馮詩齊/編譯

●在高壓直流輸電領域新的進展可能預示著能量傳送方式史詩般的轉(zhuǎn)變。目前，德國正在考慮一個雄心勃勃的計劃，力圖推進高壓直流輸電（HVDC）計劃，旨在把目前其處于交流電網(wǎng)邊緣的位置轉(zhuǎn)變?yōu)橹鹘?，為更大范圍輸送電力的直流輸電線路的“超級電網(wǎng)”鋪平道路，乃至最終形成互通互聯(lián)能力的歐洲超級輸電網(wǎng)。

你或許會發(fā)現(xiàn)，斯圖加特將是一個電力緊缺的最后之地。這個南德城市的汽車工業(yè)正以24小時不間斷地運行著，有效的措施使得這個城市的工業(yè)耗能保持了平穩(wěn)，而太陽能電池板在這座城市的主樓上閃爍著光茫。然而，現(xiàn)在這一切都岌岌可危了。由于德國正在加速將核電和化石燃料發(fā)電向可再生資源——風能和太陽能——轉(zhuǎn)移，其傳輸能力上的巨大不足便顯露無遺。僅僅為了生存，斯圖加特的工廠——以及橫跨南德的其他電力用戶——就得從北方輸入更多的電力。而德國的電網(wǎng)已是竭盡全力了。

為了填補缺口，德國正在考慮一個雄心勃勃的計劃，力圖推進高壓直流輸電（HVDC）計劃，旨在把目前處于交流電網(wǎng)邊緣的位置變?yōu)橹鹘?。原因很簡單：HVDC似乎比修修補補的交流電網(wǎng)更便宜，同時提升其如交流電網(wǎng)那樣盡可能多的性能和可靠性。為此，他們正在考慮實施新的電力電子技術，做某些過去沒有在商業(yè)線路上做的事情：在數(shù)毫秒內(nèi)停止直流電流。

當IEEE Spectrum在4月初付印時，這個100億歐元的項目仍然在德國議會中辯論，但第一條HVDC線路的規(guī)劃在順利進行。該項目計劃從南半部一條1 000兆瓦、660公里長的通道A線路開始，串起北海港口城市埃姆登——這是德國博爾庫姆島附近正在修建中的海上風電場的連接點——止于斯圖加特西北70公里的菲利普斯堡核電站附近的一個交流輸電樞紐。

如果德國將HVDC輸電線路向前推進，就可能能為某個更大的、大范圍輸送電力的互通互聯(lián)能力的直流輸電線路的“超級電網(wǎng)”鋪平道路：從北海的渦輪機、斯堪的那維亞的水壩，或地中海的太陽能電場輸送能源。歐盟委員會或正指望到2050年以這種方式來滿足其可再生能源供應目標的80%。通道A可視為是第一步。

可再生能源提速挑戰(zhàn)現(xiàn)有電網(wǎng)

有關HVDC計劃的想法緣于兩年前。當時日本福島核事故致使德國總理默克爾計劃關閉其國家17座核反應堆中的8座，并重提將在2022年逐步關閉剩余的其他核反應堆的計劃。雖然這僅只減少德國年度發(fā)電量的16%，其份額約為巴伐利亞州和巴登-符騰堡州的近一半。屆時，斯圖加特將不得不通過獲取遙遠的風電和化石燃料電廠能源來彌補部分缺口。總之，一旦最后一座核電廠關閉，就需將數(shù)十億瓦電力從北方輸?shù)侥系隆６F(xiàn)有的電網(wǎng)根本承受不了這樣的挑戰(zhàn)。

可再生能源或因上述原因?qū)⒈粧仐墶＠缭?010年，德國風電場發(fā)電約127億瓦特小時電能，足以供應超過30 000戶德國家庭一年所需。然而，現(xiàn)有電網(wǎng)可能沒有能力傳輸這些電力，致使德國聯(lián)邦網(wǎng)絡局(BNetzA)在其年度報告中警告說，從核能向可再生能源轉(zhuǎn)變的提速 “把傳輸系統(tǒng)逼到了墻角。”

