“输电基础设施挑战可再生能源”

工程6（2020）587新闻亮点输电基础设施挑战可再生能源的使用米奇·莱斯利高级技术作家到2030年，加州计划从可再生能源中获得60%的电力[1]。然而，国家本身只能生产大约一半的电力，其余的需要进口。相比之下，到2030年，美国中西部地区的可再生能源产量将是其需求的两倍多，以至于该地区的风力发电厂将不得不削减61%的产量。解决这种不平衡的明显办法是将中西部多余的电力输送到加州，但在目前的美国电网中是不可能的。为了满足各州和公司设定的可再生能源目标，美国需要建造大量新的输电线路，以在地区内和地区之间输送电力，根据华盛顿特区贸易集团Wires委托的一份新报告，包括电力公司，输电线路运营商和工程公司。中国和欧盟（EU）在试图将更多的可再生能源纳入其能源组合时面临着与美国相同的挑战-电力需求最高的大城市不一定靠近可再生能源最便宜和最丰富的地区。他们正在采取与美国不同的策略来修改他们的电网，分配这个权力。在美国，风力发电的主要区域是该国的中部，从德克萨斯州到加拿大边境[3]，而西南部各州最有潜力发展太阳能[4]。因为建造新的输电线路比建造捕获可再生能源的设施‘‘Ideally, you want to buildwhere resources are of the highest quality and then move thepower to areas of麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）电气工程教授约翰？卡萨基安（John Kassakian）表示，人们普遍认为，美国的电网正在崩溃，已经过时，但这种观点是错误的。很明显，电网的现状是到处都亮着灯。匹兹堡大学工程学教授格雷戈里·里德（GregoryReed）表示，无论如何，美国电网确实需要大幅升级，才能以最佳方式分配大量可再生能源。里德说，一旦可再生能源设施开始提供千兆瓦的电力，而不是他们今天通常产生的兆瓦，一个限制是，美国不是一个综合的全国性电网，而是依赖于三个基本独立的网络[5]。东部互联网覆盖了该国东部和中部的大部分地区。西部互联网几乎覆盖了大平原以西的所有国家第三个电网服务于德克萨斯州的大部分地区McCalley说，虽然电力因此，内布拉斯加州的风力发电无法到达洛杉矶，亚利桑那州的太阳能发电无法让纽约的灯亮起来。里德说：“更新美国电网以优化可再生能源的分配，将需要对高压直流输电进行重大投资。”高压直流（HVDC）线路在相同的路权上可以承载高达八倍的功率，并且每公里的功率损失比在美国占主导地位的交流（AC）线路少[6，7]。里德说，它们的建造成本也更低。然而，由于高压直流输电线路需要在每一端的昂贵的换流站将其电力转换为交流电[8]，因此除非它们至少长约300公里，否则它们不具有成本效益，Reed说。McCalley说，美国目前有五条高压直流输电线路，但只有两条线路从可再生能源中长距离输送电力。一条500 kV线路从太平洋西北部向南加州输送1361公里的水电，第二条450 kV线路从魁北克向马萨诸塞州输送1480公里的水电[9]。已经提出了许多改造美国电网和增加长距离HVDC线路的方案[7]。中国全球能源互联发展与合作组织在2019年发布的一项计划美国国家可再生能源实验室2018年的一项研究评估了在东部和西部互联互通之间建立更强联系的三种替代方案[11]。例如，有一项建议将增加互连之间现有链路的容量。第二种方案是增加三条HVDC线路，将中西部和南部与西部各州连接起来。第三种方案设想一个HVDC研究发现，所有三种选择都优于仅仅增加每个互连内的交流线路数量，节省的成本超过13%至26%[12，13]。如果美国采取碳定价政策，https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.04.0062095-8099/©2020 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/eng588米 Leslie /工程 6 （2020）587更大。帮助进行这项研究的McCalley说，促进互联之间的电力交换也将提高电网的可靠性、弹性和适应性。然而，新的高压直流输电线路是否会建成还不确定。里德说，美国没有一个国家战略来更新其电网，以适应更多的可再生能源。潜在的新线路面临经济和政治障碍。由于获得许可是如此困难，“建立新的传输是这是一个真正的挑战，”Kassakian说。任何一条拟建的线路都需要经过所有州的批准，而一些州正在反对高压直流输电项目[14]。‘‘Statespretty much have a monopoly over siting lines,” said此外，并非所有人都相信所有这些新线路都是必要的。加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学兼职教授Alexandra von Meier表示，增加本地电力存储和更好地控制需求等替代方法可以允许更多地使用可再生能源，而无需大量的新线路。她说：“我赞成在明确需要的时候修建输电线路，但在我们这样做之前，我们应该考虑其他解决方案，并确保了解其中的权衡。与美国不同，中国积极扩大其高压直流输电容量，目前拥有22条超高压-超过800 kV线路，超过任何其他国家[15，16]。计划要求建造至少11条超高压线路[15];巨大的电压容量允许更长距离的传输，因为线路损耗更少[15]。2019年，中国公布了世界上最长，最高电压的线路;这条超高压直流输电线路可以承载1100千伏，在中国西北部的新疆和中国东部的安徽之间运行3293公里（图10）。 1）[17]。中国电网现代化的另一个关键部分中国升级的输电系统使其能够更有效地利用可再生资源。