電網(wǎng)規(guī)模多大才科學(xué)？

互聯(lián)電網(wǎng)的覆蓋范圍是否需要或者能夠繼續(xù)擴(kuò)大?未來(lái)，應(yīng)該選擇超級(jí)電網(wǎng)還是加強(qiáng)電網(wǎng)智能化建設(shè)？這些問(wèn)題由于新能源的快速發(fā)展、霧霾威脅等帶來(lái)的挑戰(zhàn)而被重新思考。在這些問(wèn)題上，不同國(guó)家有不同的選擇，專(zhuān)家和業(yè)內(nèi)也有著諸多不同看法。

那么，電網(wǎng)是否存在最優(yōu)規(guī)模？最近，美國(guó)一項(xiàng)研究認(rèn)為，電網(wǎng)規(guī)模并不是越大越好，相關(guān)科學(xué)家還根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出了最優(yōu)的規(guī)模大小，這個(gè)研究結(jié)果在美國(guó)引發(fā)了一場(chǎng)有關(guān)電網(wǎng)規(guī)模的討論。

電網(wǎng)發(fā)展有沒(méi)有邊界？

上世紀(jì)80年代，許多國(guó)家和地區(qū)的電網(wǎng)完成了快速擴(kuò)張，如俄羅斯電網(wǎng)與東歐、中亞、波羅的海國(guó)家電網(wǎng)保持同步聯(lián)接。近年來(lái)，可再生能源發(fā)展被提上國(guó)際日程，電網(wǎng)被視為解決可再生能源發(fā)電裝機(jī)所在地遠(yuǎn)離負(fù)荷集中地問(wèn)題的關(guān)鍵一環(huán)。通過(guò)擴(kuò)大電網(wǎng)規(guī)模和覆蓋范圍解決新能源消納問(wèn)題被不少國(guó)家納入考慮，歐盟2010年發(fā)布的基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)先計(jì)劃中，跨國(guó)天然氣與電力超級(jí)傳輸網(wǎng)絡(luò)(SuperGrid)的擴(kuò)大是投資重點(diǎn)。

在美國(guó)，電力企業(yè)各自為政，要在如今割裂式的電網(wǎng)格局下發(fā)展新能源，到底是通過(guò)實(shí)現(xiàn)大范圍聯(lián)網(wǎng)還是零散推行智能電網(wǎng)技術(shù)?曾任美國(guó)能源部部長(zhǎng)的比爾˙理查森在近期發(fā)表的一篇文章中表明了自己的觀點(diǎn)。他認(rèn)為，目前美國(guó)電網(wǎng)格局無(wú)法支撐自己提出的新能源發(fā)展目標(biāo)�！耙�想將美國(guó)的多元化能源生產(chǎn)，特別是太陽(yáng)能和風(fēng)能的收益最大化，解決電網(wǎng)各自為政的問(wèn)題就顯得尤為緊迫。舉個(gè)例子，在美國(guó)中西部地區(qū)，特別是在伊利諾伊州、印第安納州和威斯康星州，風(fēng)電裝機(jī)不斷增長(zhǎng)，要將風(fēng)電輸送到相鄰的東部電網(wǎng)，就急需更強(qiáng)的跨區(qū)域能源輸送能力……盡管零散推行的‘智能電網(wǎng)’技術(shù)將會(huì)獲得一定成效，但美國(guó)的電網(wǎng)系統(tǒng)需要升級(jí)更新，實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)當(dāng)提上議事日程。”

面對(duì)呼聲和需求，電網(wǎng)這個(gè)大型人造系統(tǒng)是否適合不斷擴(kuò)大?

卓爾德(北京)環(huán)境研究與咨詢首席能源經(jīng)濟(jì)師張樹(shù)偉認(rèn)為，更大范圍或更高電壓等級(jí)的輸電線路在一定范圍內(nèi)不存在技術(shù)性障礙，更多的爭(zhēng)論體現(xiàn)在必要性與可行性上。他分析，電力傳輸是損耗較高的能量傳輸方式。通過(guò)鐵路運(yùn)輸，能耗在0.6%，若使用電力機(jī)車(chē)其能耗會(huì)小于0.2%。而目前的直流電力傳輸?shù)木�損率普遍在5%以上。擴(kuò)大電網(wǎng)范圍與規(guī)模，一方面，導(dǎo)致投資上升與損耗加大，以及日常維護(hù)與安全保障需要的增加;但另一方面，卻可以在更大范圍內(nèi)調(diào)配出力特性存在互補(bǔ)可能的電源，節(jié)省裝機(jī)與減少系統(tǒng)冗余�！八�以，電網(wǎng)的規(guī)模不是越大越好，也不是越小越好。隨著邊際成本的上升與邊際收益的下降，這無(wú)疑存在最優(yōu)規(guī)模的問(wèn)題�！�

到底多大才是合適的?

