德国领跑高压直流输电(HVDC)

冯诗齐/编译

●在高压直流输电领域新的进展可能预示着能量传送方式史诗般的转变。目前，德国正在考虑一个雄心勃勃的计划，力图推进高压直流输电（HVDC）计划，旨在把目前其处于交流电网边缘的位置转变为主角，为更大范围输送电力的直流输电线路的“超级电网”铺平道路，乃至最终形成互通互联能力的欧洲超级输电网。

你或许会发现，斯图加特将是一个电力紧缺的最后之地。这个南德城市的汽车工业正以24小时不间断地运行着，有效的措施使得这个城市的工业耗能保持了平稳，而太阳能电池板在这座城市的主楼上闪烁着光茫。然而，现在这一切都岌岌可危了。由于德国正在加速将核电和化石燃料发电向可再生资源——风能和太阳能——转移，其传输能力上的巨大不足便显露无遗。仅仅为了生存，斯图加特的工厂——以及横跨南德的其他电力用户——就得从北方输入更多的电力。而德国的电网已是竭尽全力了。

为了填补缺口，德国正在考虑一个雄心勃勃的计划，力图推进高压直流输电（HVDC）计划，旨在把目前处于交流电网边缘的位置变为主角。原因很简单：HVDC似乎比修修补补的交流电网更便宜，同时提升其如交流电网那样尽可能多的性能和可靠性。为此，他们正在考虑实施新的电力电子技术，做某些过去没有在商业线路上做的事情：在数毫秒内停止直流电流。

当IEEE Spectrum在4月初付印时，这个100亿欧元的项目仍然在德国议会中辩论，但第一条HVDC线路的规划在顺利进行。该项目计划从南半部一条1 000兆瓦、660公里长的通道A线路开始，串起北海港口城市埃姆登——这是德国博尔库姆岛附近正在修建中的海上风电场的连接点——止于斯图加特西北70公里的菲利普斯堡核电站附近的一个交流输电枢纽。

如果德国将HVDC输电线路向前推进，就可能能为某个更大的、大范围输送电力的互通互联能力的直流输电线路的“超级电网”铺平道路：从北海的涡轮机、斯堪的那维亚的水坝，或地中海的太阳能电场输送能源。欧盟委员会或正指望到2050年以这种方式来满足其可再生能源供应目标的80%。通道A可视为是第一步。

可再生能源提速挑战现有电网

有关HVDC计划的想法缘于两年前。当时日本福岛核事故致使德国总理默克尔计划关闭其国家17座核反应堆中的8座，并重提将在2022年逐步关闭剩余的其他核反应堆的计划。虽然这仅只减少德国年度发电量的16%，其份额约为巴伐利亚州和巴登-符腾堡州的近一半。届时，斯图加特将不得不通过获取遥远的风电和化石燃料电厂能源来弥补部分缺口。总之，一旦最后一座核电厂关闭，就需将数十亿瓦电力从北方输到南德。而现有的电网根本承受不了这样的挑战。

可再生能源或因上述原因将被抛弃。例如在2010年，德国风电场发电约127亿瓦特小时电能，足以供应超过30 000户德国家庭一年所需。然而，现有电网可能没有能力传输这些电力，致使德国联邦网络局(BNetzA)在其年度报告中警告说，从核能向可再生能源转变的提速 “把传输系统逼到了墙角。”

跨越网格：德国的输电系统运营商已提出四条HVDC线路(沿三条通道)，将会跨越该国的交流电网，帮助从北(风力资源丰富)到南(更多依赖核电)输送电力。2011年，德国关闭了八座核反应堆。九座仍保留的反应堆预计到2022年停止运行

像许多德国城市一样，斯图加特也有一个复杂的能源投资组合：所需电力的八分之一自己生产，其余的大部分来自其他地方。在德国，无论是城市还是州，太阳能电池板的增长最快，这得益于联邦政府的奖励价格设定。到2020年，在巴登-符腾堡生产的能源仅光伏(PV)一项将高达18%。

