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剖析违背电网发展基本原理和趋势的谬误

—确保中国大电网发展的正确方向



2016-10-17 15:35:13 能源思考2016年9月刊   作者: 丁道齐  

2016年7月28日

前  言

当前对中国大电网科学发展的严峻挑战,来自国家电网公司为强化垄断地位,为部门利益所趋使,强势推行交流特高压,对专业科学知识进行扭曲、分割、封锁,"创新"出许多违背电网发展基本原理和趋势的谬误,导致电力领域在理论上和思想上,甚至国家决策的严重混乱。

为此,必须剖析这些违背电网发展基本原理和趋势的谬误,正本清源,确保中国大电网发展的正确方向和健康地发展。

一中国电网发展正面临严峻的挑战

电网发展本应充分尊重科学规律办事,但受部门利益趋使, 现在很多专业科学知识部门化现象越来越严重。为部门利益所需,他们对专业科学知识进行扭曲、分割、封锁,完全违背了科学发展所需的开放、包容和综合的精神。

近10余年来,中国在强力推行1000kV交流特高压输电以后,出现了许多违背电网发展基本原理和趋势的谬误,导致电力领域在理论和思想上,甚至国家决策的严重混乱。

已持续十余年争议的事实及已产生的后果充分说明,由国网企业主导並获国家支持的"中国创新、中国引领"的交流特高压技术将现代电网发展的规律、当代最新输电技术的应用和电力工程规划设计的评估标准以及国家决策部门的行政审批规范完全搞乱套了:

1. 国网硬是要拆散中国规模适当、结构清晰、复杂性程度不高、发生800万千瓦以上规模损失的大停电事故的概率几乎为零的原有异步或弱连的500千伏六大区域超高压国家电网格局;

2. 虽然八条交流特高压设计都被证明投资要比直流或超高压输电贵出一倍以上,但仍推翻经济效益评估结果,硬行推广交流特高压;

3. 虽然包括直流特高压在内的高压直流输电技术已经成功地在国内外获得广泛应用,是实现远距离、高效率、大容量、既安全又经济还环保的最佳输电技术,但国网在"强交强直、不交不直、先交后直"、"男女搭配"的口号掩饰下,仅将这种更先进的输电技术作为陪衬,仍专注于交流特高压的推广;

4. 虽然国家能源局批准了否定交流特高压的南方和内蒙电网规划方案,但国网仍强调"区域差异""口味不同",坚持构造安全风险极高的"三华"交流特高压电网;

5. 虽然已建的两条交流特高压线路的运行功率不到设计能力的一半,但仍罔顾事实,一再宣称已达到设计标准;

6. 通过所掌控的科研和规划设计部门,按国网意图弄虚作假,编造科研、规划设计报告为领导背书,以影响舆论及中央决策;

7. 国网公司和其相关规划部门无视现代电网发展的基本理论、规律和趋势,不经严格科学论证、不敢直面特高压交流输电效率低下的实踐,最近又高调提出建设全国特高压交流主网架,甚至企图以特高压交流建设全球能源互联网。如果这种规划得以实施,不仅将电网的安全推至危险的边緣,更给国家社会发展和安全埋下重大隐患;

8. 随着国家及世界"风云"的变化,国家电网公司与时俱进,将交流特高压电网打造成如同"神丹妙药"一般, 不断扮演着多个角色:智能电网、新能源消纳、治理雾霾以至当前最时髦的新时代的第三次工业革命,全球互联网等,以迷惑公众,误导领导;

9. 在缺失国家关于 "十二五"电网规划的情况下,通过单项审批方式,逐个建设"试验示範"工程(长治至荆门,三华电网"三纵三横一环"格局中连接华中与华北区域性电网的第一条纵向输电通道) 、淮南经皖南、淅北至上海工程和雅安至武汉工程(后两工程再将皖南与武汉连接,就可完成特高压交流输电线连接华中与华东区域性电网,其中雅安至武汉工程终被否决)以及治霾的12个通道,以实现"三华"交流特高压电网的国网梦,是非常不正当和不正常的;

10. 国家能源局决策的"双重标准":一方面批准了否定交流特高压的南方和内蒙电网规划方案,另一方面又批准了国网建设多条交流特高压线路工程,而对交流特高压"三华"同步电网一直未予明确决断;

11. 围绕交流特高压技术持续争论10余年来,垄断央企假话连篇、大把烧钱;曾经讲过真话的中介咨询和媒体,因受利益困扰或趋炎附势、或集体失语;更无奈的是决策机构看似左右逢源,实则软弱无力,终将损害国家和广大人民的利益;

12.国家能源局就交流特高压技术持续10余年的争论和落实2014年5月1 5日由俞正声主席主持召开的"发展特高压输电,优化电力布局"双周协商座谈会上要求"对交流特高压问题进行调研和充分论证"的要求,在2015年1月国家能源局发文就"特高压交流的必要性和安全性"提出24个专题在全国范围进行为期一年的研究,要求相关课题单位于2015年底完成。但一些关键部门对此置若罔闻,如今时过半年,对"特高压交流的必要性和安全性"争议仍没有结果,作为国家决策部门的国家能源局不但未加追责,反而在"十三五"电力发展规划(征求意见稿)中又新增几条特高压交流线路的建设项目,由此可见国家相关部门在特高压交流决策问题上的混乱。

綜上所述表明,国家电网公司发展交流特高压电网的强烈欲望已将国家电网安全战略目标的实现引入歧途。

二正本清源,剖析十大谬误

2013年1月,国网公司的特高压交流输电关键技术、成套设备及工程应用斩获国家科学技术进步奖特等奖。"特等奖"的获得是国家电网公司将早被世界发达国家淘汰的交流特高压输电技术吹捧成"中国创造"和"中国引领"的宣传舆论的成果。

为了宣传舆论的需要,国网公司主要负责人并通过具院士、教授、学者头衔的知名人士和社会名流散布了一系列的违背电网发展基本原理和趋势的谬误,导致电力领域在理论和思想上,甚至国家决策的严重混乱。

