陆海空天四维空间电力系统互联的探讨

刘同同 温建春 芮树玲

国网山东省电力公司青岛供电公司 山东 青岛 266001

0 前言

化石能源的日益枯竭和环境污染的逐渐加剧，使人类社会发展受到了严重制约，积极开发新能源，加快推进“两个替代”，构建高效、便捷、灵活的能源利用和传输平台成为人类生存发展面临的严峻课题［1］。文献［2-5］分别论述了能源多元化格局中远海风能、高空风能、波浪能、空间太阳能的发电形式和战略地位，但并没有提及电力系统的联网，制约了此类能源利用的灵活性和普及性。文献［6］以前瞻性的战略眼光讨论了能源互联网的基本概念和研究框架，但能源互联网的本质仍是地面电网，且未提及空间能源的开发和传输利用。

本文基于陆海空天4种平台将能源进行分类，提出了构建陆海空天四维空间互联电力系统平台的概念，该平台采用“广义电网”进行互联，除传统地面电网外，还包括天基太阳能的微波输电系统、海基能源的海底电缆输电系统、空基能源的高空轻缆输电和空-地机械传动。综述了大电力系统互联平台的必要性和可行性，指出了需要解决的空间电站运行控制和微波输电技术、高空风电机组稳定控制技术，以及需要建立的灾害监测和预警体系并给出了功能示意框架。

1 陆海空天四维空间大电力系统的构成

1.1 陆基电力系统

陆基电力系统是以陆地为发电平台，将地表及地内能源转换为电能并进行传输的电力系统，包括火电、水电、核电以及光伏发电、地面风电、地热发电等。陆基电力系统具有运行环境平稳，能源来源稳定，具备成熟的地面电网传输分配条件。火力发电受化石能源储量的限制和环境污染的加剧，要高效利用。水利发电具有清洁无污染，能源可再生，资源丰富等特点，要大力发展。在保证安全性的前提下，核电是最具有发展潜力的能源利用方式，要高速发展具有“固有安全性”的核电［7］。地面光伏发电和风电在地面电网的渗透率不断增大，要提高电能的转换效率和并网质量。积极推进地热发电等成果的转化和推广力度。

1.2 海基电力系统

海基电力系统是以海洋为发电平台，将海洋上空、洋流表层和大洋深处能源转换为电能并进行传输的电力系统，包括海上风电、潮汐发电、波浪发电等。海洋能源储备大，清洁无污染可再生，利用潜力巨大，但发电环境受台风、海啸、洋流等海况和海洋灾害的影响较大。海上风电具有风速较高、湍流强度小、主导风向稳定等特点，可大规模开发利用，如图1所示。潮汐发电利用海水涨、落潮的能量推动水轮机进行发电，其优点是具有月平均规律性，发电曲线具有日变化和月变化的特点。

图1 海上风电场示意图

1.3 空基电力系统

将高空能源（主要指风能）转换为电能并进行传输的电力系统，称为空基电力系统，以高空风电为代表。高空风能具有资源丰富优质、风能密度大、风速风向稳定等特点。高空风电有两种实现模式，第一种是风力发电设备在高空完成整个发电过程，将产生的电能通过高空轻缆传输到地面电力变换装置进行利用，以加拿大Magenn公司开发的马根电力空气转动系统为代表，如图2所示［3］。第二种是在空中将风能转化成机械能，通过联动装置将捕获的机械能传输到地面，驱动地面发电设备，以意大利巨杉公司的设计的KiteGen为代表，把旋转的12组风筝放到2km的高空收集风力，牵引一个处在磁场中直径100 m的旋转木马转盘进行发电，转盘上连接着一些高阻电缆，每对电缆都控制着一个风筝的方向和角度，如图 3 所示［8］。

图2 马根电力空气转动系统

图3 固定在地面的旋转木马式转盘

1.4 天基电力系统

以太空及天体为发电平台，将空间能源（主要指太阳能）转换为电能并传输到地面的电力系统，称为天基电力系统，如空间太阳能电站。空间太阳能具有能流密度大、持续稳定、不受昼夜气候影响、洁净无污染等优点［9］。天基电力系统有两种形式，第一种是空间电站在与地球相对静止的绕地轨道运行，发出的电能通过微波传输到地面，如图4所示。第二种是在月球表面建立太阳能发电基地，通过微波将电能传输到地面，如图5所示。

