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建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的能源體系，要求擴(kuò)建遠(yuǎn)距離輸電網(wǎng)絡(luò)。問題在于傳統(tǒng)的遠(yuǎn)距離高壓交流輸電會造成過高的電能損耗。此外，新線路的修建往往會遭到公眾的強(qiáng)烈反對。本文介紹了幾種極其高效的遠(yuǎn)距離輸電方式。
從海上的風(fēng)能到陽光充沛地區(qū)的太陽能，可再生能源應(yīng)該在它們豐富的地方被利用起來。舉例來說，德國計劃從現(xiàn)在起到2020年，在北部地區(qū)修建裝機(jī)容量高達(dá)3000萬千瓦的風(fēng)電場。然而，德國的電力用戶主要分布在南部地區(qū)，因此德國面臨的真正問題是如何將北部地區(qū)的可再生能源發(fā)電輸送到南部地區(qū)?，F(xiàn)有的輸電線路無法當(dāng)此重任。當(dāng)前，德國北部的清潔電力常常不得不經(jīng)東西鄰國中轉(zhuǎn)，再傳輸?shù)侥喜康貐^(qū)。有鑒于此，大規(guī)模擴(kuò)建電網(wǎng)似乎勢在必行。面對這一難題，德國聯(lián)邦政府和四大輸電公司在2012年5月聯(lián)合提出了一項電網(wǎng)擴(kuò)建計劃。該計劃要求在未來十年中新建3800公里的輸電線路。待這個特大項目完成后，它將成為其他國家——尤其是像德國這樣可再生能源資源大都遠(yuǎn)離主要能耗中心的國家——建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的能源供應(yīng)體系的榜樣。
馬略卡島與西班牙內(nèi)陸之間的高壓直流（HVDC）輸電線路為島上提供清潔的電力。圖中的高壓直流換流站可以將傳來的高壓直流電再次轉(zhuǎn)換為交流電。
德國的電網(wǎng)擴(kuò)建能否以規(guī)劃者預(yù)期的速度向前推進(jìn)？“在目前普遍采用的交流輸電系統(tǒng)中，短短數(shù)百公里的傳輸就會損耗大量電能。”伊爾梅瑙理工大學(xué)（位于德國法蘭克福東部）電力供應(yīng)系教授、德國經(jīng)濟(jì)與技術(shù)部“面向未來的電網(wǎng)”平臺的顧問委員會成員Dirk Westermann介紹道，“高效的方法莫過于利用高壓直流輸電技術(shù)擴(kuò)建電網(wǎng)。”利用高壓直流技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸電，能以較低的損耗將電能輸送到千里之外。“直流輸電線路的輸電損耗要比交流輸電系統(tǒng)低30%到50%。”西門子能源業(yè)務(wù)領(lǐng)域高壓直流系統(tǒng)研發(fā)總監(jiān)Jörg Dorn指出。
自2010年以來，西門子在中國證明了高壓直流輸電技術(shù)的效率。中國已建設(shè)了一條高壓直流輸電線路，將西南地區(qū)的清潔水電輸送到1400公里之外的廣東省大城市。新西蘭、紐約和西班牙的同類項目，也體現(xiàn)出該項技術(shù)的優(yōu)勢。以馬略卡島為例，這個島嶼目前通過高壓直流輸電線路獲得來自西班牙內(nèi)陸的可再生能源電力。其輸電系統(tǒng)經(jīng)過專門設(shè)計，可以在度假旺季的用電高峰期增加電力供應(yīng)，這樣馬略卡島就無需建設(shè)新的發(fā)電站。西門子是高壓直流輸電系統(tǒng)的*供應(yīng)商之一，目前在全球市場上擁有約40%的份額。
輸電量更高。高壓直流輸電線路好比一根連接兩地的管路。在線路的一端，由換流站將交流電轉(zhuǎn)換為40萬伏或80萬伏的高壓直流電。在接收端，則由另一臺換流器將直流電轉(zhuǎn)換為可以供應(yīng)給電力用戶的交流電。“換流器相當(dāng)昂貴，但是當(dāng)輸電距離超過600公里時，較低的輸電損耗即可彌補(bǔ)換流站設(shè)備成本。”Westermann介紹說。
