德國領(lǐng)跑高壓直流輸電(HVDC)

馮詩齊/編譯

●在高壓直流輸電領(lǐng)域新的進(jìn)展可能預(yù)示著能量傳送方式史詩般的轉(zhuǎn)變。目前，德國正在考慮一個(gè)雄心勃勃的計(jì)劃，力圖推進(jìn)高壓直流輸電（HVDC）計(jì)劃，旨在把目前其處于交流電網(wǎng)邊緣的位置轉(zhuǎn)變?yōu)橹鹘?，為更大范圍輸送電力的直流輸電線路的“超級電網(wǎng)”鋪平道路，乃至最終形成互通互聯(lián)能力的歐洲超級輸電網(wǎng)。

你或許會發(fā)現(xiàn)，斯圖加特將是一個(gè)電力緊缺的最后之地。這個(gè)南德城市的汽車工業(yè)正以24小時(shí)不間斷地運(yùn)行著，有效的措施使得這個(gè)城市的工業(yè)耗能保持了平穩(wěn)，而太陽能電池板在這座城市的主樓上閃爍著光茫。然而，現(xiàn)在這一切都岌岌可危了。由于德國正在加速將核電和化石燃料發(fā)電向可再生資源——風(fēng)能和太陽能——轉(zhuǎn)移，其傳輸能力上的巨大不足便顯露無遺。僅僅為了生存，斯圖加特的工廠——以及橫跨南德的其他電力用戶——就得從北方輸入更多的電力。而德國的電網(wǎng)已是竭盡全力了。

為了填補(bǔ)缺口，德國正在考慮一個(gè)雄心勃勃的計(jì)劃，力圖推進(jìn)高壓直流輸電（HVDC）計(jì)劃，旨在把目前處于交流電網(wǎng)邊緣的位置變?yōu)橹鹘恰Ｔ蚝芎唵危篐VDC似乎比修修補(bǔ)補(bǔ)的交流電網(wǎng)更便宜，同時(shí)提升其如交流電網(wǎng)那樣盡可能多的性能和可靠性。為此，他們正在考慮實(shí)施新的電力電子技術(shù)，做某些過去沒有在商業(yè)線路上做的事情：在數(shù)毫秒內(nèi)停止直流電流。

當(dāng)IEEE Spectrum在4月初付印時(shí)，這個(gè)100億歐元的項(xiàng)目仍然在德國議會中辯論，但第一條HVDC線路的規(guī)劃在順利進(jìn)行。該項(xiàng)目計(jì)劃從南半部一條1 000兆瓦、660公里長的通道A線路開始，串起北海港口城市埃姆登——這是德國博爾庫姆島附近正在修建中的海上風(fēng)電場的連接點(diǎn)——止于斯圖加特西北70公里的菲利普斯堡核電站附近的一個(gè)交流輸電樞紐。

如果德國將HVDC輸電線路向前推進(jìn)，就可能能為某個(gè)更大的、大范圍輸送電力的互通互聯(lián)能力的直流輸電線路的“超級電網(wǎng)”鋪平道路：從北海的渦輪機(jī)、斯堪的那維亞的水壩，或地中海的太陽能電場輸送能源。歐盟委員會或正指望到2050年以這種方式來滿足其可再生能源供應(yīng)目標(biāo)的80%。通道A可視為是第一步。

可再生能源提速挑戰(zhàn)現(xiàn)有電網(wǎng)

有關(guān)HVDC計(jì)劃的想法緣于兩年前。當(dāng)時(shí)日本福島核事故致使德國總理默克爾計(jì)劃關(guān)閉其國家17座核反應(yīng)堆中的8座，并重提將在2022年逐步關(guān)閉剩余的其他核反應(yīng)堆的計(jì)劃。雖然這僅只減少德國年度發(fā)電量的16%，其份額約為巴伐利亞州和巴登-符騰堡州的近一半。屆時(shí)，斯圖加特將不得不通過獲取遙遠(yuǎn)的風(fēng)電和化石燃料電廠能源來彌補(bǔ)部分缺口。總之，一旦最后一座核電廠關(guān)閉，就需將數(shù)十億瓦電力從北方輸?shù)侥系?。而現(xiàn)有的電網(wǎng)根本承受不了這樣的挑戰(zhàn)。

可再生能源或因上述原因?qū)⒈粧仐墶＠缭?010年，德國風(fēng)電場發(fā)電約127億瓦特小時(shí)電能，足以供應(yīng)超過30 000戶德國家庭一年所需。然而，現(xiàn)有電網(wǎng)可能沒有能力傳輸這些電力，致使德國聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)局(BNetzA)在其年度報(bào)告中警告說，從核能向可再生能源轉(zhuǎn)變的提速 “把傳輸系統(tǒng)逼到了墻角?！?/p>

