「超高壓」的夢想與現實 中國超級電網佈局解析 | 環境資訊中心

「超高壓」的夢想與現實 中國超級電網佈局解析

2021年04月08日
文:葉若琳(第六聲科技記者)、袁燁(第六聲特約記者)
超高壓輸電線路對未來的綠色發展至關重要,而中國是這方面的全球領軍者。然而,「超級電網」的擴大遇到了一些障礙。

上海奉賢換流站的輸電線,2021年1月。圖片來源:伍惠源/第六聲

由於湖南當地煤炭儲量少,加上冬季變化無常的降雨讓水力發電難以依靠,長期面臨頻繁停電的問題,不僅居民為之煩惱,經濟成長也受到阻礙。因此,2015年批准建設超高壓輸電線路時,人們對其寄予厚望。

新的超高壓輸電線路將從能源豐富的甘肅省西北部酒泉地區,一路把煤電、風電和太陽能帶到湖南,滿足該省四分之一的能源需求。

當時,國網(中國國家電網)湖南省電力公司的一名員工自信滿滿地告訴《經濟參考報》,「預計建成後湖南10年以內不會出現缺電現象。」耗資260億人民幣、全長2383公里的祁韶(酒泉-湖南)超高壓輸電線路於2017年投入運營,成為中國不斷擴張的超高壓電網的一部分。


上海奉賢換流站的換流設施。圖片來源:伍惠源/第六聲

去年12月中國部分地區遭遇的一場寒流卻讓這份信心受到了考驗。一方面,工廠正開足馬力生產,彌補全球其他地方因新冠疫情導致的工業停擺。另一方面,由於溫度驟降,人們紛紛打開電暖器——南方地區人們通常用電取暖。湖南省相關部門預測,冬季高峰期用電缺口為300萬到400萬瓩,約佔全省電力10%。在增加供給顯然吃力的情況下,政府選擇拉閘限電,關閉政府機關的空調,關掉路燈,並要求企業服從用電安排順序,避開尖峰時段生產

《中國能源報》在一篇分析如何避免此類限電的報導中指出,祁韶超高壓線路的實際送電能力一直不如預期。一位未透露姓名的湖南電力專家告訴《中國能源報》,投入運行以來,該線路輸電能力僅為設計能力的一半多一點,因此他們認為解決湖南電力缺口還得依靠本地。

「遠親不如近鄰,」這位專家說,「解決能源缺口還得靠當地電源。」

這對於那些對中國超高壓寄予厚望的人來可說是潑了一盆冷水。一項有潛力覆蓋整個國家的技術卻因為電力系統的各自為營、技術上無法兼容綠色能源,以及在開放電力市場中的收益前景等問題而一直受到阻礙。

超高壓線路建設成本高、難度大,其輸電電壓達到800千伏以上,是傳統高壓線路的兩倍,不僅能將輸電能力提高5倍,還能將輸送過程中的電力損耗降到最低。因此,超高壓線路被視為解決中國電力資源分佈和能源需求錯配問題的答案:風能、太陽能等能源資源大多位於西部內陸省份,但東部沿海地區卻是電力負荷的中心。

超高壓線路還能提高中國對再生能源的利用。這也是中國實現習近平主席到2060年實現碳中和的承諾所必須做到的。遠距離調度電力可以緩解風電和太陽光電的波動性特點,讓超高壓成為抵抗氣候變化的關鍵

十多年來,中國在超高壓技術領域一直處於領先地位。2009年,中國第一條超高壓線路投入運營以來,目前已建成了一個由31條超高壓線路組成的輸電網絡,且建設熱潮絲毫沒有減緩的跡象。國家電網在3月初公佈的一項計劃中表示,打算在未來五年內再建設七條超高壓線路


上海奉賢換流站。圖片來源:伍惠源/第六聲

上海的「遠親」

在上海郊區的農田和濕地中間,矗立著這座城市唯一一座遠距離超高壓交直流換流站。這座單調的建築群被林立的金屬桿和電線環繞著。換流站工程師張德楨用手指了指那些整齊延伸到高聳的鐵塔頂端並消失在遠方霧色中的電線,解釋說,這些電線連接上海和1900公里以外的四川向家壩水力發電站。

這條線路的最大輸送容量是640萬瓩,可提供上海40%的電力。「這是上海電力系統最重要的一條線路。」張德楨告訴第六聲。據國家電網統計,四川的水力發電讓上海每年少燒130萬噸煤,減少約270萬噸二氧化碳排放。

