能源

特高压:中国“超级电网”的梦想与现实

特高压输电线路对未来的绿色发展至关重要,而中国是这方面的全球领军者。然而,“超级电网”的扩张遇到了一些障碍。
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上海奉贤换流站的输电线,2021年1月。图片来源:伍惠源/第六声
上海奉贤换流站的输电线,2021年1月。图片来源:伍惠源/第六声

由于本地煤炭储量少,加上冬季变化无常的降雨让水电难以依靠,湖南长期面临频繁停电的问题,不仅居民为之烦恼,经济增长也受到阻碍。因此,2015年批准建设特高压输电线路时,人们对其寄予厚望。

新的特高压输电线路将从甘肃省西北部能源丰富的酒泉地区,一路把煤电、风电和太阳能带到湖南,满足该省四分之一的能源需求。

当时,国网湖南省电力公司的一名员工自信满满地告诉《经济参考报》,“预计建成后湖南10年以内不会出现缺电现象。”耗资260亿人民币、全长2383公里的祁韶(酒泉-湖南)特高压输电线路于2017年投入运营,成为中国不断扩张的特高压电网的一部分。

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上海奉贤换流站的换流设施。图片来源:伍惠源/第六声

去年12月中国部分地区遭遇的一场寒潮却让这份信心受到了考验。一方面,工厂正开足马力生产,弥补全球其他地方因新冠疫情导致的工业停摆。另一方面,由于温度骤降,人们纷纷打开电暖器——南方地区人们通常用电取暖。湖南省有关部门预测,冬季高峰期用电缺口为300万到400万千瓦,约占全省电力10%。在增加供给显然吃力的情况下,政府选择拉闸限电,关闭政府机关的空调,关掉路灯,并要求企业服从有序用电安排,错峰生产

《中国能源报》在一篇分析如何避免此类限电的报道中指出,祁韶特高压线路的实际送电能力一直不及预期。一位未透露姓名的湖南电力专家告诉《中国能源报》,投入运行以来,该线路输电能力仅为设计能力的一半多一点,因此他们认为解决湖南电力缺口还得依靠本地。

“远亲不如近邻,”这位专家说,“解决能源缺口还得靠本地电源。”

这对于那些对中国特高压寄予厚望的人来说是一盆冷水。一项有潜力覆盖整个国家的技术却因为电力系统的各自为营、技术上无法兼容绿色能源,以及在放开的电力市场中的收益前景等问题而一直受到阻碍。

特高压线路建设成本高、难度大,其输电电压达到800千伏以上,是传统高压线的两倍,不仅能将输电能力提高5倍,还能将输送过程中的电力损耗降到最低。因此,特高压线路被视为解决中国电力资源分布和能源需求错配问题的答案:风能、太阳能等能源资源大多位于西部内陆省份,但东部沿海地区却是电力负荷的中心。

特高压线路还能提高中国对可再生能源的利用。这也是中国实现习近平主席到2060年实现碳中和的承诺所必须的。远距离调度电力可以缓解风电和光伏发电的波动性特点,让特高压成为抗击气候变化的关键

十多年来,中国在特高压技术领域一直处于领先地位。2009年,中国第一条特高压线路投入运营以来,目前已建成了一个由31条特高压线路组成的输电网络,且建设热潮丝毫没有放缓的迹象。国家电网在3月初公布的一项计划中表示,打算在未来五年内再建设七条特高压线路

Shanghai Fengxian Converter Station
上海奉贤换流站。图片来源:伍惠源/第六声

上海的“远亲”

在上海郊区的农田和湿地中间,矗立着这座城市唯一一座远距离特高压交直流换流站。这座单调的建筑群被林立的金属杆和电线环绕着。换流站工程师张德桢用手指了指那些整齐延伸到高耸的铁塔顶端并消失在远方雾色中的电线,解释说,这些电线连接上海和1900公里以外的四川向家坝水电站。

这条线路的最大输送容量是640万千瓦,可提供上海40%的电力。“这是上海电力系统最重要的一条线路。”张德桢告诉第六声。据国家电网统计,四川的水电让上海每年少烧130万吨煤,减少约270万吨二氧化碳排放。