为保证"十三五"电网规划顺利制定和中国电网健康发展,必须对这些谬误予以剖析和批驳。

(一) 关于建设特高压电网的必要性问题

谬误1:目前我国500千伏电网已开始出现输电能力不足、输电走廊紧缺等一系列问题,仅依靠现有超高压输电技术很难满足未来电力增长的需要。只有加快建设电压等级更高的以交流特高压电网为核心的国家电网,才能满足大规模的电力输送和供应,保障全面建设小康社会目标的实现。

谬误2:电压等级越高电网就越坚强。

后果:这2个谬误成为发展交流特高压的基本依据。已建和在建的交流特高压工程增加了大电网发生大停电的风险,同时由于输电效率低下,单位建设成本高昴,造成极大的经济损失和浪费。

点评:这是为推行交流特高压隐瞒事实真象的谎言。中国现有500千伏超高压电网具有持续发展的广阔空间,完全沒有必要再立一个1000千伏交流特高电压新等级和新建交流特高压电网。而且由于固有的先天缺陷、已被发达国家淘汰的交流特高压电网不但不坚强,而且更脆弱。

(1) 经30多年的建设,我国已建成6大区域电网间异步互联的覆盖全国的超高压电网,区内结构紧密,装机容量和超高压线路总长度堪称世界第一。但全国60%的500千伏线路均运行在设计经济输送功率的50%及以下,利用率很低,发展潜力大,为应对"满足大规模的电力输送和供应"的需要,完全沒有升压的必要。

1) 60% 500千伏线路负荷在设计值的50%以下,发展潜力大。

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2)以华北超高压电网为例,华北超高压电网是目前6大区域电网网架最强的区域电网。现在其313条500KV 输电线路年平均有功潮流只有42万千瓦,尚有45%的线路年内最大输送功率小于80万千瓦,超高压电网的输电和受电能力还有很大冗余。"十三五"期间在华北超高压电网上再架一个交流特高压网架完全是没有必要的,是有害无利之举,是与建设"三华特高压同步电网"同出一辙的方案,是经不起技术经济比较的方案。

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3) 中国500千伏超高压系统的利用率很低,仅为美国利用率的28%。
中、美500千伏线路利用率(2010年):

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4) 提高到美国的利用率水平,中国500千伏超高电压区域电网可承受18亿千瓦装机容量的能力,可满足长远发展的需求。

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5)同世界大电网比较,中国大电网更沒有升压的必要。

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5)当前国家经济发展已进入新常态,以"只有加快建设电压等级更高的以交流特高压电网为核心的国家电网,才能满足大规模的电力输送和供应,保障全面建设小康社会目标的实现"为借口,只能加剧当前电力生产产能过剩状况,破坏国家"供给侧改革"的大局。

(2) 电网的电压等级随着电网规模的扩大不断由低向高提升,这的确是100多年来世界各国电网发展走过的一条共同道路。交流特高压仅是这老路上的新 "路标",谈不上是" 创新"、"引领"。

1)交流电压由低向高提升的背景 :

① 依靠提高交流电压等级发展电网的路线,是在以化石能源为基础,能源开发倾向于越来越集中的条件下形成的,是第二次工业革命的产物。

② 第三次工业革命在世界范围内兴起后,新能源革命已导致电网的发展脱离了这条路线,走上了一条新的,即建设智能电网的道路。

2) 国网大力提倡发展交流特高压是以第二次工业革命的思维应对第第三次工业革命。

①第三次工业革命所显示的世界电网发展方向,决定了现代电网不能再走以提高电网电压等级包打天下的老路,电压等级越高不等于电网就越坚强 。事实上,各种不断创新发展的可再生能源开发利用技术、分布式电源微电网技术、储能技术、超导输电技术、柔性和多端直流技术、以及包括页岩气开发和核聚变在内的其它新能源技术,都是对交流特高压的否定。

② 依靠先进的信息、控制、储能、超导等新技术,注重以小型分散化方式开发清洁可再生能源,注重利用新的扁平化管理理念和技术手段提高能源利用率,实现能源的可持续发展,这就是第三次工业革命显示的现代电网(即智能电网)的发展路线。显示了现代电网的

电压等级不仅不会在超高压的基础上再提高,甚至还有逐渐降低的趋势。

③ 发展交流特高压不符合世界电网发展的趋势和规律。1990年代以前,输电方式主要是交流输电,但随着大容量、远距离输电需求的增长,提高电压的增容效益达不到提高电压倍数的平方,建设成本高,经济效益低,在1990年代以后,已转化为电压不断提高的直流输电技术,其增容效益和经济效益显著。

(3)现代电网不再向交流特高压电网方向发展,还因为交流特高压自身存在着致命的缺点,使特高压不但不"坚强",而且更脆弱 :

1)国家电网的电压层次从现有的5层增至6层(即变为0.4/10/110/220/500/1000千伏),成为世界上电压层次最多的电网。而且在1000千伏交流特高压层无电源接入,必须由500千伏交流超高压层转送,导致1000千伏交流特高网电压、潮流的不稳定。

2) 由于无电源直接接入1000千伏这一层以及必须釆用"接力"送电方式实现远距送电,必然出现 1000/500千伏电磁环网。

3)发电机经两级升压接入电网,是电力系统规划设计中忌讳的做法,因为这样必然加大系统阻抗,不仅导致电能损耗增加,还限制了输电能力的提高。

4) 交流特高压电网无电源直接接入,无功功率变化大、电压稳定性最差。

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5)交流特高压必须采用"接力"方式才能实现远距离输电。交流特高压线路每隔300~400公里就要建一个特高压变电站,以取得中间电压支撑,才能将规定的电力输到受端系统,这就增大了建设成本,输电距离愈长,成本愈高。

上述问题从一个侧面说明,沿着提高电压等级的传统路线前行,走到特高压的时候,这条路已经走不通了。

由于存在上述问题,加之技术的进步,直流输电已成为高效、大容量、远距离输电的主流技术,欧、美、俄罗斯、日本等发达国家,在经过上世纪七、八十年代出现的那次交流特高压技术研究和实验热潮后,从此放弃了交流特高压。目前除中国外,世界上尚没有任何一个国家表示要采用交流特高压输电。包括德国在内的欧盟已明确表示,交流特高压输电因成本太高,不会采用。

