2015年12月，《聯(lián)合國氣候變化框架公約》近200個締約方在巴黎氣候變化大會上達成《巴黎協(xié)定》。該協(xié)定為2020年后全球應對氣候變化行動做出安排。從環(huán)境保護的角度看，《巴黎協(xié)定》的最大貢獻在于明確了全球共同追求的“硬指標”。其長期目標是將全球平均氣溫較前工業(yè)化時期上升幅度控制在2℃以內，并努力將溫度上升幅度限制在1.5℃以內。只有全球盡快實現(xiàn)溫室氣體排放達到峰值，本世紀下半葉實現(xiàn)溫室氣體凈零排放，才能降低氣候變化給地球帶來的生態(tài)風險以及給人類帶來的生存危機。
在《巴黎協(xié)定》達成后的5年來，歐盟、加拿大、日本、以及中國等超過30多個國家和地區(qū)出臺了本國碳達峰和碳中和的政策目標。比如2020年9月以來，我國領導人多次在重要場合強調要在2030年碳排放達峰，2060年實現(xiàn)碳中和目標；日本和韓國提出了2050年實現(xiàn)碳中和的目標；歐盟也提出了2050年碳中和的目標。
在不久前的2月8日，聯(lián)合國秘書長古特雷斯在英國格拉斯哥舉辦的《聯(lián)合國氣候變化框架公約》第26次締約方會議的籌備情況線上簡報會上強調實現(xiàn)碳中和，及建立全球碳中和聯(lián)盟的重要性。他希望能在2050年之前，全球實現(xiàn)碳中和。
所謂的碳中和指的是每年的二氧化碳排放量與減排量互相抵消，為零排放。
也就是說，要想減少碳排放，就需要盡量減少化石能源的消耗。然而，在我國，煤炭仍然在能源和電力結構中占有很大的比例，根據(jù)中電聯(lián)最新的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2020年煤炭在一次能源消費結構中的占比約為56.7%，火電發(fā)電量在我國總發(fā)電量中的占比約為67.8%。
要想達成碳中和，我國在能源供給端就需要更多地使用太陽能、風能、生物質能、水電等可再生能源；在能源消費端提升電力的消費比例，降低二氧化碳的排放；在能源傳輸端則要降低損耗。
提升可再生能源給電網帶來挑戰(zhàn)
在可再生能源中，主要有傳統(tǒng)的水電、新興的光伏、風電，以及仍在技術創(chuàng)新中的生物質能（包括垃圾發(fā)電、生物燃料等）、地熱能和潮汐能等等。
圖：電力系統(tǒng)結構圖。（來源：上海宏力達招股書。）
一般來說，電力系統(tǒng)由發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等環(huán)節(jié)組成。發(fā)電廠將一次能源轉換成電能，經過輸電和配電將電能輸送和分配到最終電力用戶，從而完成電能從生產到使用的整個過程。
電力網根據(jù)在電力系統(tǒng)中的作用分為輸電網和配電網。輸電網是通過高壓、特高壓輸電線路從發(fā)電廠輸送到變電站的環(huán)節(jié)。配電網是從變電站接受電能，通過配電設施就地或逐級分配給客戶的電力網，通常把電力系統(tǒng)中二次降壓變電站低壓側直接或降壓后向客戶供電的網絡稱為配電網。配電網是電力系統(tǒng)向客戶供電的最后一個環(huán)節(jié)，它由配電設施（其中包括饋線、配電變壓器、斷路器、各種開關等配電設備）、繼電保護、自動裝置、測量和計量儀表以及通信和控制設備構成一個配電系統(tǒng)。
在我國配電系統(tǒng)中，電壓等級包括10kV、20kV、35kV和110kV等，其中10kV是我國應用最廣的配電電壓等級。
隨著可再生能源的比例越來越高，電力系統(tǒng)受到的挑戰(zhàn)也越來越大。因為傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)是一個電源隨著負荷波動運行的系統(tǒng)，而新能源加入之后，電源側不可控的隨機波動性也增大，要求其他電源也要平抑新能源的波動。而新能源比例越高，波動越大，其他調節(jié)電源需要作出的調整越大。
