淺析歐美電網發展

【能源人都在看，點擊右上角加'關注'】

電網是一個將電力從生產者輸送到消費者的互聯網絡。它包括產生電力的發電站、將電力從遠處輸送到需求中心的高壓輸電線路，以及連接單個用户的配電線路。發電站可以建在燃料來源附近，或建在水壩所在地，以利用可再生能源，而且往往遠離人口稠密的地區。它們通常規模很大，以利用規模經濟的優勢。所產生的電力被提升到一個更高的電壓，並連接到電力傳輸網絡。大容量輸電網絡將電力輸送到很遠的地方，有時跨越國界，直到輸送到它的批發客户(通常是擁有當地配電網的公司)。到達變電站後，電力將從輸電級電壓降至配電級電壓。當它離開變電站時，它進入了配電線路。最後，到達服務位置後，電源再次從配電電壓降至所需的服務電壓。 電網的規模各不相同，從覆蓋單一建築的國家電網到覆蓋整個國家的跨國電網。電網被設計成以基本恆定的幅度提供電壓。這必須通過變化的需求、可變的無功負載，甚至非線性負載來實現，發電機和配電及輸電設備提供的電力並不完全可靠。整個電網以相同的頻率運行。如果需要與以不同頻率運行的相鄰電網互聯，則需要變頻器。高壓直流鏈路可以連接兩個以不同頻率運行或不保持同步的電網。在同步電網中，所有發電機必須以相同的頻率運行，並且必須彼此之間以及與電網保持非常接近的相位。

對於旋轉發電機，本地調速器調節驅動扭矩，在負載變化時保持恆定速度。降速控制可確保多台並聯發電機按照額定負載比例分擔負載變化。整個電網的發電和消耗必須平衡，因為能源是在生產的同時消耗的。能量在短期內由發電機的旋轉動能儲存。與標稱系統頻率的微小偏差對於調節單個發電機和評估整個電網的平衡非常重要。

當電網負載很重時，頻率會降低，調速器會調整發電機，以便輸出更多的功率(降速控制)。當電網負載較輕時，電網頻率高於標稱頻率，這被網絡上的自動發電控制(AGC)系統視為發電機應減少其輸出的指示。此外，通常還有中央控制，它可以在一分鐘或更長的時間內改變自動增益控制系統的參數，以進一步調整區域網絡流量和電網的運行頻率。出於計時的目的，在一天的過程中，允許標稱頻率變化，以平衡瞬時偏差，並防止線路操作時鐘獲得或損失大量時間。

傳輸網絡很複雜，有冗餘路徑。電網的結構或“拓撲”可以根據預算約束、系統可靠性要求以及負載和發電特性而變化。物理佈局通常受可用土地及其地質的影響。配電網分為兩種類型，輻射狀或網狀。配電網或輸電網最簡單的拓撲是輻射狀結構。這是一個樹形結構，來自大電源的電能輻射到逐漸降低的電壓線上，直到到達目的地的家庭和企業。然而，一次失敗就能毀掉整棵樹。大多數輸電網提供了更復雜網狀網絡提供的可靠性。網狀拓撲的費用限制了它們在輸電和中壓配電網中的應用。冗餘允許線路故障發生，當工人修理損壞和停用的線路時，電源只需重新佈線。

其他使用的拓撲結構是在歐洲發現的環形系統和捆綁環網。在北美的城鎮中，網格傾向於遵循經典的徑向饋電設計。變電站從傳輸網絡接收電力;用變壓器將電源降壓，然後將其發送到總線，饋線從該總線向整個農村的各個方向散開。這些饋線承載三相電力，並傾向於沿着變電站附近的主要街道行駛。隨着距變電站距離的增加，扇形展開將繼續進行，因為較小的側邊會擴展到覆蓋饋線錯過的區域。