(4)特高压同步电网的建设使电网复杂性增加,脆弱性扩散,发生连锁性大面积停电概率增大。

三华特高压同步电网发生连锁性大停电事故的概率为现在分区运行情况下事故概率的15倍。而现有异步互联大电网在世界上事故率是比较低的,几十年来发生连锁性大面积停电的概率近于零。图中γ为表示电网复杂性特性的幂指数。γ值的大小反映出电网结构的复杂性程度。幂指数γ值愈小表示电网结构愈复杂,冪律直线愈倾斜;反之,幂指数γ值愈大表示电网结构愈简单,冪律直线愈陡直。

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(5) 1000kV交流特高压输电的资源消耗太大。

一条1200公里长的各种电压等级输电线的资源消耗如下:

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(6)不环保,消耗土地资源。

1) 交流特高压CO2的排放当量是特高压输电的2.0倍。

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2) 特高压交流输电对环境的影响均比直流特高压严重。其电磁环境影响强度是800千伏直流的1.1倍;消耗土地资源近3倍。

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(7)投资效益差。

1) 建设"三华"交流特高压电网总投资相当于6个三峡工程,比异步互联电网多投资6000亿元。图8表示交流特高压电网的投资与超高压电网投资的比较。

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2) 从技术上看,交流特高压远距离输电不如直流特高压,近距离输电不如500千伏交流超电压,而投资却很大,是一种"性价比"最低的方案。南方电网对采用交流特高压方案与采用直流特高压加交流500千伏电网方案进行了比较,结果前者的投资比后者约高1.5倍。

(二) 控制同步电网规模问题

谬误3:同步电网规模逐步扩大、数量逐步减少,是世界主要国家电网发展的必然趋势。

产生的后果:

国家电网公司提出,到2020年,"三华"与东北通过特高压交流联网,形成东部同步电网;西北与川渝藏通过特高压交流联网,形成西部同步电网,全国形成2个同步电网格局;到2025年,实施东部、西部电网同步联网工程,国家电网形成一个同步电网的格局。

将中国异步互联的6大区域电网改造为一个特高压同步电网,将电网安全风险推向灾难的边缘。

点评:国家电网公司的全国一统的特高压同步电网的构想,完全违背了"限制同步电网规模,发展同步电网间异步互联"的世界大电网发展的主流趋势,将呈10余倍地增加中国大电网发生巨大损失的连锁性大停电事故的风险。

(1)发展同步大电网是一把双刃剑。20世纪,为实现资源优化配置和提高运行效益,电力系统日益向"大电网、大容量、超高压、远距离"输电方向发展。但是,现代电网复杂网络的动力学行为特性,驱使各国电网多次发生连锁性大停电事事故,已严重威胁到国家和社会经济安全。

(2)交流特高压及三华交流特高压电网的出现,必将导致电网覆盖区域扩大、1000/500千伏电磁环网增多、清晰的网络结构遭破坏、网络节点大量增加,系统结构、自动控制、信息通信更加复杂,网络的脆弱性扩散,电力系统的复杂性网络特征更加显著,引发连锁性大停电事故的概率将十余倍地增大。

(3) 电网规模的无限制扩张,极大地增加电网的复杂性和脆弱性,加大了电网安全风险。

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(4)同步电网并不是越大越好,而是具有一个优化的规模。

1)扩大同步电网范围与规模,可以获得在更大范围内调配电源,节省装机与减少系统冗余的效益;

2)但导致电网复杂性增加,脆弱性扩散,安全风险增大,投资上升,损耗加大,以及日常维护与安全保障费用增高,扩大了电网运营的成本,经济性下降。

3)电网边际成本上升与边际收益下降,电网存在一个最优规模的问题。

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(5) 电网规模多大为好?

以研究现代大电网复杂性著称的三位美国学者纽曼、卡雷拉斯和多布森在2014年4月出版的《混沌》(Chaos)科学期刊上以"电网规模多大为好? "(Does size matter?)的标题发表研究报告。研究确认,电网规模并不是越大越好,并根据实验得出了同步电网最优规模。

1)对美国西部电网的仿真实验得出结论:具有500~700个节点的电网可以使互联电网的优势发挥到最大,同时使停电成本降到最低,是最优电网规模。在仿真里,每个节点平均代表实际电网里的10个节点,每个节点由一系列发电厂、变电站、变压器等组成,美国西部电网有约16000个节点,研究认为, 目前西部电网规模太大。

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2)研究者提醒电网规划设计者,在规划设计电网时应多考虑成本和效益的相关性,以激发更多避免停电的新思考和新手段。

因电网规模厐大导致的网络复杂性引发的连锁性大停电损失十分巨大。在扩大同步电网规模时,必须在下列三个因素之间进行技术的、经济的、安全的、社会的、环保的和可持续发展的等各方面全面充分的综合评估:

网络规模、效率、可承受的电网建设成本; 

网络运维管理成本;

复杂性增加引发的连锁性大停电的风险增加,损失巨大。

3)纽曼特别提出,通过异步互联方式可以有效地限制地区电网的大停电风险。

(6) 下列信息表明:目前中国电网已超过了最优规模,不应再扩大同步电网的规模:       

1)中国的区域电网范围,无论是地理范围还是装机容量已经比美国西部等世界上大部分地区的互联电网要大;

2)主要电网设备的利用率普遍比其他国家要低;

3)升压到1000kV交流网络投资巨大,是次级电压网络投资的数倍;

4)目前电网结构与复杂程度已经很高,电网的复杂性增加和系统脆弱性的扩散,电网的一个局部事故极易散到相鄰电网,引发连锁性大停电事故的发生;

5)欧洲400千伏超高压电网装机已达8亿千瓦;美国东部电网装机已超高9亿千瓦,依然以500千伏为电网主要运行电压,他们都没有全面提高电网电压等级的需求;