跨越網(wǎng)格：德國的輸電系統(tǒng)運(yùn)營商已提出四條HVDC線路(沿三條通道)，將會跨越該國的交流電網(wǎng)，幫助從北(風(fēng)力資源豐富)到南(更多依賴核電)輸送電力。2011年，德國關(guān)閉了八座核反應(yīng)堆。九座仍保留的反應(yīng)堆預(yù)計(jì)到2022年停止運(yùn)行

像許多德國城市一樣，斯圖加特也有一個(gè)復(fù)雜的能源投資組合：所需電力的八分之一自己生產(chǎn)，其余的大部分來自其他地方。在德國，無論是城市還是州，太陽能電池板的增長最快，這得益于聯(lián)邦政府的獎勵價(jià)格設(shè)定。到2020年，在巴登-符騰堡生產(chǎn)的能源僅光伏(PV)一項(xiàng)將高達(dá)18%。

然而，這一指標(biāo)在冬天很難達(dá)到，晚上更是如此。同時(shí)，太陽能發(fā)電正在削平電價(jià)峰值，削弱了天然氣和煤電廠盈利的能力。設(shè)在杜塞爾多夫的E.ON能源公司，去年11月封存了兩家天然氣廠并擱置了最新型的成煤植物的計(jì)劃時(shí)，便被指責(zé)為削弱了市場。所有這一切均發(fā)生在德國南部。

減少煤炭和天然氣是德國應(yīng)對氣候變化的關(guān)鍵。然而，氣候的變化卻令負(fù)責(zé)監(jiān)管電網(wǎng)的BNetzA憂心忡忡。在前兩個(gè)冬季，為了確保安全過冬，BNetzA甚至向南德和奧地利的幾家燃?xì)獍l(fā)電廠預(yù)付酬金，讓這些工廠保持待命狀態(tài)。

事實(shí)上，南部風(fēng)電建設(shè)的條件或許比較寬舒——但也并不多——南部的風(fēng)力通常比較和緩，渦輪發(fā)電機(jī)的建造也牽涉到選址等問題，如德國著名的黑森林(巴登-符騰堡州西南山區(qū))正受到當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)的舍命保衛(wèi)，而以追加抽水蓄能功能來擴(kuò)展南部的電力存儲能力也遇到了環(huán)保團(tuán)體的抵制，他們辯稱，建造新的水電站會破壞野生動物的棲息地。

總之，除了從北部調(diào)送更多的電力外，在南部，自身電力拓展似乎別無他方。其中調(diào)送的電力包括相當(dāng)數(shù)量的風(fēng)電，它已經(jīng)占德國電力消耗量的8%，預(yù)計(jì)到2022年還要翻番。

HVDC抑或是較完美的解決方案

德國地區(qū)電網(wǎng)輸電系統(tǒng)運(yùn)營商(TSOs)自2005年以來一直在關(guān)注交流輸電網(wǎng)中的變化。據(jù)當(dāng)時(shí)德國能源機(jī)構(gòu)公布的一項(xiàng)分析顯示，可再生能源所發(fā)的電已經(jīng)讓國家電網(wǎng)處于過載的風(fēng)險(xiǎn)之中。由于傳統(tǒng)電廠的就近輸電模式，輸電網(wǎng)絡(luò)將越來越多地承擔(dān)起將可再生能源從過剩地區(qū)輸送到需求地區(qū)的任務(wù)。該機(jī)構(gòu)呼吁對電網(wǎng)適度擴(kuò)容5%，計(jì)劃到2015年完成850公里超高電壓交流線路。

現(xiàn)有的基于IGBT的HVDC單元，像如上所示的ABB的輕型HVDC系統(tǒng)，不能獨(dú)自中斷直流電流

2010年德國能源機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，為應(yīng)對風(fēng)電和太陽能發(fā)電的增長，到2020年德國還將需要增加3 600公里的交流輸電線路；由于環(huán)保團(tuán)體阻礙等因素，如在2015年完成850公里中的214公里超高電壓交流線路，也是一個(gè)未知的數(shù)字。這些變化并不僅僅是可再生能源發(fā)電激增的緣故，還因交流輸電網(wǎng)的物理狀態(tài)更顯惡化。德國的輸電網(wǎng)，像大多數(shù)國家一樣基本是單回路的，由相互連接的高壓線路網(wǎng)構(gòu)成：電流自由地在網(wǎng)絡(luò)中電阻最小的路徑中流動，而電阻則隨著遍布全德國(以及全歐)的發(fā)電廠，以及幾百萬家庭和使用各種電器和機(jī)器的工廠而瞬息萬變。