那到底多大的電網(wǎng)規(guī)模才是最優(yōu)的？最近國(guó)外一組科學(xué)家圍繞這個(gè)話題做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并嘗試用確切的數(shù)字去回答這個(gè)問(wèn)題。這些科學(xué)家認(rèn)為，電網(wǎng)規(guī)模并不是越大越好。

近期，美國(guó)愛(ài)荷華州立大學(xué)電力工程學(xué)教授伊安˙多布森以及物理學(xué)家戴維˙紐曼和本˙卡若拉斯，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得出了電網(wǎng)的最佳規(guī)模大小，并將相關(guān)研究成果發(fā)表在一本名為《Chaos》的科學(xué)期刊上。

這組科學(xué)家通過(guò)電網(wǎng)建模來(lái)證明，頻率穩(wěn)定等電網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)會(huì)被大停電帶來(lái)的影響所掩蓋，電網(wǎng)規(guī)模變大，有可能成為更大范圍級(jí)聯(lián)停電的助推因素。2003年的美加大停電就是一個(gè)典型的例子。

卡若拉斯教授通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，具有700-1000個(gè)節(jié)點(diǎn)的電網(wǎng)(每個(gè)節(jié)點(diǎn)由一系列發(fā)電廠、變電站、變壓器等組成，美國(guó)西部電網(wǎng)就有約16000個(gè)節(jié)點(diǎn))，可以使互聯(lián)電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到最大，同時(shí)使停電成本降到最低，可謂是最優(yōu)的電網(wǎng)規(guī)模。研究人員認(rèn)為，從這個(gè)結(jié)論可以推出，目前一些電網(wǎng)規(guī)模太大。

目前，美國(guó)電網(wǎng)由超過(guò)9000個(gè)發(fā)電廠和30萬(wàn)英里輸電線路組成，形成了東部、西部和德克薩斯三大聯(lián)合電網(wǎng)，這三大聯(lián)合電網(wǎng)之間僅由少數(shù)低容量的直流線路連接。

此研究結(jié)果一出，立即引起媒體關(guān)注。NBC發(fā)表了一篇題為《有科學(xué)家建議削減電網(wǎng)規(guī)�！返奈恼�，認(rèn)為卡若拉斯等學(xué)者的研究是在呼吁拆分北美東部和西部?jī)纱箅娋W(wǎng)。

但作為研究者之一的馬德里卡洛斯三世大學(xué)教授卡若拉斯，立即站出來(lái)澄清說(shuō)：“我們的研究目的和研究結(jié)果，并不是為了打破電網(wǎng)連接，事實(shí)上也做不到�！�

但卡若拉斯教授同時(shí)也強(qiáng)調(diào)，研究模型并不能完全代表真實(shí)的電網(wǎng)。研究中仿真實(shí)驗(yàn)利用的是美國(guó)西部電網(wǎng)的模型，在這些模型里，每個(gè)節(jié)點(diǎn)平均代表的是真實(shí)電網(wǎng)里的10個(gè)節(jié)點(diǎn)。美國(guó)阿拉斯加大學(xué)物理學(xué)教授紐曼也認(rèn)識(shí)到，刊登在《Chaos》上的這篇文章，在研究中使用的這種特定模型是理想化、同質(zhì)化的系統(tǒng)，同具體情況千差萬(wàn)別的實(shí)際情況相比，還有很遠(yuǎn)的距離，并不能把理想化研究與現(xiàn)實(shí)等同。

實(shí)際上，研究者們的目的是希望提醒電網(wǎng)設(shè)計(jì)者，在設(shè)計(jì)電網(wǎng)時(shí)多考慮成本和效益，以及激發(fā)更多避免停電的新思考和新手段。但他們的觀點(diǎn)常常被解讀成對(duì)于電網(wǎng)工程的攻擊或者被認(rèn)為并沒(méi)有多大意義。

但卡若拉斯教授堅(jiān)持，這次的研究報(bào)告有助于樹(shù)立一種理念：電網(wǎng)設(shè)計(jì)者考慮擴(kuò)大互聯(lián)電網(wǎng)規(guī)模的時(shí)候，應(yīng)將停電風(fēng)險(xiǎn)納入損益計(jì)算中。這種理念可以應(yīng)用在發(fā)展中國(guó)家以及計(jì)劃增加跨國(guó)聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的歐洲國(guó)家。值得一提的是，擴(kuò)大電網(wǎng)互聯(lián)范圍但不帶來(lái)停電風(fēng)險(xiǎn)也是有可能的。紐曼教授指出，可以謹(jǐn)慎地考慮通過(guò)弱連接來(lái)限制地區(qū)電網(wǎng)中的停電風(fēng)險(xiǎn)。