陸海空天四維空間電力系統(tǒng)互聯(lián)的探討

劉同同 溫建春 芮樹玲

國網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司 山東 青島 266001

0 前言

化石能源的日益枯竭和環(huán)境污染的逐漸加劇，使人類社會發(fā)展受到了嚴(yán)重制約，積極開發(fā)新能源，加快推進“兩個替代”，構(gòu)建高效、便捷、靈活的能源利用和傳輸平臺成為人類生存發(fā)展面臨的嚴(yán)峻課題［1］。文獻［2-5］分別論述了能源多元化格局中遠(yuǎn)海風(fēng)能、高空風(fēng)能、波浪能、空間太陽能的發(fā)電形式和戰(zhàn)略地位，但并沒有提及電力系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，制約了此類能源利用的靈活性和普及性。文獻［6］以前瞻性的戰(zhàn)略眼光討論了能源互聯(lián)網(wǎng)的基本概念和研究框架，但能源互聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)仍是地面電網(wǎng)，且未提及空間能源的開發(fā)和傳輸利用。

本文基于陸海空天4種平臺將能源進行分類，提出了構(gòu)建陸海空天四維空間互聯(lián)電力系統(tǒng)平臺的概念，該平臺采用“廣義電網(wǎng)”進行互聯(lián)，除傳統(tǒng)地面電網(wǎng)外，還包括天基太陽能的微波輸電系統(tǒng)、?；茉吹暮５纂娎|輸電系統(tǒng)、空基能源的高空輕纜輸電和空-地機械傳動。綜述了大電力系統(tǒng)互聯(lián)平臺的必要性和可行性，指出了需要解決的空間電站運行控制和微波輸電技術(shù)、高空風(fēng)電機組穩(wěn)定控制技術(shù)，以及需要建立的災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警體系并給出了功能示意框架。

1 陸?？仗焖木S空間大電力系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1 陸基電力系統(tǒng)

陸基電力系統(tǒng)是以陸地為發(fā)電平臺，將地表及地內(nèi)能源轉(zhuǎn)換為電能并進行傳輸?shù)碾娏ο到y(tǒng)，包括火電、水電、核電以及光伏發(fā)電、地面風(fēng)電、地?zé)岚l(fā)電等。陸基電力系統(tǒng)具有運行環(huán)境平穩(wěn)，能源來源穩(wěn)定，具備成熟的地面電網(wǎng)傳輸分配條件。火力發(fā)電受化石能源儲量的限制和環(huán)境污染的加劇，要高效利用。水利發(fā)電具有清潔無污染，能源可再生，資源豐富等特點，要大力發(fā)展。在保證安全性的前提下，核電是最具有發(fā)展?jié)摿Φ哪茉蠢梅绞剑咚侔l(fā)展具有“固有安全性”的核電［7］。地面光伏發(fā)電和風(fēng)電在地面電網(wǎng)的滲透率不斷增大，要提高電能的轉(zhuǎn)換效率和并網(wǎng)質(zhì)量。積極推進地?zé)岚l(fā)電等成果的轉(zhuǎn)化和推廣力度。

1.2 ?；娏ο到y(tǒng)

?；娏ο到y(tǒng)是以海洋為發(fā)電平臺，將海洋上空、洋流表層和大洋深處能源轉(zhuǎn)換為電能并進行傳輸?shù)碾娏ο到y(tǒng)，包括海上風(fēng)電、潮汐發(fā)電、波浪發(fā)電等。海洋能源儲備大，清潔無污染可再生，利用潛力巨大，但發(fā)電環(huán)境受臺風(fēng)、海嘯、洋流等海況和海洋災(zāi)害的影響較大。海上風(fēng)電具有風(fēng)速較高、湍流強度小、主導(dǎo)風(fēng)向穩(wěn)定等特點，可大規(guī)模開發(fā)利用，如圖1所示。潮汐發(fā)電利用海水漲、落潮的能量推動水輪機進行發(fā)電，其優(yōu)點是具有月平均規(guī)律性，發(fā)電曲線具有日變化和月變化的特點。

圖1 海上風(fēng)電場示意圖

1.3 空基電力系統(tǒng)