跨越網(wǎng)格：德國的輸電系統(tǒng)運營商已提出四條HVDC線路(沿三條通道)，將會跨越該國的交流電網(wǎng)，幫助從北(風力資源豐富)到南(更多依賴核電)輸送電力。2011年，德國關閉了八座核反應堆。九座仍保留的反應堆預計到2022年停止運行

像許多德國城市一樣，斯圖加特也有一個復雜的能源投資組合：所需電力的八分之一自己生產(chǎn)，其余的大部分來自其他地方。在德國，無論是城市還是州，太陽能電池板的增長最快，這得益于聯(lián)邦政府的獎勵價格設定。到2020年，在巴登-符騰堡生產(chǎn)的能源僅光伏(PV)一項將高達18%。

然而，這一指標在冬天很難達到，晚上更是如此。同時，太陽能發(fā)電正在削平電價峰值，削弱了天然氣和煤電廠盈利的能力。設在杜塞爾多夫的E.ON能源公司，去年11月封存了兩家天然氣廠并擱置了最新型的成煤植物的計劃時，便被指責為削弱了市場。所有這一切均發(fā)生在德國南部。

減少煤炭和天然氣是德國應對氣候變化的關鍵。然而，氣候的變化卻令負責監(jiān)管電網(wǎng)的BNetzA憂心忡忡。在前兩個冬季，為了確保安全過冬，BNetzA甚至向南德和奧地利的幾家燃氣發(fā)電廠預付酬金，讓這些工廠保持待命狀態(tài)。

事實上，南部風電建設的條件或許比較寬舒——但也并不多——南部的風力通常比較和緩，渦輪發(fā)電機的建造也牽涉到選址等問題，如德國著名的黑森林(巴登-符騰堡州西南山區(qū))正受到當?shù)厣鐓^(qū)的舍命保衛(wèi)，而以追加抽水蓄能功能來擴展南部的電力存儲能力也遇到了環(huán)保團體的抵制，他們辯稱，建造新的水電站會破壞野生動物的棲息地。

總之，除了從北部調(diào)送更多的電力外，在南部，自身電力拓展似乎別無他方。其中調(diào)送的電力包括相當數(shù)量的風電，它已經(jīng)占德國電力消耗量的8%，預計到2022年還要翻番。

HVDC抑或是較完美的解決方案

德國地區(qū)電網(wǎng)輸電系統(tǒng)運營商(TSOs)自2005年以來一直在關注交流輸電網(wǎng)中的變化。據(jù)當時德國能源機構公布的一項分析顯示，可再生能源所發(fā)的電已經(jīng)讓國家電網(wǎng)處于過載的風險之中。由于傳統(tǒng)電廠的就近輸電模式，輸電網(wǎng)絡將越來越多地承擔起將可再生能源從過剩地區(qū)輸送到需求地區(qū)的任務。該機構呼吁對電網(wǎng)適度擴容5%，計劃到2015年完成850公里超高電壓交流線路。

現(xiàn)有的基于IGBT的HVDC單元，像如上所示的ABB的輕型HVDC系統(tǒng)，不能獨自中斷直流電流

2010年德國能源機構發(fā)現(xiàn)，為應對風電和太陽能發(fā)電的增長，到2020年德國還將需要增加3 600公里的交流輸電線路；由于環(huán)保團體阻礙等因素，如在2015年完成850公里中的214公里超高電壓交流線路，也是一個未知的數(shù)字。這些變化并不僅僅是可再生能源發(fā)電激增的緣故，還因交流輸電網(wǎng)的物理狀態(tài)更顯惡化。德國的輸電網(wǎng)，像大多數(shù)國家一樣基本是單回路的，由相互連接的高壓線路網(wǎng)構成：電流自由地在網(wǎng)絡中電阻最小的路徑中流動，而電阻則隨著遍布全德國(以及全歐)的發(fā)電廠，以及幾百萬家庭和使用各種電器和機器的工廠而瞬息萬變。