在一個(gè)交流輸電網(wǎng)中要從點(diǎn)A到點(diǎn)B獲取更多的電力的話，往往需要建立不止一條線路，以確保電流不至于在輸電網(wǎng)最薄弱的路徑上過載。盡管某些新技術(shù)可以將交變電流轉(zhuǎn)到特定的線路，但這些技術(shù)在大規(guī)模實(shí)施時(shí)代價(jià)昂貴。

HVDC則提供了一套比較完美的解決方案。由于電力電子技術(shù)置于線路的兩端，一條單一的HVDC線路可視為一個(gè)高容量的“電蟲洞”，就近將電能從產(chǎn)地汲出，再注入遠(yuǎn)在幾百甚至幾千公里外的交流輸電網(wǎng)絡(luò)，其電能方向和幅度可以精確控制。這在完全開放的網(wǎng)絡(luò)的回路中對于一個(gè)交變輸電線路來說是不可能完成的。當(dāng)?shù)聡妮旊娤到y(tǒng)運(yùn)營商計(jì)算所需成本后，他們發(fā)現(xiàn)，直流輸電系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向可再生能源方面并不十分昂貴，緣于必須新建或升級的線路并不多。

另一個(gè)吸引人的因素是電子換流器的改進(jìn)——線路兩端的裝置可將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，或者反之——典型的HVDC輸電線路采用晶閘管(可控硅整流器)構(gòu)造的換流器，其高效卻能力有限，并依賴交流輸電系統(tǒng)來支持其運(yùn)作。結(jié)果，HVDC通常被視為可在長距線路中傳輸?shù)姆€(wěn)定電力荷載，比如水力發(fā)電。

上世紀(jì)90年代后期，瑞士-瑞典的工程巨頭ABB向市場推出了采用高頻硅絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)換流器，這些“電壓源換流器”(VSC)在控制電壓的同時(shí)，可以幫助穩(wěn)定其周圍的交流電網(wǎng)。在HVDC線路中使用VSC，即數(shù)以百計(jì)的IGBT串連后從交流輸電線路中引導(dǎo)電力，并將其整流成直流線路中的穩(wěn)定電流；而線路下游端的換流器執(zhí)行類似的過程，將電流轉(zhuǎn)回到交流電。同時(shí)，這些基于IGBT的換流器可以監(jiān)視并調(diào)整交流輸電線路上電壓的陡降或激增。比如，在交流輸電點(diǎn)連接近海風(fēng)電場過程中，那里不斷變動的功率電平需要對電壓實(shí)行動態(tài)控制。

“全橋子模塊”讓人們陡生希望

或許HVDC能挑戰(zhàn)交流輸電方式在電力網(wǎng)絡(luò)中的核心地位。然而，基于IGBT的換流器在挑戰(zhàn)交流輸電技術(shù)之前，仍有幾個(gè)障礙要克服：一是其容量上限只有幾百兆瓦；另一是每個(gè)換流器的開關(guān)損耗大約為傳輸功率的1.5%～2%。也就是說，如果一條線路中連接有上千臺海上風(fēng)力蝸輪機(jī)的話，就會耗費(fèi)掉近15～20臺蝸輪機(jī)所發(fā)的電。

2010年，西門子公司向市場推出了一款模塊化多級換流器，消除了上述這兩個(gè)障礙。這款新型換流器集成了幾百個(gè)微型換流器或“子模塊”，將換流器容量從原先的幾百兆瓦提升到1 000兆瓦或更多——這正是德國的輸電系統(tǒng)運(yùn)營商正在追求的規(guī)模，他們已將這款新型換流器作為優(yōu)先考慮的對象。

德國的輸電系統(tǒng)運(yùn)營商為此草擬了一條線路，把HVDC線路建造在現(xiàn)有的交流輸電走廊之下，使用相似的輸電塔——這是第一條采用基于VSC技術(shù)的線路 （一條暴露無遺的直流輸電線路易受雷電襲擊、樹木碰撞等損害）。鑒于通道A和其他三條規(guī)劃好的直流輸電線路將在一個(gè)已顯擁堵的電網(wǎng)中扮演中心角色，運(yùn)營商們同時(shí)也在搜尋一種更先進(jìn)的HVDC換流器，即可以容許故障、或迅速從故障中恢復(fù)。