將高空能源（主要指風(fēng)能）轉(zhuǎn)換為電能并進行傳輸?shù)碾娏ο到y(tǒng)，稱為空基電力系統(tǒng)，以高空風(fēng)電為代表。高空風(fēng)能具有資源豐富優(yōu)質(zhì)、風(fēng)能密度大、風(fēng)速風(fēng)向穩(wěn)定等特點。高空風(fēng)電有兩種實現(xiàn)模式，第一種是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備在高空完成整個發(fā)電過程，將產(chǎn)生的電能通過高空輕纜傳輸?shù)降孛骐娏ψ儞Q裝置進行利用，以加拿大Magenn公司開發(fā)的馬根電力空氣轉(zhuǎn)動系統(tǒng)為代表，如圖2所示［3］。第二種是在空中將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機械能，通過聯(lián)動裝置將捕獲的機械能傳輸?shù)降孛妫?qū)動地面發(fā)電設(shè)備，以意大利巨杉公司的設(shè)計的KiteGen為代表，把旋轉(zhuǎn)的12組風(fēng)箏放到2km的高空收集風(fēng)力，牽引一個處在磁場中直徑100 m的旋轉(zhuǎn)木馬轉(zhuǎn)盤進行發(fā)電，轉(zhuǎn)盤上連接著一些高阻電纜，每對電纜都控制著一個風(fēng)箏的方向和角度，如圖 3 所示［8］。

圖2 馬根電力空氣轉(zhuǎn)動系統(tǒng)

圖3 固定在地面的旋轉(zhuǎn)木馬式轉(zhuǎn)盤

1.4 天基電力系統(tǒng)

以太空及天體為發(fā)電平臺，將空間能源（主要指太陽能）轉(zhuǎn)換為電能并傳輸?shù)降孛娴碾娏ο到y(tǒng)，稱為天基電力系統(tǒng)，如空間太陽能電站?？臻g太陽能具有能流密度大、持續(xù)穩(wěn)定、不受晝夜氣候影響、潔凈無污染等優(yōu)點［9］。天基電力系統(tǒng)有兩種形式，第一種是空間電站在與地球相對靜止的繞地軌道運行，發(fā)出的電能通過微波傳輸?shù)降孛?，如圖4所示。第二種是在月球表面建立太陽能發(fā)電基地，通過微波將電能傳輸?shù)降孛?，如圖5所示。

圖4 繞地軌道空間電站

圖5 月球基地太陽能電站

2 建立電力系統(tǒng)互聯(lián)平臺的必要性和可行性

化石能源雖仍承擔(dān)著社會發(fā)展的主要驅(qū)動力，但其儲量有限且?guī)憝h(huán)境壓力的不足已受到其他能源的挑戰(zhàn)。據(jù)國際權(quán)威組織預(yù)測，全球的煤炭儲量還可以開采約216年，天然氣約為55年，而石油僅能供應(yīng)約34年，就會開采殆盡［9］。化石能源的過度使用也引發(fā)了地球變暖、霧霾污染等嚴(yán)重的氣候問題。另一方面高空能源、天基能源、?；茉匆约按竺弘?、大水電等能源基地與人類負(fù)荷中心地理位置和空間區(qū)域上的不平衡，必然要求遠(yuǎn)距離、大容量、多樣化的發(fā)電和輸電模式。四維空間電力系統(tǒng)互聯(lián)平臺能夠充分發(fā)揮資源開發(fā)、配置、利用的優(yōu)勢，有效地駕馭各類能源，優(yōu)化能源機構(gòu)。

目前世界各國在陸、海、空、天各領(lǐng)域積極進行能源的開發(fā)利用。陸基平臺建立了技術(shù)成熟、運行靈活的特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)，遠(yuǎn)距離大容量、跨國跨地區(qū)的輸電格局已經(jīng)形成，努力實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)［10］。

我國擁有18000km大陸海岸線，可利用海域面積多達(dá)300萬km2，5～25m水深線以內(nèi)近海區(qū)域、海平面以上50m高度風(fēng)電可裝機容量約2億kW，70m以上可裝機容量約5億kW［11］。自2007年中海油建成我國第一個海上風(fēng)電站“中海油綏中36-1”到2010年東海大橋海上風(fēng)電場示范項目全部并網(wǎng)發(fā)電，我國已步入海上風(fēng)電大國行列。目前我國已經(jīng)規(guī)劃的海上風(fēng)電項目總計約有24個，沿海省市發(fā)展規(guī)劃情況如表1所示。根據(jù)可再生能源“十二五”規(guī)劃［12］，2015年中國海上風(fēng)電將達(dá)到500萬kW，2020年海上風(fēng)電將達(dá)到3000萬kW，有望成為全球海上風(fēng)電第一大國。世界潮汐能的理論蘊藏量達(dá)4000GW，當(dāng)前研究的139座沿海潮汐電站總裝機容量為810GW，可發(fā)電量為2000TW·h。潮汐能發(fā)電是?；娏ο到y(tǒng)中發(fā)展最早，技術(shù)較成熟的一種。目前世界上潮汐發(fā)電的設(shè)備日臻完善、技術(shù)日趨成熟，潮汐發(fā)電并網(wǎng)的經(jīng)濟可行性得到證明［13］。

