【绿色再生电力系统-输电篇】绿能的决胜关键点

【绿色再生电力系统-输电篇】绿能的决胜关键点

绿电的发电厂,通常位于人烟稀少的地方,然而,用电量庞大的却是人口密集的地方,两者的差距从数百公里到数千公里,要连接两地便需要仰赖本文要介绍的输电系统(Transmission System)。在这里我们就先从「地大物博」需要长程输电的中国说起。

2013 年中国风电发电量达 2.5%,超越核电成为仅次于火电与水电的第三大电力能源,预估以后将永远超越核电。2011 年 10 月,国家发展改革委能源研究所发布了《中国风电发展路线图 2050》,规划在 2050 年让风电发电量达到 17%(1,000 GW),这个数字远远把核电抛在后面。

为了解决弃风限电的问题,中国这几年兴建许多长程的电力网路,把西北部便宜的风电运送到东南部,把三峡大坝便宜的水电运送到长三角地区。国家电网公司与 ABB 合作,共同开发长程电网所需要的特高压(Ultra High Voltage)交流(AC)与直流电(DC)技术。

【绿色再生电力系统-输电篇】绿能的决胜关键点红色实线是已经完工的 1,000KV HVAC;蓝色实线是已经完工的 800KV HVDC。HVDC 多为长途送电最佳选择

输电系统通常具备长程与高电压的特性,有别于短程与低电压的配电系统(Distribution System)。技术上,高压直流电(HVDC)具备低线路损耗(线损)与高功率的特性,在陆地长程输电网的应用上,HVDC 使用比较少的土地面积(约 33-50%),比较少的铜导线材料(67.5%)。

至于 AC 与 DC 哪一种比较具备成本优势,其实不一定。需要同时考虑线损、传输功率、AC/DC 转换效率或 AC/AC 转换效率、材料成本、土地面积等等变数。技术进步迅速,许多过时的电力系统观念,应该走入历史。如果有很大的传输功率需求,一般来说会选择 HVDC 技术。

HVDC 技术也可以用在海底,全球最长的纪录是为连接挪威与荷兰的跨国电网 Norned Link ,其总长达到了 580 公里,于 2008 年启用,450KV,传输功率为 700MW。

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HVDC 技术可以做到地下化或仅使用一个单位面积的土地,而 HVAC 则需要 2-3 个单位面积的土地(Overhead AC line with FACTS & Overhead line with AC):一般认为 500 公里以内,HVAC 比较有成本优势,因为少了 AC/DC 转换的能量损失与成本。

随着技术进步,HVDC 在短距离的成本与技术优势逐渐显现。2013 年台电平均线损约 4.25%(HV & LV AC),第四代的 HVDC Light,已经能把线损降低到 1%,并且在 2014 年正式运转于德国的 DolWin 1 计画,负责将北海 Borkum West II 离岸风场的电力,透过 7.5 公里的 AC 电缆传送到 DolWin Alpha 的海上变电所,然后使用 HVDC Light 运送到德国陆地。这是全世界第一套 320KV 的 HVDC Light 系统,总输出功率 800MW。总长度 165 公里,其中,75 公里为海底电缆,90 公里为地下电缆。

【绿色再生电力系统-输电篇】绿能的决胜关键点

这四个世代的 HVDC Light 技术,线损分别是 3%、2%、1.5%、1%;系统容量可以拉高到 1,200MW。长程输电系统攸关绿能成败

做好电网建设,才有资格发展绿色再生能源。2012 年为中国弃风率最高的一年,达 17.12%,损失20.82TWh 电力。2013 年情况改善许多,弃风率达 10.74%,损失 16.23TWh。到了 2014 上半年,全国平均弃风率 8.5%,损失 7.2TWh。但预估 2014 全年弃风率约 12%,因为年度装机量估计达 18GW,创历年来新高。

2012-2014H1 之间,中国完成许多新的长程输电系统,让弃风率大幅下降。相对地,如果希望绿色再生能源失败,只要把电网做坏、做烂,计画一定失败。核电就可以继续存在。

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为了发展离岸风电,中国规划多端弹性 HVDC 计画(multi-terminal Flexible HVDC Project)。舟山岛计画是中国首个五端(变电站)弹性 HVDC 计画,总容量 400MW,、200KV,已经于 2014 年的 7 月 4 日启用,实现风电併网的目标。

本计画的难度很高。模拟设备与级控、阀控主机交互通讯达 8,400 个,动员 400 个人力,24 小时不间断工作,测试 380 个控制项目,92 个保护项目与 26 个系统运行方式。本计画的五端,连接舟山、岱山、衢山、洋山、嵊泗。证明,海岛地区使用 HVDC 技术,成本也能控制在可以接受的範围之内。

【绿色再生电力系统-输电篇】绿能的决胜关键点

多端弹性 HVDC 计画改善电力可靠度、品质,以及系统电力调度的操作弹性,并且解决了再生能源併网的困难之处。

长程输电系统需要建立气候预测中心,并且监控风场与太阳能发电厂。国家电网公司的监控系统,目前(2014/03)中国可以控制全国 810 个风场,合计併网达 74.64GW,以及全国的 18.41GW 太阳能发电站。

智慧型变电站(Smart Substation)也是一个很重要的关键。中国已经兴建并且营运 927 个智慧型变电站。替每个变压器配备光纤电子监控仪器,厂区内还有自动巡逻机器人。

中国的风光併网工程,预计在 2015 年达到 140GW 风电,35GW 的太阳能。每个城市每年的电力系统中断时间缩短到 15 分钟以内。儘管困难重重,挑战艰鉅,许多产业公司仍然前仆后继,努力去达成目标。

长程输电系统有效解决弃风限电的问题,智慧型变电站、气候预测中心、风场监控中心、光纤电子感测器等产品,强化了绿色再生电力系统的可靠度与电力品质,并且大幅度提高风电併网的能力。