然而，这一指标在冬天很难达到，晚上更是如此。同时，太阳能发电正在削平电价峰值，削弱了天然气和煤电厂盈利的能力。设在杜塞尔多夫的E.ON能源公司，去年11月封存了两家天然气厂并搁置了最新型的成煤植物的计划时，便被指责为削弱了市场。所有这一切均发生在德国南部。

减少煤炭和天然气是德国应对气候变化的关键。然而，气候的变化却令负责监管电网的BNetzA忧心忡忡。在前两个冬季，为了确保安全过冬，BNetzA甚至向南德和奥地利的几家燃气发电厂预付酬金，让这些工厂保持待命状态。

事实上，南部风电建设的条件或许比较宽舒——但也并不多——南部的风力通常比较和缓，涡轮发电机的建造也牵涉到选址等问题，如德国著名的黑森林(巴登-符腾堡州西南山区)正受到当地社区的舍命保卫，而以追加抽水蓄能功能来扩展南部的电力存储能力也遇到了环保团体的抵制，他们辩称，建造新的水电站会破坏野生动物的栖息地。

总之，除了从北部调送更多的电力外，在南部，自身电力拓展似乎别无他方。其中调送的电力包括相当数量的风电，它已经占德国电力消耗量的8%，预计到2022年还要翻番。

HVDC抑或是较完美的解决方案

德国地区电网输电系统运营商(TSOs)自2005年以来一直在关注交流输电网中的变化。据当时德国能源机构公布的一项分析显示，可再生能源所发的电已经让国家电网处于过载的风险之中。由于传统电厂的就近输电模式，输电网络将越来越多地承担起将可再生能源从过剩地区输送到需求地区的任务。该机构呼吁对电网适度扩容5%，计划到2015年完成850公里超高电压交流线路。

现有的基于IGBT的HVDC单元，像如上所示的ABB的轻型HVDC系统，不能独自中断直流电流

2010年德国能源机构发现，为应对风电和太阳能发电的增长，到2020年德国还将需要增加3 600公里的交流输电线路；由于环保团体阻碍等因素，如在2015年完成850公里中的214公里超高电压交流线路，也是一个未知的数字。这些变化并不仅仅是可再生能源发电激增的缘故，还因交流输电网的物理状态更显恶化。德国的输电网，像大多数国家一样基本是单回路的，由相互连接的高压线路网构成：电流自由地在网络中电阻最小的路径中流动，而电阻则随着遍布全德国(以及全欧)的发电厂，以及几百万家庭和使用各种电器和机器的工厂而瞬息万变。

在一个交流输电网中要从点A到点B获取更多的电力的话，往往需要建立不止一条线路，以确保电流不至于在输电网最薄弱的路径上过载。尽管某些新技术可以将交变电流转到特定的线路，但这些技术在大规模实施时代价昂贵。

HVDC则提供了一套比较完美的解决方案。由于电力电子技术置于线路的两端，一条单一的HVDC线路可视为一个高容量的“电虫洞”，就近将电能从产地汲出，再注入远在几百甚至几千公里外的交流输电网络，其电能方向和幅度可以精确控制。这在完全开放的网络的回路中对于一个交变输电线路来说是不可能完成的。当德国的输电系统运营商计算所需成本后，他们发现，直流输电系统在转向可再生能源方面并不十分昂贵，缘于必须新建或升级的线路并不多。

另一个吸引人的因素是电子换流器的改进——线路两端的装置可将交流电转换成直流电，或者反之——典型的HVDC输电线路采用晶闸管(可控硅整流器)构造的换流器，其高效却能力有限，并依赖交流输电系统来支持其运作。结果，HVDC通常被视为可在长距线路中传输的稳定电力荷载，比如水力发电。

上世纪90年代后期，瑞士-瑞典的工程巨头ABB向市场推出了采用高频硅绝缘栅双极型晶体管(IGBT)换流器，这些“电压源换流器”(VSC)在控制电压的同时，可以帮助稳定其周围的交流电网。在HVDC线路中使用VSC，即数以百计的IGBT串连后从交流输电线路中引导电力，并将其整流成直流线路中的稳定电流；而线路下游端的换流器执行类似的过程，将电流转回到交流电。同时，这些基于IGBT的换流器可以监视并调整交流输电线路上电压的陡降或激增。比如，在交流输电点连接近海风电场过程中，那里不断变动的功率电平需要对电压实行动态控制。