但這一數字還能增加。張德真說,向家壩-上海線只在4到11月才滿負荷運行。這幾個月氣溫高,空調的使用增加了用電需求。上海的冬天通常不太冷,此時國家電網會限制超高壓線路的荷載。「(我們)必須考慮上海電網系統的穩定性。」張德真說。如果超高壓線路承擔上海電力供應過多,那麼任何故障——例如沿線任何地區的天氣影響——都可能導致上海電網崩潰。「不能把雞蛋放在一個籃子裡。」他說。

1月初,之前席捲湖南的歷史性寒流也令上海電力系統的穩定承受了壓力。國網(中國國家電網)上海電力公司需求響應中心主任鄭慶榮告訴第六聲,公司當時預計會面臨供應吃緊,並已經從外省購買了額外電力。此類購電有時會伴隨漲價,他說。

這條超高壓線路的存在緩解了壓力。「今年冬天的配額比去年高。」張德楨工程師說。「當時上海本地的電站已經竭盡所能,滿負荷生產。」儘管上海2400多萬人口的用電需求激增,當地部分電力設備因設備超載而受損,但沒有出現電力短缺的問題。

一個月後,美國德州成為了缺少這種外部輸電的負面案例。眾所周知,德州的電網是獨立運營的,沒有與國內其他地區的電網相聯絡。當這場冬季風暴來襲,無法進口電力是導致隨後災難的因素之一,鄭慶榮說。超過400萬人失去電力供應,數百人因試圖在車庫中啟動汽車取暖而一氧化碳中毒。這場寒流可能與中國東部地區遭受的寒流一樣都是由氣候變化相關現象引起的。

鄭慶榮說,各省電網進一步相互聯通,可以幫助中國電網應對電力需求激增和氣候不可預測性帶來的日益嚴峻的挑戰。目前,各省形成了由六大區域電網組成的格局,區域電網間有部分電力交易,但大多依賴中長期合約。政府的目標是增加電力交易,形成全國性市場。與此同時,國家電網正努力將更多的省級區域與超高壓線路連接——目前六大區域電網的格局保持不變——從而建立一個全國性的「超級電網」。


上海奉賢換流站員工張德楨正在換流器區域巡查。圖片來源:伍惠源/第六聲

地方考量

但湖南等地的經驗表明,這一願景或許難以實現。位於四川、雲南兩省交界處,金沙江上的白鶴灘水力發電站正在建設之中,2022年全面建成後,將成為繼三峽大壩後全球第二大水力發電站。白鶴灘水力發電站規劃之初,就計劃連接兩條超高壓線路,為東部沿海的浙江和江蘇兩省輸送電力。但電力歸屬之爭使計畫延期。

據報導,電站投資方和開發商中國長江三峽集團希望將電力直接輸送到用電省份,這也是一種常見且節約成本的方式。但在電站規劃階段沒有表現出過多熱情的四川和雲南兩省後來卻希望分得一部分電力,以造福本省經濟。據報導,四川認為電站應首先接入本省電網,然後再向東部輸送,這樣就可以藉此賺取輸電費用。四川省還希望保留一些綠色能源來減少當地的空氣污染,北京大學能源研究院專家楊富強稱。

最終,國家能源局同意四川和雲南的訴求,允許兩省每年留存白鶴灘電站和金沙江上另一座電站生產的100億瓩時電力。此次爭端導致中央政府審批推遲,超高壓基礎設施——包括換流站和直線塔——建設進度落後,而年發電量預計達到625億瓩時的白鶴灘電站則有可能不得不減少發電至少一年

這樣的情況不禁讓人對中國超高壓工程的核心價值產生疑問,用西部和北部地區的能源過剩來彌補東部地區的能源短缺是否還是一個合理的安排?近年來,在政府政策的鼓勵下,加之沿海地區包括勞動力成本在內的各項成本增長,工業正向西部內陸轉移。「很明顯,能源密集型產業已經自發地向西部轉移,因為東部地區的電力成本高很多。」浙江大學電氣工程學院教授徐政告訴第六聲。

因此,西部地區自身的能源需求正在迅速增長。官方數據顯示,2020年雲南、四川兩省的電力需求較2019年均增長超過5%,是全國增幅最大的兩個省份。「整體局勢很明確,未來我們需要更多的電力。」徐政說。(研究人員估計到2030年中國的用電量將比2020年增加60%。) 「但未來東部地區還需要這麼多電嗎?西部還有足夠的電外送嗎?這很難說。」