6)为了降低电网的复杂性,提高电网的安全性,经国家能源局批准的《南方电网发展规划(2013-2020年)》意义重大。《规划》确定了电网发展模式不用交流特高压的以直流为主的技术路线。并将控制同步电网规模作为提高电网安全性和生存性的重要战略措施。2020年以后视电网发展程度,南方电网适时分解为 2至3个独立同步电网运行,同时广东电网内部可以适时分成两个相对独立的同步电网。2016年7月1日,南方电网已经实现云南电网与南方区域电网的异步互联,降低了南方电网的规模。

(7)美国电力改革的纲领性文件 --"电网2030"明确提出,以大容量高压直流输电线路及高温超导输电系统建立跨接美国东西海岸骨干环形网及其联接支路的宏伟计划,从而解决美国百年来形成的复杂交流自由联网结构无法解决的根本问题。

(8)2005年9月美国IEEE大会中,俄国科学院专家在《东亚电力基础设施的前景》论文中,提出一个为节省能源的亚洲联网方案,联网区域包括俄、蒙、中、日、南韩、北朝鲜,联络线输电距离为470~3500km,全部用±500kV或±600kV直流输电联网,再也不提前苏联时期的交流特高压了。

(9) 日本学者对日本的关西、中国、九州、四国的串行电力系统进行的研究表明,若通过在关西与中国、中国与九州、九州与四国、四国与关西间采用直流方式连接,将可大大抑制短路电流,并实现小系统向大系统的输电,还可以极大地提高电网的安全性和可靠性,完全放弃了将原1100千伏线路降至500千伏运行再升压的可能性。

(10) 欧洲超级电网是将高压直流输电网络与现有电网结合起来的广域智能网络。

欧洲计划通过超级电网计划,充分利用潜力巨大的北非沙漠太阳能和风能等可再生能源发电,满足欧洲能源需要,完善未来的欧洲能源系统。

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(11)中国大电网发展应该符合"限制同步电网规模,将事故危害控制在有限范围内,发展同步电网间异步互联"的世界大电网发展的主流趋势。国家电网公司倡导的"三华"交流特高压电网发展之路不仅不是"现代电网的一场革命" 而是中国电网发展的大倒退。

(12)中国的电网未来的发展方向应该是维持分区异步互联;选择远距离、大容量、高效率的直流输电技术;利用柔性输电技术完善区域超高压主干电网;更加关注本地控制与减少外部依赖的、以分布式可再生能源为主体的智能电网建设。

(三) 1000千伏交流特高压输电的技术经济效益

建设成本、输电能力和输电线路利用率是远距离输电的主要经济性指标。

输电容量和相应输电距离是远距离输电能力的具体指标。

谬误4:1000kV交流特高压输电容量是5OOkV超高压的4~5倍。

谬误5:1000kV交流特高压适合上千公里的远距输电,而超高压输电最多7、8百公里。

后果:这种舆论直到目前还在广为传播,并常为领导引用,甚至根据这些数据获得了2013年国家科技进步特等奖。经过工程实践比较和检验,这些数据约被夸大了一倍以上,造成输电技术界和决策体系的混乱。

点评:上述两种论点都违背了电力系统输电能力的基本原理。

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输电容量P是由E、U 决定的,同时也由 X 决定。只讲电压由500kV升至1000kV或 1100kV,输电容量 P 就升高 4~5倍

[(1000/500)2 ~ (1100/500)2 ],而不讲X由于两端系统阻抗及1000kV升、降压变压器阻抗的增大,从而使综合阻抗X增大至2倍或以上,导至输电容量降低至2倍以下。国家电网公司主要负责人及少数院士、教授、学者竟公然违背输电的基本原理,到处宣传"1000kV交流特高压输电容量是5OOkV超高压的4~5倍",已成为业界的一大笑料。

(1)以晋荆交流特高压输电为例,仅升、降压变压器的阻抗就达到线路阻抗的73%,如果再计及送、受两端电网的等值阻抗,则达到晋荆交流特高压输电线路阻抗的101%。从而抵消了采用交流特高压输电线路阻抗较小的优势。

1)在刘振亚编著的《特高压交直流电网》一书中写道:"2008年12月29日特高压长治1000kV侧有功功率为2828MW时,荆门1000kV侧有功功率为2780MW"(第395页)。而实际情况完全不是这样,输电2828MW时系统已发生振荡,根本不能正常运行。

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2) 1000kV交流特高压试验示范工程的输电能力不可能达到超高压交流输力能力的2.0倍(在输电600公里时只为1.65倍)。

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(2)"1000kV交流特高压适合上千公里的远距离输电"是违背交流特高压输电理论的误导。

1)交流特高压远距输电能力受到静态稳定和线路电压降落两个因素的限制,交流特高压输电600万千瓦(双回)的极限距离为350公里,实现更远距离输电必须採取〝接力〞方式,取得中间分段电源支撑。分段距离一般在300km ~400km公里范围内。还要求接入支撑点电源的超高压电网具有足够强度(短路电流30kA以上,容量30GW以上) 。

2)交流特高压的输电能力没有经济适用范围,主要原因在于:

① 线路充电特性限制了其输电距离,增加了无功调节的困难;长距离线路送电不仅需大量补偿电抗器,且需解决电抗器自动投切和可控的技术难题,从经济性和安全性方面看,交流特高压不宜长距离直达输电。

② 由于送受端系统电源均接入500kV超高压系统,送、受端必须增加500kV/1000kV升压和1000kV/500kV降压两组变压器,增加了送、受端间的联系阻抗,抵消了特高压输电线路阻抗低的优点。

(3)交流特高压输电的建设成本最高、经济性最差:本人根据投资数据,绘制了各种电压等级的交直流输电系统单位输电建设成本(元/千瓦·公里)比较图。由图可知,通常输电距离在600公里以内用超高压交流输电;600公里以上用直流输电;交流特高压没有经济适用的输电距离。