“全桥子模块”让人们陡生希望

或许HVDC能挑战交流输电方式在电力网络中的核心地位。然而，基于IGBT的换流器在挑战交流输电技术之前，仍有几个障碍要克服：一是其容量上限只有几百兆瓦；另一是每个换流器的开关损耗大约为传输功率的1.5%～2%。也就是说，如果一条线路中连接有上千台海上风力蜗轮机的话，就会耗费掉近15～20台蜗轮机所发的电。

2010年，西门子公司向市场推出了一款模块化多级换流器，消除了上述这两个障碍。这款新型换流器集成了几百个微型换流器或“子模块”，将换流器容量从原先的几百兆瓦提升到1 000兆瓦或更多——这正是德国的输电系统运营商正在追求的规模，他们已将这款新型换流器作为优先考虑的对象。

德国的输电系统运营商为此草拟了一条线路，把HVDC线路建造在现有的交流输电走廊之下，使用相似的输电塔——这是第一条采用基于VSC技术的线路 （一条暴露无遗的直流输电线路易受雷电袭击、树木碰撞等损害）。鉴于通道A和其他三条规划好的直流输电线路将在一个已显拥堵的电网中扮演中心角色，运营商们同时也在搜寻一种更先进的HVDC换流器，即可以容许故障、或迅速从故障中恢复。

能够中止高压直流电流动的HVDC设备需要具备什么特性，可以让一条线路快速重置并重启？这对交流输电线路不成问题——即便是超高压线路——因为电压每次归零电流就会反向。任何一个零点都能中断电路，无需发生破坏性的跳跃。然而，直流电流却只能做到中止输送。在高压下快速中止，就如同猛然关上超速行驶的卡车门。“在直流输电中，始终处于充满能量的状态。如果你试着用一台机械断路器来中断直流电……就会烧掉开关柜，”ABB电力事业部首席技术主管克拉斯·瑞特夫(Claes Rytoft)说。

如今的以IGBT换流器构成的HVDC线路，是依靠交流输电网关闭换流器而绕过了中断问题。为清除直流输电线路的故障，一台置于上游端的高速交流断路器可以在不到100毫秒内切断电流。瑞特夫说，这听上去很快，但这只是重启线路的一小步，系统必须等待半秒钟便于故障清除后关闭交流断路器，以便重置换流器。而让换流器返回到全功率状态或许要花费2秒时间，他补充道。HVDC线路在几百兆瓦情况下工作状态良好时，类似通道A这样的线路会把海啸的多余能量分流到交流电网。而随着HVDC换流器的关闭，它或许无助于交流输电网应对干扰。

最直接的解决方案或许是重新设计交流-直流换流器模块的断路器功能。一种已定位于某些低功率直流输电单元功能上的设计，即IGBT数量翻一番，意在建立一个“全桥子模块”。全桥的两个额外IGBT在给电路更大灵活性的同时，可以增加电容器应对故障的能力。在正常使用中，电容器被用来作为短期的能量缓冲区，但在直流输电线路发生故障时，全桥的额外开关可以重新配置电路，引导电压穿过电容器，使子模块对抗直流输电线路中的电压为零。

西门子基于绝缘栅双极晶体管(IGBT-based)的模块化多级换流器，于2010年投放市场，包含几百个微型换流器或曰“子模块”。这样可将换流器的整体能力从几百兆瓦提升到1000兆瓦甚至更高——这正是德国的输电系统运营商正在追求的规模

今年2月，法国电力设备供应商阿尔斯通公司展示了一款含有全桥子模块的换流器，能在2.5微秒之内压制超逾3 000安培的直流电流——比交流输电断路器快40倍以上——在稳固交流电网的同时，一旦故障消除就能以全功率输送直流电流。然而，速度的提高也会造成部分损失，因为全桥子模块采用的IGBT数量是现有模块化换流器的两倍，每台换流器返回的损失可能高达1.7%。德国TransnetBW公司系统分析高级经理托马斯·安道夫(Thomas Ahndorf)坦承：“它是在损失和安全之间的一种权衡。”