图4 绕地轨道空间电站

图5 月球基地太阳能电站

2 建立电力系统互联平台的必要性和可行性

化石能源虽仍承担着社会发展的主要驱动力，但其储量有限且带来环境压力的不足已受到其他能源的挑战。据国际权威组织预测，全球的煤炭储量还可以开采约216年，天然气约为55年，而石油仅能供应约34年，就会开采殆尽［9］。化石能源的过度使用也引发了地球变暖、雾霾污染等严重的气候问题。另一方面高空能源、天基能源、海基能源以及大煤电、大水电等能源基地与人类负荷中心地理位置和空间区域上的不平衡，必然要求远距离、大容量、多样化的发电和输电模式。四维空间电力系统互联平台能够充分发挥资源开发、配置、利用的优势，有效地驾驭各类能源，优化能源机构。

目前世界各国在陆、海、空、天各领域积极进行能源的开发利用。陆基平台建立了技术成熟、运行灵活的特高压交直流混联电网，远距离大容量、跨国跨地区的输电格局已经形成，努力实现能源互联网的目标［10］。

我国拥有18000km大陆海岸线，可利用海域面积多达300万km2，5～25m水深线以内近海区域、海平面以上50m高度风电可装机容量约2亿kW，70m以上可装机容量约5亿kW［11］。自2007年中海油建成我国第一个海上风电站“中海油绥中36-1”到2010年东海大桥海上风电场示范项目全部并网发电，我国已步入海上风电大国行列。目前我国已经规划的海上风电项目总计约有24个，沿海省市发展规划情况如表1所示。根据可再生能源“十二五”规划［12］，2015年中国海上风电将达到500万kW，2020年海上风电将达到3000万kW，有望成为全球海上风电第一大国。世界潮汐能的理论蕴藏量达4000GW，当前研究的139座沿海潮汐电站总装机容量为810GW，可发电量为2000TW·h。潮汐能发电是海基电力系统中发展最早，技术较成熟的一种。目前世界上潮汐发电的设备日臻完善、技术日趋成熟，潮汐发电并网的经济可行性得到证明［13］。

文献［14］对高空风力资源的研究表明，距地表上空500~12000m的高空，风能资源极其丰富，对此部分风力资源进行开发，高空风电能够满足全球百倍的电力需求。美国纽约准备建立高空风电站，将2~4台高空风能发电机安装在纽约市曼哈顿地区的高空为城市供电。我国江苏，浙江，山东等地区的高空风能密度远远大于纽约，具有广阔的发展空间。国内华锐、金风等风电设备制造商对高空风力发电表示了极大的兴趣，2009年掌握了全球领先“天风”技术的留美博士张建军在广州组建了我国首家高空风电企业“广东高空风能技术有限公司”，该公司已成功研发出高空风电样机，下一步拟建示范电站，这将是中国第一个实用性的、产业化的高空发电示范电站。

表1 我国东南沿海省市海上风电发展规划

天基发电也是世界各国努力占领的科技领域，太空中的光照强度要比地面高出5～10倍，在阳光充足的地球静止轨道上，每平方米太阳能可产生1336W热量。自1968年美国彼得·格拉泽首先提出空间太阳能发电（SSPS）概念以来，日本、欧洲、中国纷纷致力于空间电站计划的研发。图6为日本推出的SSPS计划，在2030年建立一个太阳能板的总面积为4km2，额定容量为100万kW的太空太阳能电站，足以为30万个家庭供电。图7为欧洲提出的太阳帆塔卫星空间电站的概念，塔的两边安装了长宽都为150m的太阳帆电池阵，使用电力转换成微波的技术，可以将电能精确安全地送回地球。

图6 日本SSPS计划 空间电站

图7 欧洲太阳帆塔卫星 空间电站

中国推进空间太阳能电站发展计划分为4个阶段，2011~2020年开展空间太阳能电站系统方案详细设计和关键技术研究，进行关键技术验证；2021~2025年进行低轨道系统试验验证；2026~2040年在低轨关键技术验证的基础上，进一步研究经济上和技术上更为可行的空间太阳能电站系统方案和关键技术，进行地球同步轨道相关试验；2041~2050年实现空间太阳能电站商业运行。