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(四) 关于交直流特高压输电的协调问题

谬误6:"强直弱交"的安全隐患突出,必须按照"强交强直、不交不直、先交后直"原则,构建交直流协调发展的特高压同步电网;特高压交、直流一定要协调发展,象世界男女之间要形成协调一样" 。

谬误7:直流输电如飞机直航,中间不便落点,只能直送,而交流特高压犹如高速公路,在中途可以灵活落点送负荷、接电源;特高压直流"万吨轮"需停靠特高压交流"深水港"。

后果:在此口号掩饰下,仅将更先进的直流输电技术作为陪衬,仍专注于交流特高压的推广。

点评:直流输电从来不需要靠新建交流特高压受端电网来保证安全。输电发展史和世界当今电网也没有一个实例支持直流输电需要交流特高压受端电网来保证安全。

(1) 直流输电最大的可能干扰就是线路故障切除,由此可能引起的有功和无功(电压)的不稳定,这类直流输电的故障干扰都可以在超高压电网内解决。电网安全是用故障干扰的承受能力来衡量的,目前我国接入的超高压电网容量都在一亿千瓦以上,具有足够的交流系统强度,已经成为特高压直流"万吨轮"需停靠的 "深水港"。

(2) "强直弱交" 模式中500kV电网中诸备着足量动态无功。500kV电网再加上合理整定直流输电低电压保护,足以抵御由交流系统故障引发的双极闭锁,必要时优化区域电网结构。

(3) 男女之间要形成协调是人类繁衍的需要;而特高压直流和特高压交流之争,是两个互斥事件的选择问题,应当由市场来决定,竞争结果必然只能选择价廉物美的直流,淘汰落后昂贵的特高压交流。这种低级的"男女协调论"不值一驳,只能传为笑谈。

(4)保证"强直弱交"电网结构的安全性已有成熟的对策: 1) 减少同时发生多路直流输电线故障的概率,如分散落点和输入路径,这比新建特高压同步电网经济得多。

2) 增加直流落点附近的短路电流和电厂动态有功备用容量,以应对故障切除后的无功和有功缺额。

3) 利用直流输电的有功突增能力(以秒计允许过载50 %),减少故障转移到交流输电线路上的功率。

4) 可以切发端发电机和负荷,这些措施对策都比新建特高压同步电网更经济合理。

(5) 据了解,南方电网运行的实际经验表明,直流两路双极闭锁故障是n-4,只要单相故障小于0.8秒、三相故障小于0.5秒,就不会发生双极闭锁故障切除。因此,外部故障引起双极闭锁故障就不可能发生,因为现在电网都有这样的技术管理水平。

(6) 中国南方电网是世界上少有的交直流复杂电网,广东珠江三角洲地区目前已建有接受省外输入电力的5回直流输电工程,总规模1580万kW;十二五"期间新增规模为1140万的3回直流输电工程。到2015年珠三角受端电网将有8回直流输电工程落点,总规模达到2720万 kW 。广东电网"十二五"期间不需要、也不可能构建交流特高压电网,综合采取优化主网结构、合理分散布局直流落点,以及应对直流多馈入的技术措施,南方电网完全能够维持较高的安全运行水平。

(7) 2010年CIGRE(国际大电网会议)肯定了特高压直流技术是远距离大容量输电的主流技术。

2010年CIGRE高压直流输电和电力电子技术委员对直流输电技术的发展形成了一致的意见:多个分散式送端通过一回长距离、特高压直流输电线路送电到多个分散式受端的直流输电结构不论在技术上还是在经济上都具有很强的竞争力。

1)当输电距离超过600~800km时,单回不加串补的交流输电线路的输送容量不可能超过其自然功率5000MW;而当输电距离超1600km时,即使考虑50%的串联补偿,特高压交流输电线路的输送容量也不可能超过其自然功率5000MW;因此对于超过5000MW、1600km特大容量、超长距离输电任务,采用特高压直流输电几乎是唯一的选择。

2)当输送容量超过5000MW时,通常送端需要多个电源点。这种情况下,与其采用交流输电将多个电源点汇集到一个送端,还不如直接采用多个分散式直流送端来得简单、合理。

3)当输送容量达到5000~8000MW时,采用一个受端落点来消纳功率通常比较困难,且出线密集容易导致短路电流超标,故障时对受端交流系统的冲击也太大;而采用多个分散式受端来消纳功率则更容易,故障时对受端交流系统的冲击也较小。

(8) 交流特高压输电根本实现不了按地区负荷需要实现灵活落点的需求。

将交流特高压不能像直流输电那样实现远距离直接送电而必须中间落点的固有缺陷美化为 "在中途可以灵活落点送负荷、接电源"是弥天大谎。

交流特高压中间落点的作用是对交流特高压线路给予中间电压支撑,确保将规定的电力输到受端系统。由于要保证"中间电压支撑"的作用,就决定了中间站的变压器容量尽管较大(比如2台300万KVA) ,但它的通过容量必须得控制得小,甚至接近空载运行,否则,支撑点的电圧波动大,就不能完成接力输电至远方受端的要求,或使特高压输电系统的效率大为降低。

交流超高压输电确是不需要中间变电站的支撑,中途可以灵活落点送负荷、接电源,以及组网。

(五) 关于电力系统仿真的局限性问题

谬误8:我们进行了五、六百种情况的仿真试验,回答是:这样一个电网(指"三华联网")的安全稳定性是有保障的。

点评:《电力系统安全稳定导则》稳定分析所依据的模型、 算法和对仿真约朿条件的干预等存在的局限性不能保证仿真结论的可信 性和准确性。

(1)仿真的局限性

1) 电力系统的分析计算工具和仿真工具更新换代非常迅速,但对动态负荷参数的处理并没有大改变 -- 依然停顿在20世纪50年代水平!

2) 电力系統仿真技术和工具不断更新换代,但仿真研究大多集中于仿真能力的"大","复杂","快", 以及设置的"新",而"真"和"准"的研究很不够!