文獻［14］對高空風(fēng)力資源的研究表明，距地表上空500~12000m的高空，風(fēng)能資源極其豐富，對此部分風(fēng)力資源進行開發(fā)，高空風(fēng)電能夠滿足全球百倍的電力需求。美國紐約準(zhǔn)備建立高空風(fēng)電站，將2~4臺高空風(fēng)能發(fā)電機安裝在紐約市曼哈頓地區(qū)的高空為城市供電。我國江蘇，浙江，山東等地區(qū)的高空風(fēng)能密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于紐約，具有廣闊的發(fā)展空間。國內(nèi)華銳、金風(fēng)等風(fēng)電設(shè)備制造商對高空風(fēng)力發(fā)電表示了極大的興趣，2009年掌握了全球領(lǐng)先“天風(fēng)”技術(shù)的留美博士張建軍在廣州組建了我國首家高空風(fēng)電企業(yè)“廣東高空風(fēng)能技術(shù)有限公司”，該公司已成功研發(fā)出高空風(fēng)電樣機，下一步擬建示范電站，這將是中國第一個實用性的、產(chǎn)業(yè)化的高空發(fā)電示范電站。

表1 我國東南沿海省市海上風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃

天基發(fā)電也是世界各國努力占領(lǐng)的科技領(lǐng)域，太空中的光照強度要比地面高出5～10倍，在陽光充足的地球靜止軌道上，每平方米太陽能可產(chǎn)生1336W熱量。自1968年美國彼得·格拉澤首先提出空間太陽能發(fā)電（SSPS）概念以來，日本、歐洲、中國紛紛致力于空間電站計劃的研發(fā)。圖6為日本推出的SSPS計劃，在2030年建立一個太陽能板的總面積為4km2，額定容量為100萬kW的太空太陽能電站，足以為30萬個家庭供電。圖7為歐洲提出的太陽帆塔衛(wèi)星空間電站的概念，塔的兩邊安裝了長寬都為150m的太陽帆電池陣，使用電力轉(zhuǎn)換成微波的技術(shù)，可以將電能精確安全地送回地球。

圖6 日本SSPS計劃 空間電站

圖7 歐洲太陽帆塔衛(wèi)星 空間電站

中國推進空間太陽能電站發(fā)展計劃分為4個階段，2011~2020年開展空間太陽能電站系統(tǒng)方案詳細(xì)設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)研究，進行關(guān)鍵技術(shù)驗證；2021~2025年進行低軌道系統(tǒng)試驗驗證；2026~2040年在低軌關(guān)鍵技術(shù)驗證的基礎(chǔ)上，進一步研究經(jīng)濟上和技術(shù)上更為可行的空間太陽能電站系統(tǒng)方案和關(guān)鍵技術(shù)，進行地球同步軌道相關(guān)試驗；2041~2050年實現(xiàn)空間太陽能電站商業(yè)運行。

3 構(gòu)建電力系統(tǒng)互聯(lián)平臺需解決的技術(shù)問題

3.1 空間電站運行控制和微波輸電技術(shù)

空間電站系統(tǒng)體積龐大，太陽能電池陣列所處的天空環(huán)境惡劣，系統(tǒng)運行壽命達(dá)30~40年，在全任務(wù)周期內(nèi)面臨著超強電離輻射、大量空間碎片和流星體的碰撞威脅，空間電站自主故障診斷、無人組裝隔離技術(shù)是日常運行維護中面臨的一項難題。空間電站的面積達(dá)幾十平方公里，在運行過程中，既要保證太陽電池陣列最優(yōu)對日定向，又要保證微波束與地面接收天線精確定向，因此空間電站的位置控制技術(shù)也是需要研究的課題。

空基微波輸電系統(tǒng)由太陽能量收集器、直流電-微波轉(zhuǎn)換器、大型天線列陣（接收天線）3部分構(gòu)成，如圖8所示。太陽能量收集器將太陽能轉(zhuǎn)換成直流電功率，再由直流電-微波轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成微波能量，地面天線陣列接受微波功率變成直流電與地面電網(wǎng)互聯(lián)。目前美國和加拿大已經(jīng)建成了小型微波輸電系統(tǒng)，并成功用于驅(qū)動飛機飛行，但輸電距離僅1609m，整流天線的直流功率也只有30kW［15］?？栈⒉ㄝ旊娤到y(tǒng)具有超遠(yuǎn)距離、大功率的特點，需要從理論建模到工程實踐深入全面研究和探討以下問題：電能微波束空間傳輸方向的精準(zhǔn)控制；高頻輸電設(shè)備小型化與輸電容量的計算模型；微波傳輸損耗與輸電效率的最優(yōu)頻段選擇；高能微波束對通信系統(tǒng)、無線電探測和生物體的干擾損傷和安全防護。