例如，在2017年，新疆不得不削减或从电网中保留超过20%的太阳能发电和25%的风力发电[17]。新的1100千伏线路允许更多的电力到达该国需要它的部分地区。然而，该线路将只携带约50%的可再生能源，其余来自燃煤电厂[17]。中国的电网现代化确实有一些局限性。 这是昂贵的-新疆到安徽的线路成本超过407亿人民币CNY（约58亿美元）[15]。问题仍然是如何以及高压直流和高压交流部分的系统-[15]第二节：“人”的意思是“人”。Fig. 1.在过去的二十年里，中国积极扩大其高压输电能力。这里看到的是新运行的超高压直流1100千伏输电线路的一部分。它是世界上最长、电压最高的输电线路，连接中国西北部的新疆和中国东部的安徽，全长3293公里。图片来源：人民图二.这是中国新疆和安徽之间3293公里的新1100千伏输电线路的两台巨型变压器之一。它位于线路的终点，长37.5米，重816吨。Transformer将超高压线路的直流电转换为交流电，并将交流电输送到城市，效率超过99%图片来源：Siemens（新闻稿）。欧盟将可再生能源纳入电网的战略重点是增加电力系统之间的整合，其个别成员。与美国一样，欧盟也包括不同的国家（在这种情况下是国家），它们拥有不同的权力组合和战略。例如，德国目前46%的电力来自可再生能源[18]，瑞典> 50%[19]，卢森堡约10%[20]。欧盟这种转移应该更好地使供应与需求相匹配，并将可再生能源转移到需要的地方。欧盟成员国也在规划或建设新的高压直流输电线路，以重新分配可再生能源。例如，2019年，德国批准了一条高压线的第一段，将北海风电带到该国南部[22]。 一条从挪威到英国苏格兰的北海高压直流电缆也在2019年获得批准[23]。但里德说，与中国不同的是，欧洲并没有看到高压线路的繁荣。‘‘Their electricity grid was pretty well built引用[1] 多莫诺斯克角加州设定了到2045年实现100%清洁电力的目标。华盛顿特区：国家公 共 广 播 电 台 ; 2018 年 9 月 10 日 [ 引 用 2020 年 3 月 22 日 ] 。 可 从 ：https://www.npr.org/2018/09/10/646373423/加州设定的目标-100-可再生电力-到2045年。[2] 通知传输讨论[互联网]。亚特兰大：ScottMadden Management Consultants;[引自2020年3月22日]。可从以下网址获得：www.scottmadden.com/insight/informing-the-transmission-discussion/[3] 努斯卡河美国风力发电量最大的10个州[互联网]。ZDNet; 2010年2月22日[引用于2020 年 3 月 22 日 ]。 可 查 阅 ： https://www.zdnet.com/article/top-10-states-for-wind-power-in-the-united-states/。[4] Sengupta M，Xie Y，Lopez A，Habte A，Maclaurin G，Shelby J.国家太阳辐射数据库（NSRDB）。Renew Sustain Energy Rev2018;89：51-60.[5] 美国的电力系统是由互联网和平衡机构组成的。华盛顿特区：美国能源信息管理局;2016 年 7 月 20 日 [ 引 用 于 2020 年 3 月 22 日 ] 。 可 查 阅 ：https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php？id=27152。[6] 斯尼德A曾经由托马斯·爱迪生（Thomas Edison）倡导的电力技术的回归[互联网 ] 。 科 学 美 国 人 ; 2017 年 6 月 1 日 [ 引 用 2020 年 3 月 22 日 ] 。 可 查 阅 ：https://www.scientificamerican.com/article/a-comeback-for-electricity-tech-once-championed-by-thomas-edison/。[7] 如何让怀俄明州的风到加利福尼亚州，并削减80%的美国碳排放量。波士顿：麻省理 工 学 院 技 术 评 论 ; 2017 年 12 月 28 日 [ 引 用 2020 年 3 月 22 日 ] 。 可 从 ：https://www.technologyreview.com/s/609766/how-州风到加利福尼亚州和削减80 ofus碳排放/。[8] 拉尔森河高压直流输电系统的优点[互联网]。功率; 2018年7月31日[引用于2020年3月22日]。网址：https：//M. Leslie /工程6（2020）587-589589www.powermag.com/benefits-of-high-voltage-direct-current-transmission-systems/.[9] 评估高压直流输电对不可调度发电的影响[互联网]。华盛顿特区：美国能源信息管理 局 ;2018 年 6 月 [ 引 用 2020 年 3 月 22 日 ] 。 可 查 阅 ：https://www.eia.gov/analysis/studies/electricity/hvdctransmission/pdf/transmission.pdf。[10] Fairley P.中国的电网设计师建议对北美的电力系统进行“中国制造”升级。纽约：IEEE Spectrum; 2019年9月12日[引用于2020年3月22日]。