3) 仿真的结果至少与下列3个因素密切相关:

与设定的仿真初始状态有关。仅以仿真来说,任何一个连锁性事故的演变都同电网运行初始状态有关,而初始状态的数量是一个天文数字(2n,n为电网元件数),因此,任何一位负责任的学者决不敢轻言通过五、六百种情况的仿真试验就能保证电网安全了。

仿真软件可按计算人主观意图调控其结果。仿真是按预先设定的计算模型、特征参数、边界条件和计算方法进行的。如果研究人员不能客观、公正地进行科学论证,无论系统仿真软件多么先进和多少次计算,都是"假仿真"。

对设备模型参数的选择直接影响仿真结果。对电网设备的模型参数无法考虑负荷动态特性和负荷参数的时变性,大误差问题仍未解决,只能靠提高保守度换取可靠性。

(2)以美国西部电网的安全性仿真为例,有时仿真结果适得其反。

1) 以Carson Taylor为首的美国BPA输电规划部就WSCC系统1996年8月10日大停电事故重现的仿真结果与现场记录数据进行了分析对照,成为电力系 统动态仿真史上的一个重要的里程碑。

2) 结论出入意料:"现在WSCC仿真用的动态数据库并不适用于8月10日事故的仿真",从现场记录清晰可见电压和功率的增幅振荡,正是这个振荡造成了系统的解列和最后的大停电,但在仿真结果中却没有振荡,非常稳定。

3) 正是BPA在电网摸拟中,危险地过高地采用了西部互联电网在大事故期间阻尼参数,致使模拟电网动态行为的研究都得出电网安全的结论,结果导致1996年7月和8月西部互联电网连续发生2次大事故,造成严重的损失。这个事实表明以前用来进行仿真的参数有效性很差。此后Carson Taylor修改了模型与参数,得到了较好的结果。

(3)中国电科院在《国家电网构建及安全性研究》的报告中,提出的通过仿直证明,"必须构建'强交强直'的'三华'特高压同步电网"的结论,就是按计算人主观意图调控的结果。

在强烈的反对舆论影响下,国家能源局組织专家对该报告的可信性进行了独立的研究审核,得出了两种截然不同的结论。

1) 经过重新组织的相对独立的专家审查后,发现中国电科院在仿真时对该方案设定的边界条件都是极为恶劣、电网运行中不可能同时出现的。例如:拿一个连"n-1"的标准都不可行的方案参与比较;对"n-2"、两回直流双极闭锁等严重故障下不按《稳定导则》要求采取措施,任其造成恶性循环,导致系统崩溃大面积停电; 华东电网直流双极闭锁时,不考虑电网电源旋转备用容量(仿真中将发电机的调速器都停用)等。由此编造出貌似科学的错误结论来蛊惑人心。

2) 经过专家独立的仿真研究及实事求是的全面的技术经济综合分析得出结论:只要按照国家"十二五"规划纲要要求,"完善区域主干电网",合理分层分区,分散接入电源,优化电网结构,只需投入少量资金按《电力系统安全稳定导则》要求采取相应的技术措施,都有三、四亿千瓦装机规模的华东、华中、华北500千伏区域超高压电网完全可以支撑多馈入直流安全受电。

(六) 关于清洁能源规模开发和治理雾霾问题

谬误9:解决清洁能源规模开发和消纳难题,关键是扩大同步电网规模。"以电代煤、以电代油、电从远方来"原则建设特高压输电线路是治理雾霾的重大举措。

后果:将清洁能源规模开发和消纳以及治理雾霾引向歧路。

点评:在建的华北"一纵两横" 交流特高压及华东交流特高压北半环就是打着荒唐的治理雾霾幌子混入了核准、建设行列的。它们都是不安全、不经济、不省地、不环保、高消耗的交流特高压工程。雾霾的主要原因是能源结构问题,并不是简单的"以电代煤"能够解决的问题。

以治理雾霾之名建设交流特高压输电线路也只是雾霾搬家,降低不了雾霾。而解决清洁能源消纳难题,根源在于当前的电力体制机制弊端和出于部门利益的地方行政干预。

解决清洁能源规模开发和消纳难题,与扩大同步电网规模毫无关连,纯是一个伪命题。

(1)国网将弃风电作为推广交流特高压输电工程的理由是站不住脚的。如确系通道不足,也不需要建特高压交流通道,直流比交流更经济。

例如,为解决清洁能源规模开发和消纳,从21世纪开始,世界上啟动了多项全球超级电网计划,如Desertec项目、Medgrid项目、Gobitec项目、东南亚超级电网项目、亚洲超级电网项目、北欧电网项目、北海海上电网项目、Ice Link项目、巴西超级电网项目、氢-电能源超级网络项目、大西洋风能互联项目、泛欧洲超级电网项目等12个项目,这些项目全部釆用直流技术传输,无一个用交流。

(2)弃风、弃光问题主要是电网企业和地方政府出于局部利益和短期利益的考量,运用行政手段干预的结果。

弃风、弃光问题伴随我国可再生能源发展而出现,已存在数年。2016年3月31日,中国可再生能源学会风能专业委员会就"弃风限电"问题召开专题研讨会。风能协会认为,2015年中国"弃风限电"严重,一些地方政府出于对局部利益和短期利益的考量,运用行政手段干预风电等可再生能源产业发展,而电网企业则利用垄断地位限制可再生能源的发电。

1) 2015年12月初,国家电网新疆电力公司调度控制中心下发通知,提出因需要保证供暖,新能源已无消纳空间,未参与外送交易或替代交易的新能源场站暂停发电。

2) 云南因水利资源丰富,利用"风水互补",弃风情况并不严重。令风电企业意外的是,在2015年云南省政府组织召开"研究缓解云南火电企业困难有关工作"会议后,云南省工业和信息化委员会发布《2015年11月和12月风电火电清洁能源置换交易工作方案》,要求风电企业向火电支付费用,缓解火电企业困难。

3) 2015年11月,风电大省甘肃发改委、工信委、环保厅、能源局等单位共同制定的"关于印发《甘肃省2016年电力用户与发电企业直接交易实施细则》提出,符合准入条件、愿意参加直接交易试点的新能源企业可以参加与电力用户的直接交易工作,以实施大用户直购电、自备电厂发电交易等名义,压低风电上网电价,直至零电价。

