全球能源互联网下输电走廊规划分析研究

高 晗,刘继春,刘俊勇,曾平良,施浩波

(1.四川大学电气信息学院，四川 成都 610065;2.中国电力科学研究院，北京 100192)

全球能源互联网下输电走廊规划分析研究

高 晗1,刘继春1,刘俊勇1,曾平良2,施浩波2

(1.四川大学电气信息学院，四川 成都 610065;2.中国电力科学研究院，北京 100192)

随着全球传统化石能源高度消耗，新的清洁可再生能源快速发展，能源产地越来越远离负荷中心，能源需求和分布存在时空上的不均衡。全球能源互联网的建设可实现清洁能源基地电力的全球输送功能，达到电力能源资源共享，从而是解决此失衡局面有效的方法。在全球能源互联网的背景下，以中国为起点，德国为终点，将途经的各国进行分区，考虑不同国家的关税、输电线路长度、运行维护率、建设成本等因素，对中国—德国输电走廊规划问题建立了数学建模，并进行了相应的算例分析。

全球能源互联网；输电走廊；经济性；到网电价

0 引 言

随着传统化石能源的大量开发，能源资源日渐枯竭，环境污染和气候变化问题也日益突出，迫切的需要新的能源来替代传统能源。新的可再生清洁能源将逐渐替代化石能源，并在一次能源生产和消费中占更大的比例。全球范围内的能源资源和需求分布呈现非常不平衡的特征，能源基地远离负荷中心，局部区域存在日益加剧的能源供求矛盾，未来全球跨区域能源贸易规模将不断增大。建立以清洁能源为主导、以电能为中心、更高电压等级、更大输电容量、更远距离的全球能源配置网络平台是未来能源发展的趋势之一，以满足清洁能源的大规模、远距离配置的需求[1]。

1 世界能源发展现状和全球能源互联网

图1 2010—2050年世界经济总量及电力、能源需求增长情况

1.1 世界能源发展现状

从图1和图2可以看出来，2010—2050年，电力需求增速高于能源需求增速，电力在能源结构中的优势地位日益凸显。

从亚洲电力需求增长较快和欧洲的电力需求饱和，可再生能源受入的需求来说，是属于电力受入区[2]；非洲地区的可再生能源资源非常丰富，大洋洲资源富集，电力需求规模相对较小，属于电力输出型地区。北美洲和南美洲电力供需以自我平衡为主。

图2 2010—2050年全球电力供应结构变化

亚洲是全球最大的电力负荷中心，拥有丰富的可再生能源资源，未来将形成以洲内大型可再生能源基地为电源送出点、连接各大负荷中心的亚洲互联电网，并接受来自“一极一道”的跨国跨洲电力流。亚洲各大再生能源基地——蒙古国风电和太阳能发电基地、俄罗斯远东和西伯利亚水电基地、中亚风电和太阳能发电基地、中国“三北”和西北太阳能发电基地、白令海峡及库页岛风电基地、印度太阳能与风电基地等开发提速，成为亚洲互联电网的电源送出点。未来俄罗斯远东西伯利亚地区丰富的可再生能源资源开发，可为实现跨洲、更大范围的能源电力资源优化配置提供重要参考[3]。

1.2 全球能源互联网研究现状

全球能源互联网是以特高压为骨干网架(通道)，以输送清洁能源为主导，全球互联泛在的坚强智能电网。全球能源互联网将由跨国跨洲骨干网架和各国各电压等级电网(输电网、配电网)构成，连接“一极一道”(北极、赤道)和各洲大型能源基地，适应各种分布式电源需要，能够将风能、太阳能、海洋能等可再生能源输送到各类用户。全球能源互联网实现各种清洁能源、化石能源转换成电能后传输，并与其他传统能源传输方式(如铁路、管道等)分工协作、优势互补；作为连接各类电源和用户的网络枢纽，可优化配置电源资源和用户资源，并成为全球能源交易的载体；同时还可将清洁能源送至千家万户，提供增值的公共服务[4]。

