電網規模多大才科學？一場關于美國電網規模的討論

2014-09-18 11:15:24 南方電網報　點擊量：評論 (0)

互聯電網的覆蓋范圍是否需要或者能夠繼續擴大？未來，應該選擇超級電網還是加強電網智能化建設？這些問題由于新能源的快速發展、霧霾威脅等帶來的挑戰而被重新思考。在這些問題上，不同國家有不同的選擇，專家

互聯電網的覆蓋范圍是否需要或者能夠繼續擴大？未來，應該選擇超級電網還是加強電網智能化建設？這些問題由于新能源的快速發展、霧霾威脅等帶來的挑戰而被重新思考。在這些問題上，不同國家有不同的選擇，專家和業內也有著諸多不同看法。

那么，電網是否存在最優規模？最近，美國一項研究認為，電網規模并不是越大越好，相關科學家還根據實驗得出了最優的規模大小，這個研究結果在美國引發了一場有關電網規模的討論。

電網發展有沒有邊界？

上世紀80年代，許多國家和地區的電網完成了快速擴張，如俄羅斯電網與東歐、中亞、波羅的海國家電網保持同步聯接。近年來，可再生能源發展被提上國際日程，電網被視為解決可再生能源發電裝機所在地遠離負荷集中地問題的關鍵一環。通過擴大電網規模和覆蓋范圍解決新能源消納問題被不少國家納入考慮，歐盟2010年發布的基礎設施優先計劃中，跨國天然氣與電力超級傳輸網絡(SuperGrid)的擴大是投資重點。

在美國，電力企業各自為政，要在如今割裂式的電網格局下發展新能源，到底是通過實現大范圍聯網還是零散推行智能電網技術？曾任美國能源部部長的比爾·理查森在近期發表的一篇文章中表明了自己的觀點。他認為，目前美國電網格局無法支撐自己提出的新能源發展目標。“要想將美國的多元化能源生產，特別是太陽能和風能的收益最大化，解決電網各自為政的問題就顯得尤為緊迫。舉個例子，在美國中西部地區，特別是在伊利諾伊州、印第安納州和威斯康星州，風電裝機不斷增長，要將風電輸送到相鄰的東部電網，就急需更強的跨區域能源輸送能力……盡管零散推行的‘智能電網’技術將會獲得一定成效，但美國的電網系統需要升級更新，實現全國范圍的電網聯網應當提上議事日程。”

面對呼聲和需求，電網這個大型人造系統是否適合不斷擴大？

卓爾德(北京)環境研究與咨詢首席能源經濟師張樹偉認為，更大范圍或更高電壓等級的輸電線路在一定范圍內不存在技術性障礙，更多的爭論體現在必要性與可行性上。他分析，電力傳輸是損耗較高的能量傳輸方式。通過鐵路運輸，能耗在0.6%，若使用電力機車其能耗會小于0.2%。而目前的直流電力傳輸的線損率普遍在5%以上。擴大電網范圍與規模，一方面，導致投資上升與損耗加大，以及日常維護與安全保障需要的增加；但另一方面，卻可以在更大范圍內調配出力特性存在互補可能的電源，節省裝機與減少系統冗余。“所以，電網的規模不是越大越好，也不是越小越好。隨著邊際成本的上升與邊際收益的下降，這無疑存在最優規模的問題。”

到底多大才是合適的？

那到底多大的電網規模才是最優的？最近國外一組科學家圍繞這個話題做了相關實驗，并嘗試用確切的數字去回答這個問題。這些科學家認為，電網規模并不是越大越好。

近期，美國愛荷華州立大學電力工程學教授伊安·多布森以及物理學家戴維·紐曼和本·卡若拉斯，通過實驗研究得出了電網的最佳規模大小，并將相關研究成果發表在一本名為《Chaos》的科學期刊上。

這組科學家通過電網建模來證明，頻率穩定等電網優點會被大停電帶來的影響所掩蓋，電網規模變大，有可能成為更大范圍級聯停電的助推因素。2003年的美加大停電就是一個典型的例子。

卡若拉斯教授通過仿真實驗得出結論，具有700-1000個節點的電網（每個節點由一系列發電廠、變電站、變壓器等組成，美國西部電網就有約16000個節點），可以使互聯電網的優勢發揮到最大，同時使停電成本降到最低，可謂是最優的電網規模。研究人員認為，從這個結論可以推出，目前一些電網規模太大。

目前，美國電網由超過9000個發電廠和30萬英里輸電線路組成，形成了東部、西部和德克薩斯三大聯合電網，這三大聯合電網之間僅由少數低容量的直流線路連接。

此研究結果一出，立即引起媒體關注。NBC發表了一篇題為《有科學家建議削減電網規模》的文章，認為卡若拉斯等學者的研究是在呼吁拆分北美東部和西部兩大電網。

但作為研究者之一的馬德里卡洛斯三世大學教授卡若拉斯，立即站出來澄清說：“我們的研究目的和研究結果，并不是為了打破電網連接，事實上也做不到。”

但卡若拉斯教授同時也強調，研究模型并不能完全代表真實的電網。研究中仿真實驗利用的是美國西部電網的模型，在這些模型里，每個節點平均代表的是真實電網里的10個節點。美國阿拉斯加大學物理學教授紐曼也認識到，刊登在《Chaos》上的這篇文章，在研究中使用的這種特定模型是理想化、同質化的系統，同具體情況千差萬別的實際情況相比，還有很遠的距離，并不能把理想化研究與現實等同。

實際上，研究者們的目的是希望提醒電網設計者，在設計電網時多考慮成本和效益，以及激發更多避免停電的新思考和新手段。但他們的觀點常常被解讀成對于電網工程的攻擊或者被認為并沒有多大意義。

但卡若拉斯教授堅持，這次的研究報告有助于樹立一種理念：電網設計者考慮擴大互聯電網規模的時候，應將停電風險納入損益計算中。這種理念可以應用在發展中國家以及計劃增加跨國聯網規模的歐洲國家。值得一提的是，擴大電網互聯范圍但不帶來停電風險也是有可能的。紐曼教授指出，可以謹慎地考慮通過弱連接來限制地區電網中的停電風險。