创新者们期待新技术结出硕果

HVDC的创新者们竞相在展示更聪明的选项。阿尔斯通的方法是仅用全桥子模块替代部分多级换流器的2-IGBT子模块来限制损失。11月，ABB展示了一套全新的HVDC方案：用一台独立的断路器置于HVDC线路上，与标准的2-IGBT换流器同时使用（用两个电子断路器构成一个机械开关）。在正常操作中，电流通过机械开关和两个断路器中较小的一个，当系统检测到一个故障时，这个较小的断路器启动中断程序，对IGBT门施加电压以提升其阻抗。然后，再通过较大的断路器分流直流输电电力（断路器中有足够的IGBT来中断电流）。当电流切换时，触发机械断路器（物理上）断开默认的通路。最后，较大的断路器切断备用通路，制止直流电流。根据瑞特夫的说法，所有这一切不超过5毫秒。而且几乎没有效率损失。

涡轮装置矗立在德国北海海岸上。巴德近海1号风电场号称有80台涡轮发电机。图为一台这样的涡轮发电机矗立在HVDC换流器平台旁

与此同时，西门子公司正在同模块化多级变换器发明者、慕尼黑联邦国防大学电力电子与控制专业主任雷纳·马夸特 (Rainer Marquardt)开展第三方合作。马夸特计划将他为西门子VSC换流器发明的两个子模块相连接（该子模块采用了第五个IGBT），这种“双料子模块”可以调整电容器以停止直流电流。由于在特定的时刻，五个IGBT中只有三个在传导电流，与一台全桥换流器相比，它要丢失三分之一的电力。这一方案或许要比ABB的独立断路器便宜，因为“双料子模块”既能作换流器又能作断路器。马夸特估计，他的设计在成本和占用空间上与今天的VSC换流器相比差不多。

HVDC的创新者都在加快步伐。阿尔斯通计划在数月内以更高的电流测试它的设计，西门子尚未透露马夸特的设计计划。据马夸特说，它执行起来不会很难，因为新的子模块本质上是西门子已经售出的部件的直接替代品。而ABB正在寻找合作伙伴来测试其系统，旨在2017年为它的第一项商业应用作好准备。

或许，HVDC的创新者们在期待新技术结出硕果：一条能对电能优化的跨大洲或跨国流动的HVDC输电网络。现在他们有了更多的信心，马夸特说，这样的超级网络既需要先进的换流器，又需要独立的断路器，而后者正是德国运营商力推的器件。

与此同时，由于交流输电网中的跨界流动越来越难以控制，显然出现了对HVDC电网的需求。例如，捷克正在与德国的边界处安装移相变压器，以阻止后者的可再生能源转道能力有限的捷克电网循环。包括法国的输电系统运营商也认为，这种“非正常”的电力流动在整个欧洲大陆日显增多。他们也盯上了HVDC线路。

事实上，一个欧洲超级电网更容易协调分布广泛的可再生能源的来源，而且要比逐一改造各国的输电网便宜。为此，欧洲大型输电网计划已被列入议事日程中。例如，一个为期三年的名为E-Highway 2050项目，正在建立一个模块化的方案——如同通道A那样的HVDC线路——最终将形成欧洲超级输电网。而德国电气及电子信息委员会正在起草相关HVDC电网的技术标准。

目前，德国的输电规划人员仅仅想赢得第一条HVDC线路的建设。他们敏锐地意识到时间正在流逝：计划需要核准、然后落实经费，最后开工建设。而且一次只能一条线路，还得与每条线路的对手谈判协商，时间一年年在溜走。但前景是诱人的，设在柏林的智库Agora Energiewende预测，到2022年，德国可再生能源的发电能力将达到130 GW，2012年约为75GW。

如果不能把电力送到需要的地方去，所谓向绿色能源转换也就成了一句空话。