在一個交流輸電網(wǎng)中要從點A到點B獲取更多的電力的話，往往需要建立不止一條線路，以確保電流不至于在輸電網(wǎng)最薄弱的路徑上過載。盡管某些新技術可以將交變電流轉(zhuǎn)到特定的線路，但這些技術在大規(guī)模實施時代價昂貴。

HVDC則提供了一套比較完美的解決方案。由于電力電子技術置于線路的兩端，一條單一的HVDC線路可視為一個高容量的“電蟲洞”，就近將電能從產(chǎn)地汲出，再注入遠在幾百甚至幾千公里外的交流輸電網(wǎng)絡，其電能方向和幅度可以精確控制。這在完全開放的網(wǎng)絡的回路中對于一個交變輸電線路來說是不可能完成的。當?shù)聡妮旊娤到y(tǒng)運營商計算所需成本后，他們發(fā)現(xiàn)，直流輸電系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向可再生能源方面并不十分昂貴，緣于必須新建或升級的線路并不多。

另一個吸引人的因素是電子換流器的改進——線路兩端的裝置可將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，或者反之——典型的HVDC輸電線路采用晶閘管(可控硅整流器)構造的換流器，其高效卻能力有限，并依賴交流輸電系統(tǒng)來支持其運作。結(jié)果，HVDC通常被視為可在長距線路中傳輸?shù)姆€(wěn)定電力荷載，比如水力發(fā)電。

上世紀90年代后期，瑞士-瑞典的工程巨頭ABB向市場推出了采用高頻硅絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)換流器，這些“電壓源換流器”(VSC)在控制電壓的同時，可以幫助穩(wěn)定其周圍的交流電網(wǎng)。在HVDC線路中使用VSC，即數(shù)以百計的IGBT串連后從交流輸電線路中引導電力，并將其整流成直流線路中的穩(wěn)定電流；而線路下游端的換流器執(zhí)行類似的過程，將電流轉(zhuǎn)回到交流電。同時，這些基于IGBT的換流器可以監(jiān)視并調(diào)整交流輸電線路上電壓的陡降或激增。比如，在交流輸電點連接近海風電場過程中，那里不斷變動的功率電平需要對電壓實行動態(tài)控制。

“全橋子模塊”讓人們陡生希望

或許HVDC能挑戰(zhàn)交流輸電方式在電力網(wǎng)絡中的核心地位。然而，基于IGBT的換流器在挑戰(zhàn)交流輸電技術之前，仍有幾個障礙要克服：一是其容量上限只有幾百兆瓦；另一是每個換流器的開關損耗大約為傳輸功率的1.5%～2%。也就是說，如果一條線路中連接有上千臺海上風力蝸輪機的話，就會耗費掉近15～20臺蝸輪機所發(fā)的電。

2010年，西門子公司向市場推出了一款模塊化多級換流器，消除了上述這兩個障礙。這款新型換流器集成了幾百個微型換流器或“子模塊”，將換流器容量從原先的幾百兆瓦提升到1 000兆瓦或更多——這正是德國的輸電系統(tǒng)運營商正在追求的規(guī)模，他們已將這款新型換流器作為優(yōu)先考慮的對象。

德國的輸電系統(tǒng)運營商為此草擬了一條線路，把HVDC線路建造在現(xiàn)有的交流輸電走廊之下，使用相似的輸電塔——這是第一條采用基于VSC技術的線路 （一條暴露無遺的直流輸電線路易受雷電襲擊、樹木碰撞等損害）。鑒于通道A和其他三條規(guī)劃好的直流輸電線路將在一個已顯擁堵的電網(wǎng)中扮演中心角色，運營商們同時也在搜尋一種更先進的HVDC換流器，即可以容許故障、或迅速從故障中恢復。

