电网规模多大才科学？一场关于美国电网规模的讨论

2014-09-18 11:15:24 南方电网报　点击量：评论 (0)

互联电网的覆盖范围是否需要或者能够继续扩大？未来，应该选择超级电网还是加强电网智能化建设？这些问题由于新能源的快速发展、雾霾威胁等带来的挑战而被重新思考。在这些问题上，不同国家有不同的选择，专家

互联电网的覆盖范围是否需要或者能够继续扩大？未来，应该选择超级电网还是加强电网智能化建设？这些问题由于新能源的快速发展、雾霾威胁等带来的挑战而被重新思考。在这些问题上，不同国家有不同的选择，专家和业内也有着诸多不同看法。

那么，电网是否存在最优规模？最近，美国一项研究认为，电网规模并不是越大越好，相关科学家还根据实验得出了最优的规模大小，这个研究结果在美国引发了一场有关电网规模的讨论。

电网发展有没有边界？

上世纪80年代，许多国家和地区的电网完成了快速扩张，如俄罗斯电网与东欧、中亚、波罗的海国家电网保持同步联接。近年来，可再生能源发展被提上国际日程，电网被视为解决可再生能源发电装机所在地远离负荷集中地问题的关键一环。通过扩大电网规模和覆盖范围解决新能源消纳问题被不少国家纳入考虑，欧盟2010年发布的基础设施优先计划中，跨国天然气与电力超级传输网络(SuperGrid)的扩大是投资重点。

在美国，电力企业各自为政，要在如今割裂式的电网格局下发展新能源，到底是通过实现大范围联网还是零散推行智能电网技术？曾任美国能源部部长的比尔·理查森在近期发表的一篇文章中表明了自己的观点。他认为，目前美国电网格局无法支撑自己提出的新能源发展目标。“要想将美国的多元化能源生产，特别是太阳能和风能的收益最大化，解决电网各自为政的问题就显得尤为紧迫。举个例子，在美国中西部地区，特别是在伊利诺伊州、印第安纳州和威斯康星州，风电装机不断增长，要将风电输送到相邻的东部电网，就急需更强的跨区域能源输送能力……尽管零散推行的‘智能电网’技术将会获得一定成效，但美国的电网系统需要升级更新，实现全国范围的电网联网应当提上议事日程。”

面对呼声和需求，电网这个大型人造系统是否适合不断扩大？

卓尔德(北京)环境研究与咨询首席能源经济师张树伟认为，更大范围或更高电压等级的输电线路在一定范围内不存在技术性障碍，更多的争论体现在必要性与可行性上。他分析，电力传输是损耗较高的能量传输方式。通过铁路运输，能耗在0.6%，若使用电力机车其能耗会小于0.2%。而目前的直流电力传输的线损率普遍在5%以上。扩大电网范围与规模，一方面，导致投资上升与损耗加大，以及日常维护与安全保障需要的增加；但另一方面，却可以在更大范围内调配出力特性存在互补可能的电源，节省装机与减少系统冗余。“所以，电网的规模不是越大越好，也不是越小越好。随着边际成本的上升与边际收益的下降，这无疑存在最优规模的问题。”

到底多大才是合适的？

那到底多大的电网规模才是最优的？最近国外一组科学家围绕这个话题做了相关实验，并尝试用确切的数字去回答这个问题。这些科学家认为，电网规模并不是越大越好。

近期，美国爱荷华州立大学电力工程学教授伊安·多布森以及物理学家戴维·纽曼和本·卡若拉斯，通过实验研究得出了电网的最佳规模大小，并将相关研究成果发表在一本名为《Chaos》的科学期刊上。

这组科学家通过电网建模来证明，频率稳定等电网优点会被大停电带来的影响所掩盖，电网规模变大，有可能成为更大范围级联停电的助推因素。2003年的美加大停电就是一个典型的例子。

卡若拉斯教授通过仿真实验得出结论，具有700-1000个节点的电网（每个节点由一系列发电厂、变电站、变压器等组成，美国西部电网就有约16000个节点），可以使互联电网的优势发挥到最大，同时使停电成本降到最低，可谓是最优的电网规模。研究人员认为，从这个结论可以推出，目前一些电网规模太大。

目前，美国电网由超过9000个发电厂和30万英里输电线路组成，形成了东部、西部和德克萨斯三大联合电网，这三大联合电网之间仅由少数低容量的直流线路连接。

此研究结果一出，立即引起媒体关注。NBC发表了一篇题为《有科学家建议削减电网规模》的文章，认为卡若拉斯等学者的研究是在呼吁拆分北美东部和西部两大电网。

但作为研究者之一的马德里卡洛斯三世大学教授卡若拉斯，立即站出来澄清说：“我们的研究目的和研究结果，并不是为了打破电网连接，事实上也做不到。”

但卡若拉斯教授同时也强调，研究模型并不能完全代表真实的电网。研究中仿真实验利用的是美国西部电网的模型，在这些模型里，每个节点平均代表的是真实电网里的10个节点。美国阿拉斯加大学物理学教授纽曼也认识到，刊登在《Chaos》上的这篇文章，在研究中使用的这种特定模型是理想化、同质化的系统，同具体情况千差万别的实际情况相比，还有很远的距离，并不能把理想化研究与现实等同。

实际上，研究者们的目的是希望提醒电网设计者，在设计电网时多考虑成本和效益，以及激发更多避免停电的新思考和新手段。但他们的观点常常被解读成对于电网工程的攻击或者被认为并没有多大意义。

但卡若拉斯教授坚持，这次的研究报告有助于树立一种理念：电网设计者考虑扩大互联电网规模的时候，应将停电风险纳入损益计算中。这种理念可以应用在发展中国家以及计划增加跨国联网规模的欧洲国家。值得一提的是，扩大电网互联范围但不带来停电风险也是有可能的。纽曼教授指出，可以谨慎地考虑通过弱连接来限制地区电网中的停电风险。