖反應可能會導致整個電網崩潰。發生上述故障時，為保護電子元器件采取將各換流站換流閥緊急關斷的措施，也可能直接導致全系統崩潰。

發生上述故障的概率是不可忽略不計的，因為在適用于特高壓直流電網的混合式直流斷路器中，需要串聯多個如圖2所示的開斷模塊，而每個開斷模塊中又含有多個串聯的分元件，若其中的某一分元件出故障，均有可能導致在開斷直流網絡短路電流的過程中，出現電子元器件因局部過電壓被擊穿的問題。譬如，如果圖2所示的載流轉移支路中的某一分元件因故障不能正常導通分流，則負荷轉移開關很可能被自身關斷過程中出現的截流過電壓擊穿，從而導致高速隔離開關也不能正常打開;即使上述過程沒出問題，載流成功轉移到圖2所示的主開斷支路后，如果主開斷支路在其斷流過程中部分元件出故障未同時關斷，也可能導致其余的分元件在其關斷過程中因分擔過高的截流過電壓而被擊穿。此外，高速隔離開關還可能因機械故障而不能打開，從而導致直流斷路器不能成功斷流。綜上所述，特高壓直流斷路器拒動或開斷直流電網短路電流不成功事件的概率，不像交流三相斷路器同時拒動事件的概率那樣可以忽略不計。

圖2 混合式高壓直流斷路器模塊示意圖

從上述情況看，大規模特高壓直流電網在安全性方面所面臨的關鍵問題將比傳統特高壓電網安全性所面臨的問題更難解決。其關鍵安全問題是基于電壓源換流器的特高壓直流輸電系統的元器件承受電網短路、斷路器拒動復合故障沖擊的能力差，此類復故障容易引發連鎖故障從而導致特高壓電網崩潰。

綜上所述，雖然從遠景看，隨著電源組成的改變，將來有采用特高壓柔性直流電網全面取代傳統特高壓電網的需求，但這是否是可行的或最優的方案，尚難預判。如果將來傳統特高壓交直流電網不能被特高壓柔性直流電網順利取代，我國煤電機組退出歷史舞臺的進程就可能需要減緩。

五、結論

1)傳統特高壓電網的輸電能力與系統的電源組成密切相關，若得不到傳統電源穩定可靠的電壓支撐，傳統特高壓電網大規模遠距離穩定輸送電力的能力將嚴重降低。在上述場景下，特高壓電網的結構形態需要相應地改變。

2)2030至2050年，傳統特高壓交直流輸電網仍可適應中國電源組成的變化，在此期間在火電機組提供的穩定可靠的電壓支撐下，傳統特高壓電網仍具備大規模遠距離穩定輸送電力的功能。但部分傳統的特高壓直流輸電的逆變器可能需要改造成電壓源型柔性直流逆變結構。

3)2050年以后，雖然可能存在采用特高壓柔性直流電網全面取代傳統特高壓交流電網的需求，但這是否是可行的或最優的方案，目前尚難預判。不過，在部分安全性要求較低的區域，2050年前后是否可建立區域性的特高壓柔性直流電網，是值得進一步探討的。

4)特高壓柔性直流電網需配置完善可靠的安全措施后，才能全面取代傳統的特高壓交直流電網。若沒有完善可靠的應對特高壓直流斷路器拒動故障的安全措施，則應在多數電力用戶已具備足夠的能力應對特高壓柔性直流電網緊急停運后，特高壓柔性直流電網才能全面取代傳統的特高壓交直流電網。

5)在新一代特高壓直流電網全面取代傳統特高壓交直流電網之前，中國仍需要適當保留一定容量的傳統火電機組。