“电力高速路”投资需求趋涨，消纳困境如何催生输电技术进步？
随着电力系统更新改造需求日渐旺盛，产业界与学术界的交往正变得更为密切。
交直流输电国际会议(ACDC会议)是电力系统领域历史悠久、久负盛名的国际性输电会议，2016年由清华大学引入中国，并自此开始在中国和欧洲轮流举办，目前已举办19届。
今年的ACDC吸引了来自12个国家及地区的共五百多位参会者。在主办方名单中，除了英国工程技术学会(IET)与清华大学。联合主办方还包括怀柔实验室和中国电气装备集团。
参会人员告诉21世纪经济报道记者，ACDC会议以往是学术交流会议，而这是该会议首次将产业界及企业专家引入到交流活动中。
“我们发现，有时候学术界的一些研究工作产业界并不知道。如果在未来的课题中，学术界与产业界一开始就深入合作，学界解决一些基础的科学问题，产业界解决工程相关的问题，这样可以实现更深度、更高水平的科研成果的快速转化。”一名参会的院校专家告诉21世纪经济报道记者。
“电力高速路”直抵消纳难题
21世纪经济报道记者在ACDC 2024会议现场了解到，今年与会专家热议的话题包括，如何实现交流电网络更优质的运行；高压直流输电网络如何实现更长足的发展；输电行业的最新技术发展及目标等。
一直以来，特高压技术都被誉为输电行业的“明珠”。建立一张由“电力高速路”支撑的输电网络，助力实现高比例的可再生能源电力的高质量、低损耗、远距离输送是特高压所长之处。
“过去常听到弃风弃光、新能源没法100%的送出，核心就是通道的问题。”ACDC大会组委会主席、清华大学电机工程与应用电子技术系教授何金良告诉21世纪经济报道记者。
近日发布的《中共中央关于进一步全面深化改革、推进中国式现代化的决定》提到，要加快规划建设新型能源体系，完善新能源消纳和调控政策措施。
“双碳”目标下，可再生能源资源发展迅猛。截至2023年底，我国风电和太阳能发电合计装机达10.5亿千瓦。国务院发展研究中心预计，终端能源利用将由传统化石能源为主转换成电力为主，到2060年，电气化率将由2023年的26%左右提高到60%左右。
新能源电力带来了新的问题，绿电资源利用率持续下降，消纳不足反而造成了浪费。2024年1-4月，全国弃光率达到3.70%，其中甘肃弃光率达到8.90%，西藏弃光率28.20%。
事实上，我国的电力结构呈现出可再生能源集中在三北、西南以及东南深远海区域，负荷中心则位于中部和东南沿海地区的特点，资源与负荷空间不对称分布决定了大规模可再生能源需要高压直流输送。
另一边，内蒙古自治区因其能源禀赋和得天独厚自然资源，尤其是风能、太阳能资源的可开发量分别占全国的57%和21%，位居前列。但是内蒙古自治区东西狭长、跨度较大，东西延绵数千公里。能源生产与负荷中心呈逆向分布，与我国能源国情分布存在逆势特征。因此，近年来同样面对更大规模更高比例的新能源开发、外送、消纳以及电网安全运行和稳定控制所面临的技术难题，内蒙古电力集团正在加快构建以坚强智能电网为枢纽平台的新型电力系统，加快推进沙戈荒大基地新能源惠及工程和500千方主网架输配电工程。内蒙古电力集团还正推动抽水蓄能电站建设和煤电灵活性改造，切实提升了近几年电力系统的综合调节能力和新能源就地消纳的利用水平。
何金良表示，对于新能源高速的发展，像海上风电和沙戈荒地区的绿电送出仍然是一个很大的问题。目前，除了特高压之外，在输电行业还发展出新的技术，例如管道输电以及海上风电送出所需要的高可靠性电缆绝缘材料等技术创新，这都成为当前产业界感兴趣的技术领域。
高压直流输电潜力巨大
与会期间，美国国家工程院院士、弗吉尼亚理工大学杰出教授Dushan Boroyevich博士将时间维度拉长，他告诉21世纪经济报道记者，“如果要在未来30年内实现碳中和目标，不仅要满足新的能源需求增长，甚至非常可能要替换现有的能源来源。因此，在交通、工业、农业、建筑等各个领域找到可替代的方案至关重要。”
Dushan预计，未来30年，新型电力系统的规模大约要放大4到10倍的，这在全球GDP占比中有望达到5%。
Dushan还提出，“如果我们需要建造这么多新的电力系统，为什么一定只能使用150年前的技术呢？我们不一定非要使用50赫兹或60赫兹的恒频电力系统用于新的电力系统。”
这是因为，现有50赫兹的电力系统需要机电同步旋转机，而可再生能源不会有恒频转换的机器，所以直流技术得到了发展的空间。直流输电具有输送灵活、损耗小、能够节约输电走廊、能够实现快速控制等优点。
