海湾六国跨国跨洲输电方案设想及分析

吴俊玲1,高超2,肖晋宇2,郑漳华2,张彦涛1,代倩1,李亚楼1,王丹3  

(1.中国电力科学研究院有限公司,北京市 海淀区 100192;2.全球能源互联网发展合作组织,北京市 西城区 100031;3.国网经济技术研究院有限公司,北京市 昌平区 102209)

摘要

利用阿拉伯半岛地理和资源优势,将富裕清洁电力向周边国家和地区输送,对全球清洁能源的高效利用和海湾地区能源可持续发展具有重要意义。调研了海湾六国能资源储量和电力供需现状,结合海湾六国可再生能源开发潜力,提出了近、中、远期海湾六国向北非、欧洲和南亚方向的输送清洁电力的方案设想,提出了联网的路径、输电距离、输电容量和拟采用的输电技术。通过初步的技术经济比较,对不同输电方案进行了比选分析。最后梳理了各阶段联网方案的关键技术。综合考虑政治、经济和技术因素,海湾地区清洁电力向欧洲方向送电采用特高压直流方案经济性更优,向南亚方向采用沿伊朗近海的路径方案可实施性更高。

关键词 : 海湾六国;跨国跨洲输电;全球能源互联网;可再生能源

基金项目:国家电网公司科技项目“跨洲联网规划方法及方案评价原则研究”。

0 引言

构建全球能源互联网是满足未来电力需求、实现清洁绿色发展的关键,跨洲远距离电力传输是全球能源互联的重要形式[1-3]

海湾六国由沙特、科威特、巴林、卡塔尔、阿联酋和阿曼组成。该地区由于石油和天然气资源相当丰富,一直为世界所关注。同时该地区拥有全球最好的日照条件和连接亚、非、欧三大洲的优越地理位置,近期也成为全球能源互联网研究的热点地区。虽然目前石油和天然气在海湾六国能源生产和消费中占绝对主导地位[4],但海湾六国工业快速发展和人口迅速增加所带来的国内能源需求增长与国家能源出口方面的矛盾有所显现[5],再考虑到该地区巨大的太阳能资源开发潜力[6],因此各国政府也表示出进行能源转型的意向,以确保未来的可持续发展。虽然目前海湾六国可再生能源开发利用程度还较低,但各国都制定了未来的发展目标。科威特提出到2020年可再生能源发电量占比达到5%的目标,阿联酋(阿布扎比)规划到2030年可再生能源发电量占比达到7%,沙特规划在2040可再生能源装机容量达到5400万 kW,其中太阳能装机4100万 kW,风能装机900万 kW,垃圾发电300万 kW,地热100万 kW,可再生能源发电量达到150 TWh/a ~190 TWh/a,发电量占比达到20%~30%[7]。《2010~2030年泛阿拉伯地区可再生能源应用发展战略》在2013年第三届阿拉伯经济和社会发展峰会发布,制定了渐进式的可再生能源发展目标,提出泛阿拉伯地区到2030年的低、中、高三种情景下可再生能源发电占比分别为2.3%、4.7%和9.4%[7]

从经济增长和环境保护的角度出发,结合不断成熟的特高压输电以及柔性直流输电、直流联网等先进技术,构建海湾地区与周边国家互联电网,充分利用海湾地区丰富的清洁能源资源,促进海湾地区和周边亚非国家的经济发展,实现海湾地区大规模太阳能发电在更大范围内的消纳,对海湾地区能源可持续发展具有重要意义。

本文综合考虑政治、经济和技术等方面的因素,研究海湾六国与周边国家互联电网的物理形态。提出了近中期海湾六国向北非、欧洲和南亚方向输送清洁电力的方案,包括联网的路径、输电距离、输电容量和拟采用的输电技术。通过初步的技术经济比较,对不同输电方案进行了比选分析,并对远期海湾六国清洁电力向欧洲和南亚负荷中心的送电方案进行了展望。

1 海湾六国能源电力发展概况

1.1 能源资源

海湾地区太阳能资源非常丰富,开发潜力巨大。太阳能总辐照量超过2000 kWh/m2/a。沙特西部、也门西部、阿曼东北沿海太阳能总辐照量可达2400 kWh/m2/a以上[8]。图1所示为海湾地区太阳能总辐照量(global horizontal irradiance,GHI)分布图。海湾六国中以阿曼、沙特和阿联酋的太阳能开发条件最优,平均日照小时数均达到9小时以上[8],这三个国家的太阳能直接辐射量(direct normal irradiance,DNI)、太阳能总辐照量以及日照小时数如表1所示。