3 构建电力系统互联平台需解决的技术问题

3.1 空间电站运行控制和微波输电技术

空间电站系统体积庞大，太阳能电池阵列所处的天空环境恶劣，系统运行寿命达30~40年，在全任务周期内面临着超强电离辐射、大量空间碎片和流星体的碰撞威胁，空间电站自主故障诊断、无人组装隔离技术是日常运行维护中面临的一项难题。空间电站的面积达几十平方公里，在运行过程中，既要保证太阳电池阵列最优对日定向，又要保证微波束与地面接收天线精确定向，因此空间电站的位置控制技术也是需要研究的课题。

空基微波输电系统由太阳能量收集器、直流电-微波转换器、大型天线列阵（接收天线）3部分构成，如图8所示。太阳能量收集器将太阳能转换成直流电功率，再由直流电-微波转换器转换成微波能量，地面天线阵列接受微波功率变成直流电与地面电网互联。目前美国和加拿大已经建成了小型微波输电系统，并成功用于驱动飞机飞行，但输电距离仅1609m，整流天线的直流功率也只有30kW［15］。空基微波输电系统具有超远距离、大功率的特点，需要从理论建模到工程实践深入全面研究和探讨以下问题：电能微波束空间传输方向的精准控制；高频输电设备小型化与输电容量的计算模型；微波传输损耗与输电效率的最优频段选择；高能微波束对通信系统、无线电探测和生物体的干扰损伤和安全防护。

3.2 高空风电机组稳定控制技术

高空风电机组依靠风能产生的升力支持发电平台的重量，由于风向和风速的实时变动性，高空发电平台的稳定控制系统如何实现跟踪控制以维持自身的升力和风向稳定，如何使高空风机在悬浮状态进行最大风功率追踪及偏航解缆都是需要深入研究的问题。文献［3］提出了一种系留于地面的旋翼式空基发电平台，实验室特定风况下的空中停留和稳定性试验取得了一些有益的数据，深入的稳定控制研究还在进行。此外高空风能的间歇性仍是高空风电面临的重大技术问题，无风期间高空发电平台需要由地面电网供电提供动力维持自重和设备运转，这就要求系统有足够大的备用电源和地面完备的基础设施建设，保证与高空风机的强电气联系，实现潮流的双向流动和运行的稳定性及连续性。

图8 空间电站构成及能量传输路径

3.3 灾害监测和预警体系

极端外部灾害是大电力系统互联平台的致命威胁，其涵盖的能源种类多、联网空间尺度大，所经受灾害扰动和破坏严重，灾变风险也大。因而大电力系统互联平台应具备成熟的灾害监测和预警体系，图9给出了极端外部灾害实时监测和预测预警功能的框架。需要监测的内容包括极端地质灾害、极端气象灾害、极端海况和洋流灾害、极端空间天气灾害［16］。目前对于气象监测、空间天气监测、部分自然灾害监测已经具备了较为成熟的技术和手段，但是各维度空间灾害对大电力系统互联平台的影响机理、监测的状态量以及多种灾害共同作用下的故障响应模型和实时监测体系需要深入研究。

极端外部灾害和灾害后的故障连锁反应对该平台的破坏是毁灭性的。除实时监测功能，还要求大电力系统互联平台对极端外部灾害能够预测预警。利用监测系统采集的外部气象、地质、洋流、空间天气信息及演化规律预测可能发生的灾害，形成特定的故障类型和风险，从而对能源调度、监控、应急部门进行预警和预告，必要时制定事故预案和应急措施。其中基于外部信息的灾害预报及演化规律模型，极端外部灾害对大电力系统平台的影响机理和故障响应，多种灾害可能导致的平台停运风险及经验或半经验的预警模型等课题都需要理论和实践的探讨。

图9 灾害监测和预警功能示意框架

4 结束语

建立陆海空天四维空间大电力系统平台，积极探索利用海洋、高空和空间能源，构建广域化、多样化、便捷灵活的能源配置平台，从而有效驾驭各类能源，实现人类社会可持续发展。需要深入研究空间电站运行控制和微波输电技术、高空风电机组稳定控制技术、构建灾害监测和预警体系等问题，给出了极端外部灾害监测和预警功能的示意框架。

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