能夠中止高壓直流電流動的HVDC設(shè)備需要具備什么特性，可以讓一條線路快速重置并重啟？這對交流輸電線路不成問題——即便是超高壓線路——因?yàn)殡妷好看螝w零電流就會反向。任何一個(gè)零點(diǎn)都能中斷電路，無需發(fā)生破壞性的跳躍。然而，直流電流卻只能做到中止輸送。在高壓下快速中止，就如同猛然關(guān)上超速行駛的卡車門?！霸谥绷鬏旊娭?，始終處于充滿能量的狀態(tài)。如果你試著用一臺機(jī)械斷路器來中斷直流電……就會燒掉開關(guān)柜，”ABB電力事業(yè)部首席技術(shù)主管克拉斯·瑞特夫(Claes Rytoft)說。

如今的以IGBT換流器構(gòu)成的HVDC線路，是依靠交流輸電網(wǎng)關(guān)閉換流器而繞過了中斷問題。為清除直流輸電線路的故障，一臺置于上游端的高速交流斷路器可以在不到100毫秒內(nèi)切斷電流。瑞特夫說，這聽上去很快，但這只是重啟線路的一小步，系統(tǒng)必須等待半秒鐘便于故障清除后關(guān)閉交流斷路器，以便重置換流器。而讓換流器返回到全功率狀態(tài)或許要花費(fèi)2秒時(shí)間，他補(bǔ)充道。HVDC線路在幾百兆瓦情況下工作狀態(tài)良好時(shí)，類似通道A這樣的線路會把海嘯的多余能量分流到交流電網(wǎng)。而隨著HVDC換流器的關(guān)閉，它或許無助于交流輸電網(wǎng)應(yīng)對干擾。

最直接的解決方案或許是重新設(shè)計(jì)交流-直流換流器模塊的斷路器功能。一種已定位于某些低功率直流輸電單元功能上的設(shè)計(jì)，即IGBT數(shù)量翻一番，意在建立一個(gè)“全橋子模塊”。全橋的兩個(gè)額外IGBT在給電路更大靈活性的同時(shí)，可以增加電容器應(yīng)對故障的能力。在正常使用中，電容器被用來作為短期的能量緩沖區(qū)，但在直流輸電線路發(fā)生故障時(shí)，全橋的額外開關(guān)可以重新配置電路，引導(dǎo)電壓穿過電容器，使子模塊對抗直流輸電線路中的電壓為零。

西門子基于絕緣柵雙極晶體管(IGBT-based)的模塊化多級換流器，于2010年投放市場，包含幾百個(gè)微型換流器或曰“子模塊”。這樣可將換流器的整體能力從幾百兆瓦提升到1000兆瓦甚至更高——這正是德國的輸電系統(tǒng)運(yùn)營商正在追求的規(guī)模

今年2月，法國電力設(shè)備供應(yīng)商阿爾斯通公司展示了一款含有全橋子模塊的換流器，能在2.5微秒之內(nèi)壓制超逾3 000安培的直流電流——比交流輸電斷路器快40倍以上——在穩(wěn)固交流電網(wǎng)的同時(shí)，一旦故障消除就能以全功率輸送直流電流。然而，速度的提高也會造成部分損失，因?yàn)槿珮蜃幽K采用的IGBT數(shù)量是現(xiàn)有模塊化換流器的兩倍，每臺換流器返回的損失可能高達(dá)1.7%。德國TransnetBW公司系統(tǒng)分析高級經(jīng)理托馬斯·安道夫(Thomas Ahndorf)坦承：“它是在損失和安全之間的一種權(quán)衡?！?/p>

創(chuàng)新者們期待新技術(shù)結(jié)出碩果

HVDC的創(chuàng)新者們競相在展示更聰明的選項(xiàng)。阿爾斯通的方法是僅用全橋子模塊替代部分多級換流器的2-IGBT子模塊來限制損失。11月，ABB展示了一套全新的HVDC方案：用一臺獨(dú)立的斷路器置于HVDC線路上，與標(biāo)準(zhǔn)的2-IGBT換流器同時(shí)使用（用兩個(gè)電子斷路器構(gòu)成一個(gè)機(jī)械開關(guān)）。在正常操作中，電流通過機(jī)械開關(guān)和兩個(gè)斷路器中較小的一個(gè)，當(dāng)系統(tǒng)檢測到一個(gè)故障時(shí)，這個(gè)較小的斷路器啟動中斷程序，對IGBT門施加電壓以提升其阻抗。然后，再通過較大的斷路器分流直流輸電電力（斷路器中有足夠的IGBT來中斷電流）。當(dāng)電流切換時(shí)，觸發(fā)機(jī)械斷路器（物理上）斷開默認(rèn)的通路。最后，較大的斷路器切斷備用通路，制止直流電流。根據(jù)瑞特夫的說法，所有這一切不超過5毫秒。而且?guī)缀鯖]有效率損失。