图1 海湾地区太阳能总辐照量分布图
Fig.1 Distribution of GHI in GCC countries

表1 各国太阳能资源情况
Table1 Solar resources in GCC countries

海湾地区风能开发潜力也较大。国际可再生能源署(international renewable energy agency,IRENA)提供的100 m高度风速分布图谱和风功率密度分布图谱显示,海湾半岛除沿海地区外,风能资源均较为丰富,且分布较为均匀,年平均风速为5 m/s~7 m/s,风功率密度为350 W/m2~500 W/m2[9]。图2所示为海湾地区风速分布图。

图2 海湾地区年平均风速分布图
Fig.2 Annual average wind speed distribution in GCC countries

1.2 电源装机及用电需求

虽然海湾六国可再生能源具有巨大的开发潜力,但目前开发利用程度还较低,电源装机以火电为主,新能源发电占比极低,2016年海湾六国电源总装机容量约为14268万 kW,几乎全部为燃油和燃气发电。其中巴林、卡塔尔、阿联酋和阿曼以燃气发电为主,燃气发电占比均超过90%,沙特的燃气和燃油发电较为均衡,占比分别为53.2%和46.8%[10]

海湾六国电力发展和消费水平较高,人均电源装机和消费水平远高于世界平均水平。2016年海湾六国人均装机容量2.71 kW,是世界平均水平(0.83 kW/人)的3.26倍,人均用电量为10590 kWh/人·年,是世界平均水平(3141 kWh/人·年)的3.37倍。GCC各国电源发展较为均衡,科威特的人均装机容量和人均用电量最高,约4.85 kW/人和15919 kWh/人·年,阿曼相对较低,为1.76 kW/人和6257 kWh/人·年[10]。2016年海湾六国电力电量对比情况如图3所示。

图3 2016年GCC各国电力电量对比
Fig.3 Comparison of power consumption in GCC countries in 2016

由于相对稳定的政治局势,海湾国家过去几年电力负荷保持中高速增长,2011年~2015年年均增长率为6.3%。根据阿电联(Arab union of electricity)的预测,未来5年海湾六国电力负荷仍保持这一增速,之后增速有所降低。预计2016年~2025年负荷年均增速为5.5%[10]

1.3 海湾六国互联电网

海湾六国除沙特电网频率为60 Hz以外,其余国家的电网频率均为50 Hz。海湾六国电网地理接线图如图4所示[11]。至2011年,海湾六国已通过海合会电管局(gulf cooperation council interconnection authority,GCCIA)管辖的400 kV互联电网实现跨国互联,各国通过400 kV线路或直流背靠背接入互联电网,实现六国电网之间的相互支援,提高供电可靠性[12-13]

图5给出了海湾六国互联电网交换容量与线路长度。如图5所示,沙特60 Hz电网通过一个背靠背直流站与50 Hz的海湾六国互联电网主网架互联。海湾六国电网互联的初衷是共享备用容量,降低成员国发电备用要求,提高系统运行的经济性、可靠性和协调性,同时为成员国之间的电能交易提供基础。海湾六国互联电网自2011年建成后,到2015年,在紧急情况下累计实现1300多次功率互援,为保证六国电网安全稳定运行发挥了重要作用,但总体利用系数仍然较低,仅为8%。[14]GCCIA也计划进一步加强各国之间的联系,充分发挥互联电网的作用。

图4 海湾六国电网地理接线图[11]
Fig.4 The geographical diagram of GCC countries power grids

图5 海湾六国互联电网交换容量与线路长度
Fig.5 Interchange capacity and length of transmission lines between GCC countries

2 海湾六国清洁电力外送方向

海湾地区位于亚、非、欧的交界地带,具有能源外送得天独厚的地理优势。在清洁能源发展情景下,北非、南亚和土耳其有望成为海湾地区重要的电力外送市场[15]。海湾六国太阳能资源条件较好的地区主要分布在沙特中南部、阿曼和阿联酋地区。结合海湾阿拉伯半岛地理位置,设想海湾六国清洁能源的外送方向包括:

1)向北非方向送电。

埃及是北部非洲的主要负荷中心,其一次能源资源有限。沙特和埃及于2013年6月签署了电力联网项目谅解备忘录,计划建设跨国直流联网工程,电压等级±500 kV,输电能力300万 kW,以获得两国负荷错峰效益,实现电力相互支援[16]。利用沙特和埃及之间的送电通道,远期还可以将北部非洲地中海沿岸的风电向土耳其方向输送。

2)向南亚方向送电。

南亚人口众多,约490万 km2面积内聚集了超过全球25%的人口,一次能源储量仅占全球不到7%[4],随着经济发展,对外来能源电力需求很大。巴基斯坦是世界上人口第六大国,电力供应紧张,2015年61.7%的电力装机为燃气和燃油发电[17]。巴基斯坦南部濒临阿曼湾和阿拉伯海,拥有接纳海湾地区富裕清洁电力的地理优势,远期还可以考虑经巴基斯坦进一步向印度送电。

3)向土耳其和欧洲方向。

土耳其横跨亚欧两洲,具有连接亚欧电网进行能源资源互济的地理优势,中期可以将海湾地区富裕的清洁电力经伊拉克向土耳其输送,远期还可经土耳其进一步向欧洲负荷中心输送。

4)与埃塞俄比亚之间进行能源互济。

埃塞俄比亚水电资源丰富,2015水电装机的比例为79.5%,其次为风电,占总装机的11.8%[17]。根据本国能源规划,未来负荷增长可全部由清洁能源满足。未来可利用其丰富的水电资源及地理位置上的优势,与阿拉伯半岛的太阳能发电进行资源互济和优化配置。由于海湾国家目前气电比重较高,区内调节电源充足,对水电的调节需求尚不迫切,因此与埃塞联网也可作为远期方案。

图6所示为海湾六国清洁电力可能的外送方向。

图6 海湾六国清洁能源电力主要外送方向
Fig.6 Main direction of power grid interconnection between GCC countries and neighbors

3 海湾六国清洁电力外送方案

利用海湾阿拉伯半岛地理和能源资源优势,考虑特高压常规直流、柔性直流、直流联网等多种输电技术,研究将海湾地区盈余的清洁电力向周边国家和地区外送的电网方案,以适应海湾地区可再生能源开发和外送需求。综合考虑运行方式和送、受端电网的支撑能力选择换流站类型,主要原则如下:

1)常规直流输电系统运行需要较强的交流系统支撑。若交流电网支撑能力不足,考虑采用柔性直流换流站[18-19]

2)柔性直流运行方式更为灵活,考虑未来可能的电力流向和运行方式,需频繁改变潮流流向的送受端宜选择柔性直流换流站。

3)考虑电网未来可能的潮流方向,落点宜选择在电源基地和负荷中心附近,以实现电源的汇集和电力的就近消纳,避免在电网内部大规模流动。

4)参考现有关于电网规划研究的相关结论,与相关国家研究成果相互衔接。

为便于对各阶段不同方案进行技术经济比较,根据线路经济电流密度选择合适的导线截面,计算各方案的直流输电功率损耗,并参考中国已投和在建直流工程,对各方案进行投资估算[20-21]。不同方案的工程量、功率损耗率和投资情况汇总如表2所示。

表2 海湾六国清洁能源电力外送方案比较
Table2 Comparison of interconnection schemes between GCC countries and neighbors

注:导线截面按照0.6 A/mm2~0.8 A/mm2的经济电流密度选取。ρAL取钢芯铝绞线在25℃时的电阻率0.0287Ω·mm2/m。

忽略接地损耗,直流输电损耗主要考虑了换流站和输电线路损耗。按照常规直流线路两侧换流站损耗率约为1.5%,柔性直流换流站单站损耗率约为1%计算。直流线路功率损耗率按下式计算:

式中,ρAL表示直流线路的电阻率;PD表示直流线路的输送功率;L表示直流线路的长度;UD表示直流线路的电压;SL表示直流线路的导线截面。

提出的海湾六国跨国跨洲输电方案多为多端直流输电系统,不同阶段的输电功率也不相同,为了便于对方案进行比较,输电方案功率损耗率是以整个阶段方案为整体进行估算,估算方法为:首先根据直流线路输送功率逐段估算线路损耗;然后根据各换流站上网和下网电力估算换流站损耗;最后以整个阶段方案多端直流输电系统全部上网功率为基数计算方案的总损耗率。