高壓直流輸電技術(shù)還有另一項優(yōu)勢：在輸電走廊寬度相同的情況下，它的輸電容量相當(dāng)于交流輸電線路的兩、三倍?，F(xiàn)有的輸電線路也可以改造成容量更大的電力高速路。考慮到德國幾乎所有的架空電纜采用雙臂塔架支撐，那么情況就變得相當(dāng)樂觀。在這種架線方式中，塔架的左右兩側(cè)分別架設(shè)一條三相交流線路，以形成系統(tǒng)冗余。“正是由于這一原因，我們在考慮，與其修建全新的線路，不如利用現(xiàn)有塔架實現(xiàn)交流直流同輸，即一側(cè)用于交流輸電，另一側(cè)用于直流輸電。”Dorn說道，“除這種升級改造外，要做的工作就是在線路的首尾兩端分別配備一臺高壓直流換流器。這樣一種解決方案還能更好地得到公眾認(rèn)可，因為它不要求修建新的塔架，只需改造現(xiàn)有的線桿。改造工作的實施進(jìn)程會遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于修建新的輸電線路。不過，這個過程也涉及到一些重大的技術(shù)難題。還需要對其進(jìn)行進(jìn)一步的研究，然后對潛在的解決方案進(jìn)行測試。”
高壓氣體絕緣輸電線路適用于無法安裝輸電塔架的地方。
電網(wǎng)公司Amprion計劃在2019年前在德國萊茵蘭地區(qū)與巴登-符騰堡州之間修建一條430公里長的交直流并輸線路。整條線路只有10%的線段需要新建。雖然交直流并輸尚未得到充分的實踐驗證，但相關(guān)領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得喜人的進(jìn)展。西門子目前正在與高校密切合作，研究交流與直流輸電系統(tǒng)之間的相互影響等課題。
高壓直流輸電還可以促進(jìn)歐洲地區(qū)不同電力系統(tǒng)之間的聯(lián)網(wǎng)。歐洲電網(wǎng)的進(jìn)一步擴(kuò)張將以東部和南部為重點，一直延伸到俄羅斯、中東和非洲，而這個網(wǎng)絡(luò)不久就會達(dá)到局限點，那時它將無力發(fā)揮遠(yuǎn)距離同步電網(wǎng)的作用。這是因為從技術(shù)角度上講，上述地區(qū)的交流輸電網(wǎng)絡(luò)不能直接兼容歐洲內(nèi)陸的電網(wǎng)。高壓直流輸電系統(tǒng)可以連接相隔遙遠(yuǎn)的交流電網(wǎng)，因而高壓直流換流站便可以解決這一難題。此外，換流站還可以充當(dāng)“防火墻”，起到阻止系統(tǒng)故障大范圍蔓延的作用，從而減小發(fā)生大停電事故的概率。此外，在出現(xiàn)斷供事故后，高壓直流技術(shù)可以幫助系統(tǒng)迅速恢復(fù)供電。據(jù)Dorn介紹：“我們對高壓直流技術(shù)進(jìn)行了改良，它可以使發(fā)生故障的電網(wǎng)快速恢復(fù)正常運(yùn)行。”
未來，甚至有望從高壓直流輸電線路中接出支線，使規(guī)劃線路的周邊區(qū)域（例如德國的魯爾區(qū)）也可以享受到這種技術(shù)帶來的進(jìn)步。如果未來要建成歐洲超級電網(wǎng)，那么也必然會需要此類“多端”高壓直流系統(tǒng)。
公眾參與。一旦技術(shù)難題被攻克，電網(wǎng)擴(kuò)建之路就再也沒有障礙。然而，只有技術(shù)可行性還不夠，電網(wǎng)擴(kuò)建需要廣大公眾支持新建架空線路。因此，電網(wǎng)擴(kuò)建成功落實的關(guān)鍵在于提供準(zhǔn)確的信息，盡早讓公眾參與到規(guī)劃過程中，簡化審批流程，同時做到高度透明。
另外，還要考慮到有些地點不適合于修建高壓塔架，比如大城市和機(jī)場周邊區(qū)域。在這樣的地方，氣體絕緣輸電線路（GIL）是一種切實可行的替代輸電手段。不同于埋地電纜所使用的紙質(zhì)或塑料絕緣介質(zhì)，氣體絕緣輸電線路采用六氟化硫（SF6）與氮的混合氣體作為絕緣介質(zhì)。穿線導(dǎo)管的直徑約為18厘米，外包一層直徑為50厘米的保護(hù)導(dǎo)管。這種設(shè)計*可以滿足高壓傳輸?shù)男枰?，實際部署中只需根據(jù)需要增大導(dǎo)管的直徑。目前的普通輸電線路可在55萬伏的電壓下傳輸3200安培的電流，而空氣絕緣輸電線路可以傳輸5000安培的電流。
空氣絕緣輸電線路的另一個優(yōu)勢是在其附近幾乎檢測不到任何電磁場，因此此類線路不會對電信網(wǎng)絡(luò)或空管系統(tǒng)造成干擾。同時，空氣絕緣輸電技術(shù)滿足較苛刻的歐盟指令要求，正因為如此，人們可以在空氣絕緣輸電線路隧道上方安然無恙地站立或行走。那么毫無疑問的是，埋地輸電線路已成為輸電塔架的理想替代，只是其成本是架空線路的四倍左右。因此，埋地線路主要用于需要高壓輸電而空間有限或受地方環(huán)境法規(guī)制約的地方。
眼下，專家們正在考慮將輸電線路與數(shù)據(jù)傳輸線路整合在一起，以減輕電網(wǎng)運(yùn)營商擴(kuò)建電網(wǎng)的成本負(fù)擔(dān)。在這方面，專家們的構(gòu)想是在毗鄰公路、運(yùn)河和鐵路的隧道中并行鋪設(shè)電力和數(shù)據(jù)傳輸線路。