可从以下网站获取：https://spectrum.ieee.org/energywise/energy/renewables/chinas-grid-architect-offers-made-in-china-upgrade-to-north-americas-power-system。[11] 互联接缝研究[Internet].Golden：国家可再生能源实验室; 2018年7月26日[引用于2020年3月22日]。网址：https：//www. terrawatts.com/seams-transgridx-2018.pdf网站。[12] 罗伯茨湾我们也许是时候做了（互联网）。Vox; 2018年8月3日[引用于2020年3月22日]。可查阅：https://www.vox.com/energy-and-environment/2018/8/3/17638246/national-energy-grid-renewables-transmission。[13] NREL研究称，是纽约：IEEE Spectrum; 2018年8月8日[引用于2020年3月22日]。可从以下网址获得：https：//www.example.comspectrum.ieee.org/energywise/energy/the-smarter-grid/after-almost-100-years-of-talk-time-might-be-right-to-strengthen-the-interconnect。[14] Tomich J. Battle重新点燃了价值25亿美元的中西部输电线路[互联网]。华盛顿特区：E& E新闻; 2019年12月19日[引用2020年3月22日]。可从以下网址获得：https://www.eenews.net/stories/1061847775[15] Fairley P.中国雄心勃勃的计划是建立世界上最大的超级电网。纽约：IEEESpectrum; 2019 年 2 月 21 日 [ 引 用 于 2020 年 3 月 22 日 ] 。 可 从 ：https://spectrum.ieee.org/energy/the-smarter-grid/chinas-雄心勃勃的计划，以建立世界上最大的超级电网。[16] 中 国巨 大 的输 电 网可 能 是减 少 气候 排 放的 关 键。 波 士 顿 ：MIT TechnologyReview; 2018年11月8日[2020年3月22日]。可查阅：https://www.technologyreview.com/s/612390/chinas-giant-transmission-grid-could-be-the-key-to-cutting-climate-emissions/。[17] 中国国家电网公司打破输电记录。纽约：IEEE Spectrum; 2019年1月10日[引用于2020年3月2日]。可从以下网址获得：https://spectrum.ieee.org/energywise/energy/the-smarter-grid/chinas-state-grid-corp-crushes-power-transmission-records。[18] 可再生能源伦敦：路透社; 2020年1月3日[引用2020年3月22日]。可查阅：https://www.reuters.com/article/us-germany-power-outputmix/renewable-energys-share-of-german-power-mix-rose-to-46-last-year-research-group-idUSKBN 1Z21K1。[19] 迈耶·D更多的可再生能源比化石燃料：随着英国达到一个能源里程碑，这里是其他人已经走了多远。《财富》; 2019年10月15日[引用于2020年3月22日]。可查阅：https://fortune.com/2019/10/15/uk-renewable-energy-40-fossil-fuel/。[20] Oglesby K，Jacquemot P.卢森堡10%的电力来自可再生能源。卢森堡时报; 2019年10月16日[ 引用于2020年3月22日]。可查阅：https://luxtimes.lu/luxembourg/38764-10-of-electricity-in-luxembourg-from-renewable-sources。[21] 电力联网目标[互联网]。布鲁塞尔：欧盟委员会[更新2020年3月17日;引用2020年3月22日]。可从以下网址获得：https://ec.europaenergy/topics/infrastructure/electricity-interconnection-targets_en.[22] 德国能源监管机构批准了第一部分的ultrasonic电力线[互联网]。伦敦：路透社;2019 年 1 月 21 日 [ 引 用 2020 年 3 月 22 日 ] 。 可 从 以 下 网 址 获 得 ：https://www.reuters.com/article/germany-powerline-ultranet/german-energy-regulator-approved-first-part-of-ultrasound-power-line-idUSL8N1ZL2OE。[23] 麦克菲·D苏格兰到挪威的超级电缆获得了海上许可证。能源之声; 2019年2月15日[引用2020年3月22日]。网址：https：//www.energyvoice.com/otherenergy/192855/scotland-to-norway-supercable-granted-marine-licenses/.