3.1 向北非、欧洲输电规划方案

综合考虑各国的地理位置、电网现状及其发展趋势、政治环境等因素,设想3种路径,提出近中期(2030年)海湾六国清洁电力向北非和欧洲方向输送的方案设想,送电容量为600万 kW ~900万 kW。

沙特和埃及已经就电力联网项目签署了协议,联网工程采用±500 kV直流输电技术,路径为由沙特西部城市麦地那(Medina)经沙特西北部城市塔布克(Tabuk)至埃及首都开罗东北部重工业区巴德尔(Badr)。根据沙特和埃及之间的联网规划,建设该工程是为了获得两国之间的负荷错峰效益。将该工程作为近期方案,并考虑巴德尔和泰布克落点采用VSC型换流站,便于实现沙特和埃及之间的电力互济并与中远期联网方案相衔接。

在此基础上提出向土耳其方向送电的3种不同路径:

方案一:与近期沙特和埃及之间的直流输电工程相衔接,将北非地中海沿岸风电和海湾地区太阳能发电联合外送,如图7(a)所示。

方案二:开发沙特东部太阳能基地,采用±800 kV沿沙特东部向北经伊拉克向土耳其送电,如图7(b)所示。

方案三:考虑避开近期政局不稳定国家,构建阿拉伯半岛经土耳其进而向欧洲送电的海上通道,并兼顾未来埃及清洁能源电力外送的需求,如图7(c)所示。

根据初步的技术经济分析结果,方案一能够兼顾北非清洁能源电力向欧洲输送的需求,输电经济性较好;方案二采用±800 kV特高压直流输电技术,走陆上通道,可满足沙特西南部和中东部大规模太阳能发电外送需求,输电的经济性最优;方案三为避开近期政局不稳定国家,输电路径跨海距离远,经济性较差。

图7 海湾六国清洁能源电力向北非和欧洲送电方案
Fig.7 Schemes of interconnection from GCC countries to Africa and Europe

3.2 向南亚输电规划方案

南亚是海湾地区电力外送的重要潜在市场,综合考虑各国的地理位置、政治环境等因素,提出三种海湾六国清洁电力向巴基斯坦输送的方案设想。送电容量为300万 kW~400万 kW。

方案一:伊朗扎黑丹至巴基斯坦南部的直流联网工程已经纳入两国电力规划,因此构建由阿联酋经伊朗大陆向巴基斯坦送电通道,兼顾伊朗向巴基斯坦的送电需求,方案的总体输电功率为400万 kW,如图8(a)所示。

方案二:考虑到海湾六国与伊朗的宗教分歧带来的政治风险,采用沿伊朗近海直接向巴基斯坦送电的方案,输电功率为400万 kW,如图8(b)所示。

方案三:采用跨海距离更短的由阿曼跨越阿曼湾直接向巴基斯坦送电的方案,输电功率为400万 kW,如图8(c)所示。

根据初步的技术经济分析结果,方案一投资和输电损耗均较低,经济性较好,但需要深入评估GCC国家与伊朗开展电力合作的政治风险。方案二跨海距离长,经济性较差,沿伊朗近海的公海区域施工,海深较浅,政治风险和施工难度相对较低。方案三避免了与伊朗的地缘政治问题,但所经海域较深,最深处达3000 m~4000 m,施工难度很大。

图8 海湾六国清洁能源电力向南亚送电方案
Fig.8 Schemes of interconnection from GCC countries to South Asia

3.3 远期送电方案展望

海湾地区太阳能资源储量巨大,随着特高压直流输电技术的成熟与完善,远期可以将海湾地区清洁电力进一步向更远距离的欧洲和南亚负荷中心输送。

至2050年可考虑采用建设±800 kV特高压直流外送通道,经过伊朗和巴基斯坦,进一步向印度负荷中心送电,采用±1100 kV特高直流输电技术,走陆上架空线路经土耳其伊斯坦布尔向德国和意大利负荷中心送电,采用输电路径分别如图9和图10所示。