還有一點是，新能源的出力曲線往往與負荷曲線并不匹配，極端情況下甚至呈現(xiàn)相背的特點。光伏“晚峰無光”，風電“極熱無風”，以及冬季常見的陰雨寡照、靜穩(wěn)霧霾和低溫冰凍天氣，往往造成新能源在冬夏用電高峰時“臨陣脫逃”。2020年8月14、15日，美國加州在高溫大負荷期間，就因晚峰時段新能源減發(fā)導致大規(guī)模停電。在國內，新能源比例較高地區(qū)多次出現(xiàn)發(fā)電低于預測，被迫對工業(yè)用戶實施有序用電措施。
此外，對電力系統(tǒng)而言，必須將交流電壓的幅值、頻率以及通過輸變電設備的電流維持在限額之內，才能安全有效傳輸電能。這需要電力系統(tǒng)中的電源能夠為系統(tǒng)運行提供足夠的旋轉備用、電壓支撐和轉動慣量，以應對各種設備故障。水火電等同步發(fā)電機性質的電源，因轉子質量大、慣性大，在電壓和頻率小幅波動時可穩(wěn)定運行，所以能夠可靠有效地提供上述三種輔助服務。新能源因源端獲取的能量波動不穩(wěn)、或以直流電流形式輸出，所以必須通過由電力電子器件構成的變頻器、逆變器方能并網運行，電力行業(yè)稱之為“電力電子化電源”。受此技術特性影響，新能源難以向電力系統(tǒng)提供與其發(fā)電功率相應的旋轉備用和轉動慣量，能夠提供的火電機組為了讓出電能消納空間，不能開機并網。
因此，從目前的技術水平來看，未來的電力系統(tǒng)必然是“雙高”的，即并網運行的設備中新能源比例高、電力電子化比例高。“雙高”電力系統(tǒng)如何安全穩(wěn)定運行目前還是“無人區(qū)”，全世界的電力系統(tǒng)運行者都還在探尋摸索。
最近的典型案例是英國2019年8月9日下午發(fā)生的大停電。這次停電造成了包括倫敦在內的100萬電力用戶受到影響。事故的起因只是一起電力系統(tǒng)運行中常見的線路接地故障，卻在英國最大的海上風電場導致大量機組變頻器因無法承受電壓波動跳閘，功率缺失后系統(tǒng)頻率小幅下滑，又引發(fā)各地配電網的分布式光伏因逆變器耐頻性能不足、無序脫網，進一步拉低系統(tǒng)頻率；而此時并網常規(guī)電源較少，無力提供足額的旋轉備用和轉動慣量，遏制系統(tǒng)頻率一步步下滑，直到跌至48.9Hz，引發(fā)配電網中為防止系統(tǒng)頻率崩潰而設置的低頻減載自動裝置動作，切除了大量負荷，造成大面積停電，才穩(wěn)住系統(tǒng)頻率跌勢，阻止了英國電力系統(tǒng)的全面崩潰。發(fā)生大停電的英國，其可再生能源裝機比例約為47%，同時具備良好調節(jié)性能的天然氣裝機比例超過40%，但調節(jié)電源充分并不意味著能夠應對系統(tǒng)缺乏轉動慣量的問題。
為了應對這種情況的發(fā)生，我國目前的做法是希望構建堅強智能電網來防止此情況的發(fā)生。比如我國智能電網的總體目標是：建設以特高壓電網為骨干網架，各級電網協(xié)調發(fā)展，以信息化、自動化、互動化為特征的堅強國家電網，全面提高電網的安全性、經濟性、適應性和互動性。
能源互聯(lián)網建設提速
在2008年，美國著名學者、經濟趨勢基金會主席杰里米˙里夫金首先提出了“能源互聯(lián)網”(Energy Internet)的概念。所謂的“能源互聯(lián)網”指的是“互聯(lián)網”與能源生產、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的能源產業(yè)發(fā)展新形式。
據(jù)全球能源互聯(lián)網發(fā)展合作組織在2017年2月發(fā)布的《全球能源互聯(lián)網發(fā)展戰(zhàn)略白皮書》介紹，全球能源互聯(lián)網是以特高壓電網為骨干網架，堅強智能電網為基礎的能源網絡，分為國內互聯(lián)、洲內互聯(lián)和洲際互聯(lián)三個發(fā)展階段。