何金良介绍，我国输电技术中，特高压技术发展相对比较成熟，现在正属于大规模推广的阶段。以往的输电技术损耗大，而采取补偿手段的经济性不高。特高压的优势是适合远距离、低损耗、大能量的电力输送。
此外，在我国，直流特高压技术的发展为东中部地区节约了大量宝贵的土地资源，为当地高附加值产业提供了发展空间。
值得一提的是，特高压为“西电东送”提供重要技术手段并推动东西部协调发展，累计带动西部电源投资1.3万亿元，每年拉动西部地区GDP增长超过2600亿元。
特高压还反哺了超高压设备技术升级，相关电力设备的高端产品已主导国内市场并实现大规模出口。
另一方面，交直电流在电力系统内共存，反而有利于电网安全稳定运行。
何金良还谈到，如果中国的电网都采用交流电，大电网的安全稳定会成为问题。但如果交直流同时存在于电力系统中，有些通过直流来连接，有些通过交流连接，这样整张电网虽然看起来是一张电网，但是出现事故时还是互相独立的，不会出现大面积的停电，对电网的安全能够起到很好的支撑作用。
事实上，构建新型电力系统需要从制度体系、技术装备、可靠性验证等诸多方面逐步推进。尽管特高压柔性直流输电技术已经取得了巨大的进步，中国在这一技术领域上也具有领先优势，但其关键的电力电子元器件仍存在经济性等挑战。这意味着，其中关键零部件的降本空间需要以规模效应来挖掘。
当前，我国新一轮特高压建设的大幕已经拉开。国家能源局的数据显示，2023年，全国电网基本建设投资完成额5275亿元，同比增长5.4%。电网企业进一步加强农网巩固提升及配网投资建设，110千伏及以下等级电网投资占电网工程完成投资总额的比重达到55.0%。
截至2023年底，我国建成跨省区特高压输电工程39条，其中特高压交流19条、特高压直流20条。特高压线路总长度超过4万公里，累计输送电量超过3万亿千瓦时，其中70%以上为清洁能源。
银河证券研报预计，我国在“十四五”和“十五五”期间，将新增27至32条特高压外送直流通道。目前存量线路4条、在建5条，意味着未来还有18至23条的建设空间；预计2024年特高压设备投资有望超400亿元，下半年招标还将提速。
输电行业涌现“新质生产力”
何金良团队从2014年起开展了直流管道输电技术的研究。他告诉21世纪经济报道记者，管道输电可以实现大容量的输电，走地下也不占通道，是一个很有前景、面向未来的输电技术。今年，800千伏的直流输电管道研发被正式写入国家相关攻关计划。
在材料方面，传统的电缆采用的是聚乙烯材料，是依赖进口的材料，很难完全实现自主生产。随着海上风电或者太阳能发电，我国输电领域特别需要大容量的电缆输电技术提供保障。清华大学联合中石化北京化工研究院等单位自主开发了接枝聚丙烯绝缘材料，作为一种热塑性材料，具有可回收再利用的特点。同时，其工作温度可达120度，相对传统的电缆，至少可多输送30%以上的电能。
在量产方面，何金良预计，到今年年底接枝聚丙烯电缆材料中试线将会建成。“这种新的材料完全自主可控，另外它的性能比进口的交联聚乙烯材料要好。”何金良强调，目前这种材料已经研制出110千伏电缆并实现挂网，预计明年实现在220千伏电缆上的应用，后年实现500千伏电缆的应用。
许继电气作为中国电气装备集团的下属子公司，在特高压直流输电换流阀方面掌握了诸多核心技术。针对海上风电送出等业务场景，许继电气对换流阀设备轻型化的需求研发了DRU MMC轻型化混合换流阀关键设备等。已参与了6个柔性直流输电工程的建设，其中包括全球首个五端柔性直流输电工程――浙江舟山±200千伏五端柔性直流工程。
此外，特高压技术的溢出效应不断增强。
今年4月，国家电网巴西控股公司与巴西电力监管局3日在巴西利亚签署“巴西东北特高压项目”特许经营权协议。这一项目是巴西史上最大输电特许权项目。
据此前报道，巴西东北特高压项目是巴西史上最大的输电特许权项目，也是近年来该国最大的基础设施建设项目。该项目由国家电网公司于2023年12月15日成功独立中标。这是继巴西美丽山特高压输电一期、二期项目之后，国家电网公司第三次在海外中标的特高压输电项目。
在多位与会专家看来，产业界与学界的紧密合作，将为推动新型电力系统更安全、灵活、高效的运行提供动力。同时，输电技术的不断发展创新也将进一步促进可再生能源的消纳。
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