(3)对于集中式的风、光基地,是否需要和如何远距离外送,必须通过技术经济比较确定。不应只重视什么"三峡式"集中开发,而应大力发展分布式接入低压电网就地消纳。

(4)德国联邦环境署环境规划与可持续发展战略处处长Harry Lehmann表示,在欧洲乃至全球,都不需要构建超级电网来消纳可再生能源。构建区域电网,或许更划算,也更可行。

(5)国家电网公司为推行交流特高压电网的建设,不失时机地抓住"雾霾"大做文章,提出通过"以电代煤、以电代油、电从远方来"的举措来应对雾霾,将治理雾霾引向歧路。

1)国网公司提出"以电代煤" 显然将煤电定性为产生雾霾的"元凶"。中国环保协会的统计数据却表明:目前中国耗煤量只有20%的分散燃煤锅炉烟尘排放约占全国排放总量的44.8%,二氧化硫排放量占全国排放总量的36.7%,它们才是大气主要污染物的燃煤排放大户。很显然,依靠加快发展特高压电网,不可能解决燃煤排放大户对大气的污染。北京大学环境科学与工程学院院长朱彤等人最新研究表明,居民用煤是北京雾霾重要来源。在北京地区,家庭使用能源量仅占总能源用量约18%,却制造了50%的黑碳粒子排放与69%的有机碳粒子排放。

2)从国际上看,不少发达国家也大量使用煤炭。2012年,美国、德国煤炭消费量分别为8.2亿吨、2.4亿吨,按人均算与我国相近。特别是二十世纪80年代,德国煤炭年消费量曾超过5亿吨,每平方公里煤炭消费强度接近今天的京津冀地区,但环境却治理得比较好。这表明,如果采取有效措施,可以减少煤炭的负面影响。

3)特高压输电改变的只是能源输送的方式,从输煤到输电,本质是将污染留给盛产煤的山西、内蒙和西北新疆等地区,并不能从根本上缓解空气污染。来自中国疾病预防控制中心与国际环保组织绿色和平联合发布的报告指出,燃煤污染物的扩散范围可达数千公里,国家电网公司提出的"以电代煤、以电代油、电从远方来" 从未考量西部地区大量上马火电用于特高压输送破坏当地生态环境问题。考虑到大气环流,电厂都放到西部,其排放必将随大气环流覆盖到整个国土。

4)国家电网公司不愿看到或沒有认识到技术创新、改造和升级对燃煤机组减排的巨大推动力量和惊人的效果。

2014年华能集团在环保标准严苛的新加坡建设首座燃煤电厂--登布苏热电多联产项目已运行一周年,该项目的运行成效显示,一氧化碳、二氧化硫和汞的排放与天然气机组的排放水平持平;氮氧化物和固体颗粒物排放上低于天然气机组水平。

上海外高桥第三电厂装有2台百万千瓦超超临界机组,于2005年开建,先后于2008年3月和6月建成投产。现已经实现了机组综合排放水平优于燃气电厂。

使燃煤机组达到燃气机组排放水平的技术创新,对推动煤电行业命运转折具有颠覆性的革命性意义。

4)国家电网公司提出的"以电代煤、以电代油、电从远方来"口号违反和否定了长期以來一贯执行的、行之有效的"输煤与输电并举,远输煤,近输电"的经济法则。

2014年12月18日,中国工程院发布了重大咨询项目研究成果--《中国煤炭清洁高效可持续开发利用战略研究》报告。这个报告最后得出1800公里以上,输煤比输电更经济的结论。

国家能源局在未经科学论证的基础上,批准国家电网公司建设输送容量1200万千瓦,全长3324公里、已远远超过1800公里输电极限的准东至安徽±1100千伏特高压直流输电工程,公然违背了"远输煤、近输电"的经济法则。

6)国家电网公司提出的建立在"一特四大"战略基础上的"以电代煤、以电代油、电从远方来" 的方针建设的远距离输电系统是经济性最差能源输送系统。

通过铁路运输,4000大卡的煤运输1000公里,单位万吨公里油耗在25公斤。这样1万吨煤,消耗25吨油,按照热量,能耗也就在0.6%。而电力机车的效率更是比燃油机车高出几倍,即使按照等价热值(测算相应电的燃煤等量热值),其能耗也会小于0.2%。

目前电力传输的线损率,普遍要在5%以上,要比铁路运输高出一个甚至几个数量级。

在能源效率低很多的情况下,总体经济性也必然相对的低。"电从远方来"的低效率意味着可变成本相对较大。"电从远方来"不仅初始投资大,随着时间的累积,较大的可变成本会侵蚀远距离输电系统整个生命周期的经济性,成为远距离输电系统经济性差的主导因素。

国家电网公司提出的"以电代煤、以电代油、电从远方来" 的方针,誘导国家批准建设长达1500~4000公里的交流特高压输电系统,是经济性最差的能源输送系统,它欺骗了公众和相关决策部门,应引以为戒。

(6)提高电网可再生能源比例和消纳的主要途径决不是扩大同步电网,而是:

1)大力发展各种储能技术,不断扩大电网的储能规模;

2)开发、丰富、优化电网调峰手段,其中包括储备和调动需求响应资源;

3)最大限度实现各种可再生能源的互补运行。

4) "电从远方来"战略主要依靠直流特高压来实现,但仅有这个战略是不够的,还要同时实施"电从身边来"战略,即以分散化方式开发"身边"一切可以开发利用的清洁能源。两者并举,才能达到有效降低雾霾的目的。

5)"弃风限电"问题的解决至关重要,扩大电网范围、远距离输送与消纳,抑或依托智能电网,分布式接入,减少大范围的传输是两种截然不同的战略选择。就解决风电的弃风而言,长距离输送是解决方案之一。远距离输送作为重大能源工程,将参与东部电力系统实时平衡,但这样必然要极大的消耗东部省份的调峰备用资源,使得东部地区的"廉价可得"的可再生能源发展失去足够电网资源的支撑。从这一角度来讲,特高压远距离输电必然制约智能电网下的分布式电源发展。

