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2015年1月4日 星期日

【綠色再生電力系統-輸電篇】綠能的決勝關鍵點

TechNews刊登時間:201412241700


綠電的發電廠,通常位於人煙稀少的地方,然而,用電量龐大的卻是人口密集的地方,兩者的差距從數百公里到數千公里,要連接兩地便需要仰賴本文要介紹的輸電系統(Transmission System)。在這裡我們就先從「地大物博」需要長程輸電的中國說起。


2013 年中國風電發電量達 2.5%,超越核電成為僅次於火電與水電的第三大電力能源,預估以後將永遠超越核電。2011 10 月,國家發展改革委能源研究所發布了《中國風電發展路線圖 2050》,規劃在 2050 年讓風電發電量達到 17%1,000 GW),這個數字遠遠把核電拋在後面。
為了解決棄風限電的問題,中國這幾年興建許多長程的電力網路,把西北部便宜的風電運送到東南部,把三峽大壩便宜的水電運送到長三角地區。國家電網公司與 ABB 合作,共同開發長程電網所需要的特高壓(Ultra High Voltage)交流(AC)與直流電(DC)技術。

▲紅色實線是已經完工的 1,000KV HVAC;藍色實線是已經完工的 800KV HVDC

HVDC 多為長途送電最佳選擇
輸電系統通常具備長程與高電壓的特性,有別於短程與低電壓的配電系統(Distribution System)。技術上,高壓直流電(HVDC)具備低線路損耗(線損)與高功率的特性,在陸地長程輸電網的應用上,HVDC 使用比較少的土地面積(約 33-50%),比較少的銅導線材料(67.5%)。
至於 AC DC 哪一種比較具備成本優勢,其實不一定。需要同時考慮線損、傳輸功率、AC/DC 轉換效率或 AC/AC 轉換效率、材料成本、土地面積等等變數。技術進步迅速,許多過時的電力系統觀念,應該走入歷史。如果有很大的傳輸功率需求,一般來說會選擇 HVDC 技術。
HVDC 技術也可以用在海底,全球最長的紀錄是為連接挪威與荷蘭的跨國電網 Norned Link ,其總長達到了 580 公里,於 2008 年啟用,450KV,傳輸功率為 700MW

HVDC 技術可以做到地下化或僅使用一個單位面積的土地,而 HVAC 則需要 2-3 個單位面積的土地(Overhead AC line with FACTS & Overhead line with AC):一般認為 500 公里以內,HVAC 比較有成本優勢,因為少了 AC/DC 轉換的能量損失與成本。

隨著技術進步,HVDC 在短距離的成本與技術優勢逐漸顯現。2013 年台電平均線損約 4.25%HV & LV AC),第四代的 HVDC Light,已經能把線損降低到 1%,並且在 2014 年正式運轉於德國的 DolWin 1 計畫,負責將北海 Borkum West II 離岸風場的電力,透過 7.5 公里的 AC 電纜傳送到 DolWin Alpha 的海上變電所,然後使用 HVDC Light 運送到德國陸地。這是全世界第一套 320KV HVDC Light 系統,總輸出功率 800MW。總長度 165 公里,其中,75 公里為海底電纜,90 公里為地下電纜。

▲ 這四個世界的 HVDC Light 技術,線損分別是 3%2%1.5%1%;系統容量可以拉高到 1,200MW

長程輸電系統攸關綠能成敗
做好電網建設,才有資格發展綠色再生能源。2012 年為中國棄風率最高的一年,達 17.12%,損失20.82TWh 電力。2013 年情況改善許多,棄風率達 10.74%,損失 16.23TWh。到了 2014 上半年,全國平均棄風率 8.5%,損失 7.2TWh。但預估 2014 全年棄風率約 12%,因為年度裝機量估計達 18GW,創歷年來新高。
2012-2014H1 之間,中國完成許多新的長程輸電系統,讓棄風率大幅下降。相對地,如果希望綠色再生能源失敗,只要把電網做壞、做爛,計畫一定失敗。核電就可以繼續存在。

Source:中國能源網,2014
為了發展離岸風電,中國規劃多端彈性 HVDC 計畫(multi-terminal Flexible HVDC Project)。舟山島計畫是中國首個五端(變電站)彈性 HVDC 計畫,總容量 400MW,200KV,已經於 2014 年的 7 4 日啟用,實現風電併網的目標。
本計畫的難度很高。模擬設備與級控、閥控主機交互通訊達 8,400 個,動員 400 個人力,24 小時不間斷工作,測試 380 個控制項目,92 個保護項目與 26 個系統運行方式。本計畫的五端,連接舟山、岱山、衢山、洋山、嵊泗。證明,海島地區使用 HVDC 技術,成本也能控制在可以接受的範圍之內。

▲ 多端彈性 HVDC 計畫改善電力可靠度、品質,以及系統電力調度的操作彈性,並且解決了再生能源併網的困難之處。
長程輸電系統需要建立氣候預測中心,並且監控風場與太陽能發電廠。國家電網公司的監控系統,目前(2014/03)中國可以控制全國 810 個風場,合計併網達 74.64GW,以及全國的 18.41GW 太陽能發電站。
智慧型變電站(Smart Substation)也是一個很重要的關鍵。中國已經興建並且營運 927 個智慧型變電站。替每個變壓器配備光纖電子監控儀器,廠區內還有自動巡邏機器人。
中國的風光併網工程,預計在 2015 年達到 140GW 風電,35GW 的太陽能。每個城市每年的電力系統中斷時間縮短到 15 分鐘以內。儘管困難重重,挑戰艱鉅,許多產業公司仍然前仆後繼,努力去達成目標。
長程輸電系統有效解決棄風限電的問題,智慧型變電站、氣候預測中心、風場監控中心、光纖電子感測器等產品,強化了綠色再生電力系統的可靠度與電力品質,並且大幅度提高風電併網的能力。
(首圖來源:Flickr/Wolfgang Schlegl BY CC2.0

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