3.2 高空風(fēng)電機組穩(wěn)定控制技術(shù)

高空風(fēng)電機組依靠風(fēng)能產(chǎn)生的升力支持發(fā)電平臺的重量，由于風(fēng)向和風(fēng)速的實時變動性，高空發(fā)電平臺的穩(wěn)定控制系統(tǒng)如何實現(xiàn)跟蹤控制以維持自身的升力和風(fēng)向穩(wěn)定，如何使高空風(fēng)機在懸浮狀態(tài)進行最大風(fēng)功率追蹤及偏航解纜都是需要深入研究的問題。文獻［3］提出了一種系留于地面的旋翼式空基發(fā)電平臺，實驗室特定風(fēng)況下的空中停留和穩(wěn)定性試驗取得了一些有益的數(shù)據(jù)，深入的穩(wěn)定控制研究還在進行。此外高空風(fēng)能的間歇性仍是高空風(fēng)電面臨的重大技術(shù)問題，無風(fēng)期間高空發(fā)電平臺需要由地面電網(wǎng)供電提供動力維持自重和設(shè)備運轉(zhuǎn)，這就要求系統(tǒng)有足夠大的備用電源和地面完備的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，保證與高空風(fēng)機的強電氣聯(lián)系，實現(xiàn)潮流的雙向流動和運行的穩(wěn)定性及連續(xù)性。

圖8 空間電站構(gòu)成及能量傳輸路徑

3.3 災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警體系

極端外部災(zāi)害是大電力系統(tǒng)互聯(lián)平臺的致命威脅，其涵蓋的能源種類多、聯(lián)網(wǎng)空間尺度大，所經(jīng)受災(zāi)害擾動和破壞嚴(yán)重，災(zāi)變風(fēng)險也大。因而大電力系統(tǒng)互聯(lián)平臺應(yīng)具備成熟的災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警體系，圖9給出了極端外部災(zāi)害實時監(jiān)測和預(yù)測預(yù)警功能的框架。需要監(jiān)測的內(nèi)容包括極端地質(zhì)災(zāi)害、極端氣象災(zāi)害、極端海況和洋流災(zāi)害、極端空間天氣災(zāi)害［16］。目前對于氣象監(jiān)測、空間天氣監(jiān)測、部分自然災(zāi)害監(jiān)測已經(jīng)具備了較為成熟的技術(shù)和手段，但是各維度空間災(zāi)害對大電力系統(tǒng)互聯(lián)平臺的影響機理、監(jiān)測的狀態(tài)量以及多種災(zāi)害共同作用下的故障響應(yīng)模型和實時監(jiān)測體系需要深入研究。

極端外部災(zāi)害和災(zāi)害后的故障連鎖反應(yīng)對該平臺的破壞是毀滅性的。除實時監(jiān)測功能，還要求大電力系統(tǒng)互聯(lián)平臺對極端外部災(zāi)害能夠預(yù)測預(yù)警。利用監(jiān)測系統(tǒng)采集的外部氣象、地質(zhì)、洋流、空間天氣信息及演化規(guī)律預(yù)測可能發(fā)生的災(zāi)害，形成特定的故障類型和風(fēng)險，從而對能源調(diào)度、監(jiān)控、應(yīng)急部門進行預(yù)警和預(yù)告，必要時制定事故預(yù)案和應(yīng)急措施。其中基于外部信息的災(zāi)害預(yù)報及演化規(guī)律模型，極端外部災(zāi)害對大電力系統(tǒng)平臺的影響機理和故障響應(yīng)，多種災(zāi)害可能導(dǎo)致的平臺停運風(fēng)險及經(jīng)驗或半經(jīng)驗的預(yù)警模型等課題都需要理論和實踐的探討。

圖9 災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警功能示意框架

4 結(jié)束語

建立陸?？仗焖木S空間大電力系統(tǒng)平臺，積極探索利用海洋、高空和空間能源，構(gòu)建廣域化、多樣化、便捷靈活的能源配置平臺，從而有效駕馭各類能源，實現(xiàn)人類社會可持續(xù)發(fā)展。需要深入研究空間電站運行控制和微波輸電技術(shù)、高空風(fēng)電機組穩(wěn)定控制技術(shù)、構(gòu)建災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警體系等問題，給出了極端外部災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警功能的示意框架。

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