但这一数字还能增加。张德真说,向家坝-上海线只在4到11月才满负荷运行。这几个月气温高,空调的使用增加了用电需求。上海的冬天通常不太冷,此时国家电网会限制特高压线路的荷载。“(我们)必须考虑上海电网系统的稳定性。”张德真说。如果特高压线路承担上海电力供应过多,那么任何故障——例如沿线任何地区的天气影响——都可能导致上海电网崩溃。“不能把鸡蛋放在一个篮子里。”他说。

1月初,之前席卷湖南的历史性寒潮也令上海电力系统的稳定承受了压力。国网上海电力公司需求响应中心主任郑庆荣告诉第六声,公司当时预计会面临供应紧张,并已经从外省购买了额外电力。此类购电有时会伴随涨价,他说。

这条特高压线路的存在缓解了压力。“今年冬天的配额比去年高。”张德桢工程师说。“当时上海本地的电站已经竭尽所能,满负荷生产。”尽管上海2400多万人口的用电需求激增,当地部分电力设备因设备超载而受损,但没有出现电力短缺的问题。

一个月后,美国得州成为了缺少这种外部输电的反面案例。众所周知,得州的电网是独立运营的,没有与国内其他地区的电网相联络。当这场冬季风暴来袭,无法进口电力是导致随后灾难的因素之一,郑庆荣说。超过400万人失去电力供应,数百人因试图在车库中启动汽车取暖而一氧化碳中毒。这场寒潮可能与中国东部地区遭受的寒潮一样都是由气候变化相关现象引起的。

郑庆荣说,各省电网进一步互联互通可以帮助中国电网应对电力需求激增和气候不可预测性带来的日益严峻的挑战。目前,各省形成了由六大区域电网组成的格局,区域电网间有部分电力交易,但大多依赖中长期合同。政府的目标是增加电力交易,形成全国性市场。与此同时,国家电网正努力将更多的省级区域与特高压线路连接——目前六大区域电网的格局保持不变——从而建立一个全国性的“超级电网”。

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上海奉贤换流站员工张德桢正在换流器区域巡查。图片来源:伍惠源/第六声

地方考量

但湖南等地的经验表明,这一愿景或许难以实现。位于四川、云南两省交界处,金沙江上的白鹤滩水电站正在建设之中,2022年全面建成后,将成为继三峡大坝后全球第二大水电站。白鹤滩水电站规划之初,就计划连接两条特高压线路,为东部沿海的浙江和江苏两省输送电力。但电力归属之争令项目延期。

据报道,电站投资方和开发商中国长江三峡集团希望将电力直接输送到受电省份,这也是一种常见且节约成本的方式。但在电站规划阶段没有表现出过多热情的四川和云南两省后来却希望分得一部分电力,以造福本省经济。据报道,四川认为电站应首先接入本省电网,然后再向东部输送,这样就可以借此赚取输电费用。四川省还希望保留一些绿色能源来减少当地的空气污染,北京大学能源研究院专家杨富强称。

最终,国家能源局同意四川和云南的诉求,允许两省每年留存白鹤滩电站和金沙江上另一座电站生产的100亿千瓦时电力。此次争端导致中央政府审批推迟,特高压基础设施——包括换流站和直线塔——建设进度落后,而年发电量预计达到625亿千瓦时的白鹤滩电站则有可能不得不减少发电至少一年

这样的情况不禁让人对中国特高压工程的核心价值产生疑问,用西部和北部地区的能源过剩来弥补东部地区的能源短缺是否还是一个合理的安排?近年来,在政府政策的鼓励下,加之沿海地区包括劳动力成本在内的各项成本增长,工业正向西部内陆转移。“很明显,能源密集型产业已经自发地向西部转移,因为东部地区的电力成本高很多。”浙江大学电气工程学院教授徐政告诉第六声。

因此,西部地区自身的能源需求正在迅速增长。官方数据显示,2020年云南、四川两省的电力需求较2019年均增长超过5%,是全国增幅最大的两个省份。“整体局势很明确,未来我们需要更多的电力。”徐政说。(研究人员估计到2030年中国的用电量将比2020年增加60%。) “但未来东部地区还需要这么多电吗?西部还有足够的电外送吗?这很难说。”