這種樹狀結構從變電站向外生長，但是出於可靠性方面的考慮，它通常包含至少一個未使用的備用連接，該連接與附近的變電站相連。可以在緊急情況下啓用此連接，以便變電站的一部分服務區域可以由另一個變電站供電。廣域同步電網或“互連”是一組分佈區域，所有分佈區域均以同步的交流(AC)頻率運行(以便峯值同時出現)。這樣就可以在整個區域傳輸交流電，連接大量的發電機和用户，並有可能實現更高效的電力市場和冗餘發電。電網的一部分發生重大故障-除非迅速進行補償，否則可能導致電流重新路由自身會通過容量不足的傳輸線從其餘的發電機流向用户，從而導致進一步的故障。因此，廣泛連接的電網的一個不利方面是可能會發生級聯故障和廣泛的停電。通常指定一箇中央機構來促進通信和制定協議以維護穩定的網格。例如，北美電力可靠性公司於2006年在美國獲得約束力，並在加拿大和墨西哥的適用地區擁有諮詢權。美國政府還指定了國家利益電力傳輸走廊，認為傳輸瓶頸已經形成。

一些地區，例如阿拉斯加的農村社區，不依靠大電網運行，而是依靠當地的柴油發電機。高壓直流(HVDC)線路或變頻變壓器可用於連接兩個不一定彼此同步的交流互聯網絡。這提供了互連的好處，而不需要同步更大的區域。為了提高經濟性和可靠性，跨地區的電力設施多次相互連接。互聯可以實現規模經濟，允許從大型高效能源中購買能源。

電力公司可以從不同地區的發電機儲備中提取電力，以確保持續、可靠的電力供應，並使其負荷多樣化。互連還允許各地區通過接收不同來源的電力獲得廉價的大宗能源。例如，一個地區可能在高水位季節生產廉價的水電，但在低水位季節，另一個地區可能通過風力生產更廉價的電力，使兩個地區在一年的不同時間從對方那裏獲得更廉價的能源。鄰近的公用事業公司也幫助其他公司維持整體系統頻率，並幫助管理公用事業區域之間的聯絡傳輸。我們可以考慮兩種類型的電網，它們是:

超級電網

各種計劃和提議的大幅增加傳輸容量的系統被稱為超級或巨型電網。該計劃有望帶來的好處包括:使可再生能源行業能夠向遙遠的市場出售電力;通過在廣闊的地質區域平衡間歇性能源，增加對這些能源的使用;消除阻礙電力市場繁榮的擁堵。當地反對修建新線路和這些項目的鉅額成本是超級電網建設的主要障礙。歐洲超級電網的一項研究估計，將需要多達750吉瓦的額外輸電能力——這一能力將由每增加5吉瓦的高壓直流線路來容納。TransCanada最近的一項提議定價為1600公里、3千兆瓦高壓直流輸電線路，價值30億美元，需要一條走廊寬度。在印度，最近一個6 GW，1850公里的項目標價為7.9億美元，需要很大的通行權。歐洲超級電網需要750吉瓦的新高壓直流輸電能力，新輸電線路所需的土地和資金將是相當可觀的。

智能電網

智能電網將使用雙向通信和分佈式的所謂“智能”設備，對二十世紀的電網進行增強。電力和信息的雙向交流可以改善交付網絡。研究主要集中在智能電網的三個系統上-基礎設施系統，管理系統和保護系統[5]。基礎架構系統是智能電網底層的能源，信息和通信基礎架構，它支持：

先進的電力生產、輸送和消費。

高級信息計量、監控和管理。

先進的通信技術。

智能電網將允許電力行業以更高的時間和空間分辨率觀察和控制系統的各個部分[6]。智能電網的目的之一是實時信息交換，使運行儘可能高效。它將允許在所有時間尺度上管理電網，從微秒級的高頻開關設備到分鐘尺度的風能和太陽能輸出變化，以及十年尺度的電力生產產生的碳排放的未來影響。

免責聲明：以上內容轉載自能源界，所發內容不代表本平台立場。全國能源信息平台聯繫電話：010-65367702，郵箱：hz@people-energy.com.cn，地址：北京市朝陽區金台西路2號人民日報社