目前還不清楚超高壓線路將如何融入未來開放的電力市場。目前這些線路還是根據中國老式計劃體系進行電力的「僵直外送」(不參與當地電力平衡,很少依目標調整電力需求變化的穩定送電模式),總部位於北京的智庫卓爾德環境研究中心(Draworld Environment Research Center)分析師張樹偉說。超高壓線路根據長期發電/用電計劃,以固定價格和數量輸送電力。因此,雖然很多用電省份正在實驗放開電力市場,但無論市場情況如何,超高壓線路輸入的電力往往需要保證一定數量的使用。「線路的運營沒有考慮供需兩端的動態變化,」張樹偉說,「基本上就是特權線路。」


上海奉賢換流站。圖片來源:伍惠源/第六聲

綠色電力

提高超高壓線路的使用率,進而促進陽光和風力充足的西部地區的新能源生產,這是中央政府的一項首要任務。但國家能源局在最新的督查報告中指出,超高壓線路新能源輸送量仍低於要求。國家電網在3月初公佈的計劃中承諾,到2025年水力發電等乾淨能源在長距離輸送計畫中的佔比將從2020年的43%提升至50%。雖然目前水力發電是中國主要的乾淨電力來源,但浙江大學的徐政表示,中國可開發的水力發電所剩無幾。「進一步提高乾淨能源的份額,必須依靠增加更多新能源(如太陽能和風能)。」他說。

中國的再生能源法要求政府和國家電網優先發展綠色電力,但該法律存在的諸多漏洞意味著這部法律「更多地被視為一項指導方針」,蘭陶集團(The Lantau Group)能源顧問余德偉(David Fishman)告訴第六聲。使用其他地方生產的電力可能會與用電省份的地方利益背道而馳。“用電省份或地區實際上沒有吸收這些新能源以及調整自身運營的動力。」總部位於赫爾辛基的能源與乾淨空氣研究中心(Centre for Research on Energy and Clean Air)首席分析師柳力(Lauri Myllyvirta)稱。「他們不想從其他省份進口電力,而是希望盡量自己發電,從而最大限度地滿足當地GDP需求。」

超高壓線路至今未能接入很多綠色電力,還有一些技術方面的原因。目前大多數線路不能單獨輸送不穩定的風電和太陽能,而是需要和煤炭、水力發電等更加穩定的能源捆綁在一起。純綠色能源的組合存在風險,因為電力供應可能突然下降,進而威脅電網穩定。「在這種多能互補中,風電所佔的比例較低,通常佔三分之一左右。」徐政說。他表示,理論上認為新一代超高壓線路可以應對風電和太陽光電系統的波動性。但中國唯一一條新一代超高壓線路目前用於輸送水力發電,所以這一理論仍未得到實際檢驗。

另一種技術解決方案是將再生能源與儲能結合,降低出力的波動性,讓超高壓線路更易輸送。目前至少六個省份已經強制要求新的再生能源計畫配備儲能設施,但也有人批評,在目前的電池成本下,由此帶來的費用增長將導致電力在市場上失去價格競爭力。風電和太陽光電大省青海則為這些再生能源加儲能計畫提供補貼。

與此同時,幾乎可以肯定的是,再生能源在中國電力生產中所佔的比例將會上升。為了在2060年實現碳中和的目標,中國已經承諾到2030年非化石能源佔比將從2019年的15%上升至25%。價格降低也讓再生能源成為更經濟的選擇。「從經濟的角度來說,再生能源相當有競爭力。」華北電力大學能源專家王飛告訴第六聲。這給超高壓線路提出了挑戰。「如果他們能證明這些線路可以輸送乾淨電力,那中國將成為這方面的領軍者,因為其他許多國家在建設此類輸電計畫方面有很大困難。」能源與乾淨空氣研究中心的柳力說。

3月2日,財新英文版報導稱,中國投入使用時間最長的超高壓線路,山西-湖北線終於在12年後開始接近滿負荷運行。

消息來自一座專門為超高壓線路提供電力的全新的燃煤發電廠。此前,該電廠計畫曾因中國控制煤炭使用而被擱置,但在2019年獲准恢復建設。

※ 本文轉載自中外對話〈特高壓:中國「超級電網」的夢想與現實