目前还不清楚特高压线路将如何融入未来开放的电力市场。目前这些线路还是根据中国老式计划体系进行电力的“僵直外送”,总部位于北京的智库卓尔德环境研究中心(Draworld Environment Research Center)分析师张树伟说。特高压线路根据长期发用电计划,以固定价格和数量输送电力。因此,虽然很多受电省份正在实验放开电力市场,但无论市场情况如何,特高压线路输入的电力往往需要保证一定数量的使用。“线路的运营没有考虑供需两端的动态变化,”张树伟说,“基本上就是特权线路。”

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上海奉贤换流站。图片来源:伍惠源/第六声

绿色电力

提高特高压线路的使用率,进而促进阳光和风力充足的西部地区的新能源生产,这是中央政府的一项首要任务。但国家能源局在最新的督查报告中指出,特高压线路新能源输送量仍低于要求。国家电网在3月初公布的计划中承诺,到2025年水电等清洁能源在长距离输送项目中的占比将2020年的43%提升至50%。虽然目前水电是中国主要的清洁电力来源,但浙江大学的徐政表示,中国可开发的水电所剩无几。“进一步提高清洁能源的份额,必须依靠增加更多新能源(如太阳能和风能)。”他说。

中国的可再生能源法要求政府和国家电网优先发展绿色电力,但该法律存在的诸多漏洞意味着这部法律“更多地被视为一项指导方针”,兰陶集团(The Lantau Group)能源顾问余德伟(David Fishman)告诉第六声。使用其他地方生产的电力可能会与受电省份的地方利益背道而驰。“受电省份或地区实际上没有吸收这些新能源以及调整自身运营的动力。”总部位于赫尔辛基的能源与清洁空气研究中心(Centre for Research on Energy and Clean Air)首席分析师柳力(Lauri Myllyvirta)称。“他们不想从其他省份进口电力,而是希望尽量自己发电,从而最大限度地满足当地GDP需求。”

特高压线路至今未能接入很多绿色电力,还有一些技术方面的原因。目前大多数线路不能单独输送不稳定的风电和太阳能,而是需要和煤炭、水电等更加稳定的能源捆绑在一起。纯绿色能源的组合存在风险,因为电力供应可能突然下降,进而威胁电网稳定。“在这种多能互补中,风电所占的比例较低,通常占三分之一左右。”徐政说。他表示,理论上认为新一代特高压线路可以应对风电和光伏的波动性。但中国唯一一条新一代特高压线路目前用于输送水电,所以这一理论仍未得到实际检验。

另一种技术解决方案是将可再生能源与储能结合,降低出力的波动性,让特高压线路更易输送。目前至少六个省份已经强制要求新的可再生能源项目配备储能设施,但也有人批评,在目前的电池成本下,由此带来的费用增长将导致电力在市场上失去价格竞争力。风电和光伏大省青海则为这些可再生能源加储能项目提供补贴。

与此同时,几乎可以肯定的是,可再生能源在中国电力生产中所占的比例将会上升。为了在2060年实现碳中和的目标,中国已经承诺到2030年非化石能源占比将2019年的15%上升至25%。价格降低也让可再生能源成为更经济的选择。“从经济的角度来说,可再生能源相当有竞争力。”华北电力大学能源专家王飞告诉第六声。这就给特高压线路提出了挑战。“如果他们能证明这些线路可以输送清洁电力,那中国将成为这方面的领军者,因为其他许多国家在建设此类输电项目方面有很大困难。”能源与清洁空气研究中心的柳力说。

3月2日,财新英文版报道称,中国投入使用时间最长的特高压线路,山西-湖北线终于在12年后开始接近满负荷运行。

消息来自一座专门为特高压线路提供电力的全新的燃煤发电厂。此前,该电厂项目曾因中国控制煤炭使用而被搁置,但在2019年获准恢复建设。

本文首发于第六声,编辑为宋楷文(Kevin Schoenmakers),刘楚月亦有贡献。

翻译:YAN