渦輪裝置矗立在德國北海海岸上。巴德近海1號風(fēng)電場號稱有80臺渦輪發(fā)電機(jī)。圖為一臺這樣的渦輪發(fā)電機(jī)矗立在HVDC換流器平臺旁

與此同時(shí)，西門子公司正在同模塊化多級變換器發(fā)明者、慕尼黑聯(lián)邦國防大學(xué)電力電子與控制專業(yè)主任雷納·馬夸特 (Rainer Marquardt)開展第三方合作。馬夸特計(jì)劃將他為西門子VSC換流器發(fā)明的兩個(gè)子模塊相連接（該子模塊采用了第五個(gè)IGBT），這種“雙料子模塊”可以調(diào)整電容器以停止直流電流。由于在特定的時(shí)刻，五個(gè)IGBT中只有三個(gè)在傳導(dǎo)電流，與一臺全橋換流器相比，它要丟失三分之一的電力。這一方案或許要比ABB的獨(dú)立斷路器便宜，因?yàn)椤半p料子模塊”既能作換流器又能作斷路器。馬夸特估計(jì)，他的設(shè)計(jì)在成本和占用空間上與今天的VSC換流器相比差不多。

HVDC的創(chuàng)新者都在加快步伐。阿爾斯通計(jì)劃在數(shù)月內(nèi)以更高的電流測試它的設(shè)計(jì)，西門子尚未透露馬夸特的設(shè)計(jì)計(jì)劃。據(jù)馬夸特說，它執(zhí)行起來不會很難，因?yàn)樾碌淖幽K本質(zhì)上是西門子已經(jīng)售出的部件的直接替代品。而ABB正在尋找合作伙伴來測試其系統(tǒng)，旨在2017年為它的第一項(xiàng)商業(yè)應(yīng)用作好準(zhǔn)備。

或許，HVDC的創(chuàng)新者們在期待新技術(shù)結(jié)出碩果：一條能對電能優(yōu)化的跨大洲或跨國流動的HVDC輸電網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)在他們有了更多的信心，馬夸特說，這樣的超級網(wǎng)絡(luò)既需要先進(jìn)的換流器，又需要獨(dú)立的斷路器，而后者正是德國運(yùn)營商力推的器件。

與此同時(shí)，由于交流輸電網(wǎng)中的跨界流動越來越難以控制，顯然出現(xiàn)了對HVDC電網(wǎng)的需求。例如，捷克正在與德國的邊界處安裝移相變壓器，以阻止后者的可再生能源轉(zhuǎn)道能力有限的捷克電網(wǎng)循環(huán)。包括法國的輸電系統(tǒng)運(yùn)營商也認(rèn)為，這種“非正常”的電力流動在整個(gè)歐洲大陸日顯增多。他們也盯上了HVDC線路。

事實(shí)上，一個(gè)歐洲超級電網(wǎng)更容易協(xié)調(diào)分布廣泛的可再生能源的來源，而且要比逐一改造各國的輸電網(wǎng)便宜。為此，歐洲大型輸電網(wǎng)計(jì)劃已被列入議事日程中。例如，一個(gè)為期三年的名為E-Highway 2050項(xiàng)目，正在建立一個(gè)模塊化的方案——如同通道A那樣的HVDC線路——最終將形成歐洲超級輸電網(wǎng)。而德國電氣及電子信息委員會正在起草相關(guān)HVDC電網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

目前，德國的輸電規(guī)劃人員僅僅想贏得第一條HVDC線路的建設(shè)。他們敏銳地意識到時(shí)間正在流逝：計(jì)劃需要核準(zhǔn)、然后落實(shí)經(jīng)費(fèi)，最后開工建設(shè)。而且一次只能一條線路，還得與每條線路的對手談判協(xié)商，時(shí)間一年年在溜走。但前景是誘人的，設(shè)在柏林的智庫Agora Energiewende預(yù)測，到2022年，德國可再生能源的發(fā)電能力將達(dá)到130 GW，2012年約為75GW。

如果不能把電力送到需要的地方去，所謂向綠色能源轉(zhuǎn)換也就成了一句空話。