能夠中止高壓直流電流動的HVDC設備需要具備什么特性，可以讓一條線路快速重置并重啟？這對交流輸電線路不成問題——即便是超高壓線路——因為電壓每次歸零電流就會反向。任何一個零點都能中斷電路，無需發(fā)生破壞性的跳躍。然而，直流電流卻只能做到中止輸送。在高壓下快速中止，就如同猛然關上超速行駛的卡車門?！霸谥绷鬏旊娭?，始終處于充滿能量的狀態(tài)。如果你試著用一臺機械斷路器來中斷直流電……就會燒掉開關柜，”ABB電力事業(yè)部首席技術主管克拉斯·瑞特夫(Claes Rytoft)說。

如今的以IGBT換流器構成的HVDC線路，是依靠交流輸電網(wǎng)關閉換流器而繞過了中斷問題。為清除直流輸電線路的故障，一臺置于上游端的高速交流斷路器可以在不到100毫秒內(nèi)切斷電流。瑞特夫說，這聽上去很快，但這只是重啟線路的一小步，系統(tǒng)必須等待半秒鐘便于故障清除后關閉交流斷路器，以便重置換流器。而讓換流器返回到全功率狀態(tài)或許要花費2秒時間，他補充道。HVDC線路在幾百兆瓦情況下工作狀態(tài)良好時，類似通道A這樣的線路會把海嘯的多余能量分流到交流電網(wǎng)。而隨著HVDC換流器的關閉，它或許無助于交流輸電網(wǎng)應對干擾。

最直接的解決方案或許是重新設計交流-直流換流器模塊的斷路器功能。一種已定位于某些低功率直流輸電單元功能上的設計，即IGBT數(shù)量翻一番，意在建立一個“全橋子模塊”。全橋的兩個額外IGBT在給電路更大靈活性的同時，可以增加電容器應對故障的能力。在正常使用中，電容器被用來作為短期的能量緩沖區(qū)，但在直流輸電線路發(fā)生故障時，全橋的額外開關可以重新配置電路，引導電壓穿過電容器，使子模塊對抗直流輸電線路中的電壓為零。

西門子基于絕緣柵雙極晶體管(IGBT-based)的模塊化多級換流器，于2010年投放市場，包含幾百個微型換流器或曰“子模塊”。這樣可將換流器的整體能力從幾百兆瓦提升到1000兆瓦甚至更高——這正是德國的輸電系統(tǒng)運營商正在追求的規(guī)模

今年2月，法國電力設備供應商阿爾斯通公司展示了一款含有全橋子模塊的換流器，能在2.5微秒之內(nèi)壓制超逾3 000安培的直流電流——比交流輸電斷路器快40倍以上——在穩(wěn)固交流電網(wǎng)的同時，一旦故障消除就能以全功率輸送直流電流。然而，速度的提高也會造成部分損失，因為全橋子模塊采用的IGBT數(shù)量是現(xiàn)有模塊化換流器的兩倍，每臺換流器返回的損失可能高達1.7%。德國TransnetBW公司系統(tǒng)分析高級經(jīng)理托馬斯·安道夫(Thomas Ahndorf)坦承：“它是在損失和安全之間的一種權衡?！?/p>

創(chuàng)新者們期待新技術結(jié)出碩果

HVDC的創(chuàng)新者們競相在展示更聰明的選項。阿爾斯通的方法是僅用全橋子模塊替代部分多級換流器的2-IGBT子模塊來限制損失。11月，ABB展示了一套全新的HVDC方案：用一臺獨立的斷路器置于HVDC線路上，與標準的2-IGBT換流器同時使用（用兩個電子斷路器構成一個機械開關）。在正常操作中，電流通過機械開關和兩個斷路器中較小的一個，當系統(tǒng)檢測到一個故障時，這個較小的斷路器啟動中斷程序，對IGBT門施加電壓以提升其阻抗。然后，再通過較大的斷路器分流直流輸電電力（斷路器中有足夠的IGBT來中斷電流）。當電流切換時，觸發(fā)機械斷路器（物理上）斷開默認的通路。最后，較大的斷路器切斷備用通路，制止直流電流。根據(jù)瑞特夫的說法，所有這一切不超過5毫秒。而且?guī)缀鯖]有效率損失。