(七) 关于中国智能电网的发展问题

谬误10:建设坚强智能电网必以特高压电网为骨干网架。

后果:突显了在智能电网建设中过度强调特高压和供应端建设集中式大电源的倾向,影响和转移了建设智能电网的大方向。

点评:过度强调只有特高压才是电网"坚强"的基础是不科学的,当然也是片面的,甚至会干扰科学推进中国智能电网的全面发展。

(1) 交流特高压与智能电网是两个不同的技术范畴,发展交流特高压与发展智能电网是沒有必然关联的完全不同的两个概念。

交流特高压是着力于电力传输、而且已被更先进技术所取代的被淘汰的落后技术,而智能电网正如日中天,代表了现代电网发展的方向。

1)靠交流特高压建设"坚强的国家电网"并不能确保"坚强",只有在低压用户终端同步发展和部署分布式能源、储能系统和微电网,电网才能"坚强"。

2) 建设智能电网应更加关注发展本地控制为主与减少外部依赖的智能配电网,这是降低大电网安全风险,确保电网生存性的"颠覆性"技术。

国网公司实施的以交流特高压远距离大容量输电为核心的"一特四大"战略在自然灾害和战争环境下都是无能为力的,根本不能保障大事故状况下电网的生存性。

2003年"8.14"北美大停电事故让美国东部大面积陷入一片黑暗之中,但一个个用智能电网技术建成的、装备有分布式能源系统的企业、学校、医院和政府机构却在"大停电"一中灯火辉煌,显示了智能电网和分布式能源系统顽强的生存性。

(2)国网公司企图通过建设全国统一的以交流特高压为骨干的"坚强智能电网"以维护其在电力工业的垄断地位是违背电网发展的大趋势的。如今,电力工业正朝着每位电能使用者都能成为电能生产者的方向迅速地发展。以分布式能源为主体的微网普遍应用将打破电力工业的天然垄断地位。

(3) 智能电网建设的重点应放在用户侧优化,不要让智能电表变为鲜亮的外衣。

1) 如何促进智能电网信息系统的革新将直接影响智能电网健康发展的进程。

2) 随着智能电表更换,用户侧信息系统的落后也在无形中扩大,无法解决与用户互动互利问题 ,智能电表如同一件鲜亮的外衣。

3) 更换智能电表的前提应该是用户侧具有热电联产、风力和太阳能发电以及储能系统,这样智能电表才能真正有"用武之地"。

(4)智能电网服务于终端用户才是建设智能电网的终极目标,这是保证智能电网持续发展、充满生命力的动力源泉。

1) 智能电网的使命是让需方在主动参与供求调整的行动中获得节能、创能和储能的经济和环保效益,实现 " 经济性、节能性、环保性"兼顾的终极目标。

2) 智能电网要坚持"智能民用"和"智能环保"的理念。东日本大地震发生后,人们对使用太阳能、风能等发电的"创能"、利用蓄电池的"储能"及控制家庭耗电量的"节能"实现联动和高效利用能源的智能住宅充满期待。

3)要实现"智能民用"和"智能环保"必须建设好智能电网用户端能源管理系统,以实现三个目标:

电能监测与节能优化:对用电系统各个环节特别是重点耗能设备用电情况进行实时检测计量、数据采集、汇总分析、纵横比较等,发现电能使用不合理之处,通过人工干预或自动控制的方法进行改进,优化用能设备,提高电能的使用效率。

用户端与电网公司管理系统的互动:在智能电网中,电网公司为提高电力设施的负荷率要求用户端某些设备能够需求响应,其使用能够尽量避开用电高峰而在用电低谷时使用,帮助电网削峰填谷。

管理分布式能源设备的接入:用户端储能设备、电动汽车以及可再生能源设备接入电网可能对电网产生重大冲击,这些设备也可能将电能输送的电网,所以需要一个很好的能源管理系统进行管理。

结  论

1. 电网发展本应充分尊重科学规律,但受部门利益趋使,国家电网公司对专业科学知识进行严重的扭曲、分割、封锁,完全违背了科学发展所需的开放、包容和综合的精神。为落实和制定好《"十三五"电力规划》(2016-2020 年),必须讲究科学,正本清源,吸取教训,才能保证中国大电网健康地发展。

2.1000千伏交流特高压电网不是世界电网领域的一场革命而是中国电网发展的大倒退。交流特高压是落后的输电技术,应逐步淘汰。 

国家电网公司建设东部、西部特高压同步电网的"十三五"电力发展规划,以及"十四五"期间中国国家电网建成一个大一统全国特高压同步电网的奢望,是破坏中国大电网安全、威脅国家经济社会发展、社会长治久安的、极其危害的错误主张,必须坚决抵制。

3.中国电力发展的"十三五"《规划》,必须根据"控制电网复杂性的增长,限制电网脆弱性的扩散"的电力系统的复杂性网络特征,"限制同步电网规模,发展同步电网间异步互联"(这已成为世界大电网发展的主流趋势)的原则,构建国家大电网:中国应构建以七大区域超高压电网间异步互联为基础的国家大电网主网架,应用柔性输电技术完善区域主干电网,充分提高现有设备利用率,增强区域受端电网接受由高效、先进直流输电线路远距离、大容量输入电力的能力,增强和扩大以可再生能源为主体的、更加关注本地控制与减少外部依赖的智能电网和微电网建设,增強电网优化配置电力能力,增强抵御外来攻击和自然灾害的具有高度生存性的国家大电网。

4. 希望我国的重大工程项目都能经得起论证,经得起质疑。不要故意回避一些不符合自己欲求的其它方案。输电工程可以通过经济技术比较得到符合科学的结论。垄断性的央企企图扼杀竞争,而国家对其监管又因多元因素影响而严重缺失,这正是科学决策的最大障碍。交流特高压输电可能依靠强势得到暂时"成功",但最终也经不起历史和实践的科学检验。




责任编辑: 江晓蓓

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