根據(jù)《全球能源互聯(lián)網發(fā)展戰(zhàn)略白皮書》的測算，構建全球能源互聯(lián)網能夠拉動世界投資規(guī)模超過50萬億美元。2030年到2050年，各國各洲電網或將實現(xiàn)互聯(lián)互通，全球能源互聯(lián)網成形。
其實能源互聯(lián)網的核心特高壓直流輸電+清潔能源+智能電網，而特高壓輸電是實現(xiàn)清潔能源發(fā)電全球范圍調劑的唯一途徑。按照國家電網公司的構想，2020-2030年將是建設全球能源互聯(lián)網的第二個階段，主要用作是推動洲內大型能源基地開發(fā)和電網跨國互聯(lián)。
就在2020年12月27日，隨著國家能源局局長章建華下達啟動投產指令，國家西電東送重點工程------烏東德水電站送電廣東、廣西特高壓多端柔性直流示范工程正式建成投產。這是世界上第一條±800千伏特高壓多端柔性直流輸電工程，其建成投產幾乎登上了年度能源新聞排行榜前列，被認為“我國在世界上率先系統(tǒng)掌握了特高壓多端混合柔性直流技術體系”，并“引領世界特高壓技術進入柔性直流新時代”。
此前，世界主流輸電模式都是“直流送電、交流組網”。這是交直流輸電本身的技術特性決定的：常規(guī)直流主要用于點對點、遠距離、大容量電源外送，而不能組網；交流輸電則可以滿足常規(guī)電源送出和電網互聯(lián)需求，且成本低。但這一基本模式卻面臨一個“原理性障礙”，即所謂“多直流饋入”問題。當大流量的常規(guī)直流匯入電網，就像一條大河流入一個水庫，一旦常規(guī)直流線路“閉鎖”，就像河水突然截停，會導致水庫缺水。
然而柔性直流改變了這一切。柔性直流(flexible）是20世紀90年代興起的新一代“電壓源型”直流輸電技術。和傳統(tǒng)“電流源型”直流相比，它對電壓、頻率的控制更加靈活，就像一個完全可控的水泵，能夠精準控制水流的方向、速度和流量，使水庫更加平穩(wěn)，河流被截停的幾率也大幅下降。
柔性直流輸電也是未來中國電網升級的重要技術手段。它可以解決當前大電網面臨的諸多問題，比如孤島供電、城市配電網的增容改造、異步交流系統(tǒng)互聯(lián)、大規(guī)模新能源發(fā)電并網等，對傳統(tǒng)交流電網具有重要的互補價值。其核心電力電子器件是全控型IGBT器件。
圖：國家電網在建在運特高壓工程示意圖。（來源：國家電網官網）
根據(jù)國家電網的數(shù)據(jù)顯示，截止到2021年2月，國家電網建成投運“十三交十一直”24項特高壓工程，核準、在建“一交三直”4項特高壓工程。已投運特高壓工程累計線路長度35583公里、累計變電（換流）容量39667萬千伏安（千瓦）。加上南方電網在運的“4直”，目前國內在運的特高壓直流網共有15個。
根據(jù)《中國“十四五”電力發(fā)展規(guī)劃研究》的預測，到2025年，我國特高壓直流工程將會達到23個，總輸送容量達到1.8億千瓦。就在2020年11月，國家發(fā)改委核準了白鶴灘-江蘇直流工程，該工程全長2087公里，總投資307億元，計劃2022年建成投運。
有業(yè)內人士預計，未來我國特高壓線路將會進入常態(tài)化核準狀態(tài)，我國能源互聯(lián)網投資建設步伐將會持續(xù)加快。
結語
在碳中和目標的推動下，加上我國能源的分布和消耗分布不均，需要大容量、長距離輸送能源，特高壓作為新能源大規(guī)模遠距離消納的重要手段，無疑會成為“十四五”，乃至“十五五”投資的重點。在特高壓直流輸電系統(tǒng)中，換流站的投資額占到了整個工程投資的30%左右，而換流站中的換流閥/IGBT、直流避雷器、控制保護系統(tǒng)和換流變壓器等為主要支出。
也就是說，能源互聯(lián)網建設的加快，對IGBT、換流變壓器、直流避雷器、橋臂電抗器等電力電子器件的需求也會進一步提升。