3.4 技术需求分析

根据所提出的联网方案,可梳理出不同阶段的关键联网技术。

图9 海湾六国清洁能源电力向欧洲送电远期方案
Fig.9 Forward scheme of interconnection with Europe

图10 海湾六国清洁能源电力向南亚送电远期方案
Fig.10 Forward scheme of interconnection with South Asia

1)近期方案主要是沙特—埃及送电,拟采用的电压等级为±500 kV,为便于埃及和沙特之间的能源互济以及和远期规划方案的衔接,采用了柔性直流输电与常规直流输电相结合的混合直流输电技术。需要加快混合直流换流站的协调控制等关键计算问题的研究和应用。

2)中期设想了沙特太阳能发电和埃及地中海沿岸风能发电联合外送,以及阿联酋/阿曼风电经伊朗向巴基斯坦送电等方案,涉及多端直流输电技术和直流联网等关键技术,需要加快高压直流断路器等关键设备研制、直流电网运行的基础理论和控制保护策略的研究。

3)远期设想了沙特太阳能发电经土耳其向欧洲负荷中心送电方案,涉及远距离特高压输电技术,需要加快更高电压等级直流输电成套设备等关键设备的研制。

4 结论

海湾地区太阳能资源非常丰富,开发潜力巨大。利用海湾阿拉伯半岛地理和能源资源优势,在本地消纳的基础上,盈余电力向北非、欧洲和南亚送电,对海湾地区能源可持续发展具有重要意义。

综合考虑政治、经济和技术等方面的因素,近中期向土耳其送电可采用±800 kV直流外送,也可考虑±500 kV直流外送。其中±800 kV直流外送方案输电损耗低,方案整体经济性最优。向巴基斯坦送电采用沿伊朗近海的公海区域施工的方案,投资较高,但政治风险和施工难度相对较低。

依托特高压直流输电技术的成熟与完善,推动海湾地区清洁电力向周边国家以及更远距离的欧洲和南亚负荷中心外送方案的实施,需要加快混合直流换流器间的协调控制、直流电网运行的基础理论和控制保护策略以及更高电压等级直流输电成套设备等关键设备的研制等关键技术的研究与试验。

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Science and Technology Foundation of SGCC ‘Study on Method and Evaluation Principle for the Cross-Continent Power Transmission Planning Scheme’.

Research on the Power Grid Interconnection Scheme Between GCC Countries and Neighboring Countries

WU Junling1, GAO Chao2, XIAO Jinyu2, ZHENG Zhanghua2, ZHANG Yantao1, DAI Qian1,
LI Yalou1, WANG Dan3
(1. China Electric Power Research Institute Co.,Ltd., Haidian District, Beijing 100192, China;2. Global Energy Interconnection Development and Cooperation Organization, Xicheng District, Beijing 100031, China;3. State Grid Economic and Technical Research Institute Co.,Ltd., Changping District, Beijing 102209, China)

Abstract:Taking advantage of the geography and resources of the Arabian peninsula, transmitting affluent clean electricity to neighboring countries and regions is of great significance for the efficient use of global clean energy and the energy sustainable development in the gulf region. In this paper, renewable energy resource reserves and the status quo of the power supply and demand of GCC(gulf cooperation council) countries are researched. Combined with the renewable energy development potential in GCC countries, this paper puts forward the power grid interconnection schemes between GCC and neighboring countries,which will transport the clean electricity in GCC countries to the direction of North Africa, Europe and South Asia. The route,distance, capacity and transmission technique are given in the interconnection schemes. Through preliminary technical economic comparison, different schemes have been compared and analyzed.The key technologies of the different stages are discussed in the future of the forward program. Taking political, economic and technological factors into account, the UHV DC scheme for clean electricity transmission to Europe is more economical, and the route along the Iranian coast to South Asia is more feasible.

Keywords:GCC; intercontinental transmission; global energy interconnection; renewable energy


吴俊玲

作者简介:

吴俊玲(1978),女,硕士,高级工程师,主要从事电网规划、电力系统分析及新能源发电方面的研究工作,E-mail:wujunling@epri.sgcc.com.cn。

肖晋宇(1977),男,博士,教授级高级工程师,主要从事大电网安全分析、电力系统规划和全球能源互联网方面的研究工作,E-mail:jinyu-xiao@geidco.org。

(责任编辑 张宇)

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