渦輪裝置矗立在德國北海海岸上。巴德近海1號風電場號稱有80臺渦輪發(fā)電機。圖為一臺這樣的渦輪發(fā)電機矗立在HVDC換流器平臺旁

與此同時，西門子公司正在同模塊化多級變換器發(fā)明者、慕尼黑聯(lián)邦國防大學電力電子與控制專業(yè)主任雷納·馬夸特 (Rainer Marquardt)開展第三方合作。馬夸特計劃將他為西門子VSC換流器發(fā)明的兩個子模塊相連接（該子模塊采用了第五個IGBT），這種“雙料子模塊”可以調(diào)整電容器以停止直流電流。由于在特定的時刻，五個IGBT中只有三個在傳導電流，與一臺全橋換流器相比，它要丟失三分之一的電力。這一方案或許要比ABB的獨立斷路器便宜，因為“雙料子模塊”既能作換流器又能作斷路器。馬夸特估計，他的設計在成本和占用空間上與今天的VSC換流器相比差不多。

HVDC的創(chuàng)新者都在加快步伐。阿爾斯通計劃在數(shù)月內(nèi)以更高的電流測試它的設計，西門子尚未透露馬夸特的設計計劃。據(jù)馬夸特說，它執(zhí)行起來不會很難，因為新的子模塊本質(zhì)上是西門子已經(jīng)售出的部件的直接替代品。而ABB正在尋找合作伙伴來測試其系統(tǒng)，旨在2017年為它的第一項商業(yè)應用作好準備。

或許，HVDC的創(chuàng)新者們在期待新技術結(jié)出碩果：一條能對電能優(yōu)化的跨大洲或跨國流動的HVDC輸電網(wǎng)絡?，F(xiàn)在他們有了更多的信心，馬夸特說，這樣的超級網(wǎng)絡既需要先進的換流器，又需要獨立的斷路器，而后者正是德國運營商力推的器件。

與此同時，由于交流輸電網(wǎng)中的跨界流動越來越難以控制，顯然出現(xiàn)了對HVDC電網(wǎng)的需求。例如，捷克正在與德國的邊界處安裝移相變壓器，以阻止后者的可再生能源轉(zhuǎn)道能力有限的捷克電網(wǎng)循環(huán)。包括法國的輸電系統(tǒng)運營商也認為，這種“非正?！钡碾娏α鲃釉谡麄€歐洲大陸日顯增多。他們也盯上了HVDC線路。

事實上，一個歐洲超級電網(wǎng)更容易協(xié)調(diào)分布廣泛的可再生能源的來源，而且要比逐一改造各國的輸電網(wǎng)便宜。為此，歐洲大型輸電網(wǎng)計劃已被列入議事日程中。例如，一個為期三年的名為E-Highway 2050項目，正在建立一個模塊化的方案——如同通道A那樣的HVDC線路——最終將形成歐洲超級輸電網(wǎng)。而德國電氣及電子信息委員會正在起草相關HVDC電網(wǎng)的技術標準。

目前，德國的輸電規(guī)劃人員僅僅想贏得第一條HVDC線路的建設。他們敏銳地意識到時間正在流逝：計劃需要核準、然后落實經(jīng)費，最后開工建設。而且一次只能一條線路，還得與每條線路的對手談判協(xié)商，時間一年年在溜走。但前景是誘人的，設在柏林的智庫Agora Energiewende預測，到2022年，德國可再生能源的發(fā)電能力將達到130 GW，2012年約為75GW。

如果不能把電力送到需要的地方去，所謂向綠色能源轉(zhuǎn)換也就成了一句空話。