国际上针对能源互联网进行了广泛的研究，重点研究下一代能源系统，其中欧盟、美国、中国等均提出能源互联网的构想以及相关的项目。

欧盟开展了未来能源互联网项目，并与能源部门合作，其核心在于构建未来能源互联网的ICT平台。德国联邦政府开展了E-Energy(智能电网)项目——基于ICT的未来能源系统。并将E-Energy作为一个象征性的项目，旨在推动基于ICT技术的高效能源系统项目。瑞士联邦政府能源办公室和产业部共同发起的Vision of Future Energy Networks。该项目的重点是研究多能源传输系统的利用和分布式能源的转换和存储，开发相应的系统仿真分析模型和软件工具。美国国家科学基金项目启动“未来可再生电能传输与管理系统”，开展配电系统能源互联网研究。其研究一种构建适应高渗透率分布式可再生能源发电和分布式储能并网的高效配电系统，称之为能源互联网。日本正在探索未来家庭能源管理系统(HEMS)。未来家庭能源管理HEMS是能源互联网的基本单元。美国著名未来学家杰里米·里夫金提出的能源互联网：两种不同的技术(可再生能源与互联网)连接在一起，描绘了新的、充满活力的能源互联网，在中国引起的广泛的关注。北京市电力公司承担了国家科技部863课题“交直流混合配电网关键技术”和国家电网公司科技项目“分布式能源高渗透率的交直流混合主动配电网运行生产管控关键技术研究”[5]。

全球能源互联网重点技术领域和关键技术是构建全球能源互联提供技术支撑和保障[6]。具体内容见表1。

在电源、电网、储能和信息通信等领域全面推动技术创新，需要符合以下4点：一是提高可再生能源的可控性，保障能源安全稳定供应；二是降低清洁能源发电成本，实现能源可持续发展；三是提高特高压输电技术水平，加快开发“一极一道”和各洲大型清洁能源基地；四是研制适应极端气候条件的电力装备，保证关键设备和电网建设运行安全。±1 100 kV直流输电技术是目前输送距离最远、输送容量最大的输电技术，其输送距离可达4 500 km以上，双极输电功率达到11 GW。中国—德国输电线路可考虑按照±1 100 kV、输电容量11 GW的直流线路直流建设，将新疆地区作为输电起点，德国作为输电受端，采用直送输电方式，并以欧亚大陆桥铁路沿线路径作为中-德输电主体路径局部路段沿已建公路走线以缩短输电距离。

中国新疆等地区的某些清洁能源开发潜力巨大，如风能、太阳能等。预计2015年，新疆风电装机容量达到10 GW以上，2020年达到20 GW。截至2013年年底，新疆地区太阳能装机约20 MW[7]。根据资源分布情况，未来新疆太阳能开发潜力巨大，如表2所示。

表1 全球能源互联网重点技术领域和关键技术

表2 新疆太阳能资源量和可开发量

截至2013年10月，德国发电装机总容量187 GW，其中燃煤机组49 GW，约占总容量的26.3%；光伏发电35 GW，约占总容量19.1%；风电32.513 GW，约占总容量的17.4%。近年来，由于核电站的关闭，核能发电产量减少，可再生能源所占比例逐渐增加。中国新疆清洁能源开发潜力巨大，未来德国是欧洲大陆最大的能源消费国，根据其弃核、减排等政策，德国有较大的电力市场空间。

综上所述，实现全球能源互联网的建设可以实现清洁能源基地电力的全球输送功能，东西半球时差和南北半球季节互补、资源共享；提高全球能源配置效率和效益；是解决全球范围内的能源资源和需求分布呈现非常不平衡的最有效的方法。

2 全球能源互联网输电走廊规划方案计算模型

研究以中国为起点，德国为终点的输电走廊规划问题，从图3(a)可看，从中国到德国将经过哈萨克斯坦、俄罗斯、白俄罗斯、波兰。图3(b)表示，将每一个中间国分为3个区，从中国到哈萨克斯坦可选线路有3段，从哈萨克斯坦到俄罗斯，只有相邻区域才可互联，与哈萨克斯坦左上角第1个区域相邻的有2个，与哈萨克斯坦第2个区域相邻的有3个，

图3 输电线路投资模型

中国哈萨克斯坦俄罗斯白俄罗斯波兰换流站投资/(亿元)8684109123115运行维护率/%1.41.81.91.751.6关税/%7.17.17.14.2线路长度均值/km16632047745691745线路投资均值/(万元·km-`1)790928122224002400

可行线路用箭头表示。最后从波兰有3条路径可到德国。途经的国家用i表示，细化的区域用j表示。

2.1 分段投资成本计算模型

因为是跨洲跨国输电，各个国家由于国情不一样，导致每个国家的线路投资不同，因此需要分段计算。

1)工程投资成本CPi，j

CPi，j=CHi,j+CXi,j·Li,j

(1)

式中：CHi,j为i国j区所建换流站成本；Li,j为从i国到(i+1)国建设线路的长度;CXi,j为此线路的单位建设成本[8]。

2)运行维护费用CYWi,j

CYWi,j=Afixed·i,j·Roper·i,j

(2)

式中：Afixed·i,j为i国j区固定资产原值，近似按工程投资计算；Roper·i,j为运行维护费率。

3)线损成本CXSi,j

CXSi,j=Pr·i,jEδ·i,j(1-Ream)

(3)

Eδ·i,j=Capaδi,j%Hδ

(4)

式中：Pr·i,j为入境i国j区后的上网电价；Eδ·i,j为线损电量；Ream为电厂利润率；Hδ为线损利用小时；Capa为额定输电容量;δi,j为线损率。

2.2 电价竞争力模型

通过这条跨洲跨国输电线路到达德国的电力到网电价越低，越具有竞争力。

di,j=Pr·i,j+ei,j+ci,j

(5)

ci,j=Pr·i,jδi,j%/(1-δi,j%)

(6)

Pr·i,j=dr·(i,j)-1(1+fi,j)

(7)

式中：di,j、ei,j和ci,j分别为入境i国j区后的到网电价、输电电价和线损电价；dr·(i,j)-1为出境i国j区前的到网电价；fi,j为入境i国j区时关税[9]。

2.3 目标函数

以总投资成本最少和到网电价最低为目标函数。

minC=∑CPi,j+CYWi,j+CXSi,j

(8)

mindG

(9)

式中：C为总投资成本；dG为到德国到网电价。

3 算例分析

3.1 基本数据

如图4所示，选取4个中间国：哈萨克斯坦、俄罗斯、白俄罗斯、波兰，并对输电线路进行编号，可行的输电线路共有27条。

图4 输电线路建设计算模型

根据2015年国网北京经济技术研究院《亚欧洲际输电经济竞争力研究》报告，将其数据做参考和引申，将输电工程的利用小时选取为6 000 h，相应线损利用小时为4 000 h，电厂利润率约为8%。中国光伏上网电价取0.55元/kWh。具体参数如表3所示。

3.2 计算结果

每条线路的工程投资成本、运行维护成本不受到其他线路建设参数的影响，计算结果如图5、图6所示。

不同线路输电电价、运行维护率不同，会产生不同的上网电价，导致各线路在不同组合下线损成本不同，计算结果如图7所示。

因为每条线路的输电电价不同，每个国家的关税不同，所以不同的输电组合有不同的到网电价，计算结果如图8所示。

图5 不同线路的工程投资成本

图6 不同线路的运维成本

图7 不同组合下各条线路的线损成本

图8 不同组合下的到网电价

综合不同组合下不同线路工程投资成本、运行维护成本、线损成本，可得到不同组合下的总投资成本，计算结果如图9所示。

根据图8可看出，组合20，即通过输电线路2-7-14-20-25的到网电价最低，为1.650 3元/kWh;

图9 不同组合下的总成本

根据图9可看出，组合6，即通过输电线路1-5-13-18-25的总成本最低，为358.771亿元。选取加权系数求解多目标优化问题的最优解，可得到组合18为最佳输电途径，即2-7-13-18-25，到网电价为1.667 1元/kWh，投资总成本为403.572亿元。

4 结 论

清洁替代和电能替代是全球能源可持续发展的必由之路。全球能源互联网的建设是解决全球范围内的能源资源和需求分布呈现非常不平衡的最有效的方法。以中国新疆光伏通过特高压直流输送到德国的实例为研究对象，构建了中国—德国的输电走廊规划方案，结论表明特高压直流输电技术实现洲际范围内的清洁能源资源配置在技术上是可行的，而且输电线路的长短、不同国家关税、运行维护率、建设成本等的不同都会影响全球能源互联网下输电走廊的规划。后期将考虑更多因素，如不同国家线路建设完工时间不同等，使输电走廊规划更具经济性。

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With the rapid consumption of global traditional fossil energy, the new clean and renewable energy sources develop fast, because the energy sources are more and more away from the load center, the energy demand and distribution are uneven on time and space. The construction of global energy Internet can realize the global transmission function for the electricity of the clean energy base, and achieve the sharing of electric energy resource, which is an effective way to solve the unbalanced situation. Under the background of global energy Internet, taking China as a starting point and Germany as the end, the middle countries which are passing by are partitioned. Considering the tariff, the length of transmission lines, the operation and maintenance rate, construction cost of different countries, the mathematical models are established for the transmission corridor planning form China to Germany, and a corresponding example analysis is carried out.

global energy Internet; transmission corridor; economical efficiency; power price

科技项目：国家电网公司科技项目(XT71-15-040)

TM72

A

1003-6954(2017)03-0015-06

高 晗(1991)，硕士研究生，研究方向为全球能源互联网；

2017-02-20)

刘继春(1975)，教授、博士，研究方向为电力系统经济性分析、电力市场以能源互联网。