0 引言
受传统化石能源日益紧缺以及环境因素的影响，可再生能源发电在电力系统中的应用日益受到重视。很多国家和地区的电力系统开始大力发展可再生能源发电，并以各种方式设定了较高的可再生能源发电比例。例如，美国加利福尼亚州（加州）在2007年以州立法的形式规定，在2013年左右可再生能源发电量占全州总发电量的比例要达到20％。随后，州政府签署行政命令，要求争取在2020年把这个比例提高到33％[1]。北美其他地区也有类似的政策。
在此背景下，过去5年左右的时间里，针对大部分可再生能源发电需要远距离输电的特点，评估大规模接入可再生能源发电后输电系统升级和扩容问题，成为北美各电力公司规划部门的一个主要任务。从长期规划角度看，具体的技术指标是在保证电力系统稳定性和可靠性的前提下，如何确定最优的输电系统规划方案，并确保长期可再生能源发电比例得以实现。与此同时，美国联邦能源监管委员会（FERC）出台了各种相关的电力法规和条例，以规范可再生能源发电接入的申请、分析和实施的流程、技术指标、投资回报方式等问题。这些法规和政策为可再生能源发电的接入及输电网扩建提供了法律和政策方面的支持，并为投资方提供了适当的激励，降低投资的潜在风险。经过几年的努力，一些远距离输电项目已得到批准并进入施工阶段，预期在未来3～5年，一些针对可再生能源发电并网的大型输电项目将陆续投入运行。
北美电网可再生能源和输电网建设取得了丰富的经验。本文将首先简要介绍北美互联电网的现状，并讨论旨在促进可再生能源接入和大范围电网互联的超导输电项目和美国的国家利益输电走廊计划；然后，重点分析美国风电发展最快、装机容量最大的得克萨斯州和可再生能源资源较丰富的加州近年来与可再生能源大规模接入相关的输电网建设实例，并结合项目和规划实践对相关政策条例进行探讨，以期为中国可再生能源开发利用及进行配套的输电规划提供参考和借鉴。
1 北美互联电力系统
1.1 北美电力系统概述
一般来说，北美电力系统是指由加拿大和美国电网以及墨西哥北部电网组成的互联电力系统，其中包括了2个大的互联系统：北美东部互联系统和北美西部互联系统（Western Interconnections），以及若干相对较小的系统，如阿拉斯加电力系统、得克萨斯电力系统（ERCOT Interconnections）和魁北克电力系统，如图1所示[2]。这些系统之间通过直流背靠背联络线实现互联，这些直流联络线额定功率都比较小，基本在600MW以下；其主要设计功能在于为大规模系统故障情况下提供备用电源，在正常状态下通过这些直流联络线的交换功率基本为零。
图1 北美互联电力系统示意
从20世纪90年代后期开始，北美很多区域电网开始进行电力市场化改革。在东部互联系统，目前已经有PJM，ISO-NE，NYISO，Midwest ISO和SPP共5个区域电力市场，得克萨斯州的大部分地区组成了ERCOT电力市场；西部互联系统内部有加利福尼亚电力市场（CAISO）和阿尔伯塔电力市场（AESO）。基于节点电价的电力市场模型为上述各个电力市场所采用。除此之外，加拿大的安大略省实行了趸售模式的电力市场（IESO）。在实行电力市场以外的地区电网，仍然采用传统的垂直的电力系统管理运行方式。
1.2 全美联网与Tres Amigas超导体输电项目
如前所述，北美的3个互联电力系统虽然目前彼此之间有直流联络线，但正常状态下的计划交换功率基本为零，并没有实现真正意义的互联运行。Tres Amigas超导体输电项目计划在新墨西哥州的Clovis地区建设1个超级电力中转站，通过3个AC/DC换流站以及3个换流站之间的超导体输电线路把东、西互联系统和得克萨斯电力系统联系起来。Tres Amigas输电工程建成后，北美的3个互联系统将实现真正意义上的联网运行。图2中的金星标识出了该项目的地理位置。2010年3月，FERC批准该项目的投资方可以开始与潜在的用户协商输电服务合同，为该项目的顺利实施创造了条件。Tres Amigas超导体输电项目预计于2014年投入运行。
图2 Tres Amigas超导体输电工程的地理位置示意
该超级电力中转站的设计输电容量预计达5GW[3]，共占地约58km2，如图3所示[4]。3个AC/DC换流站分别用于连接西部互联电网、东部互联电网和ERCOT电网。具体地，AC/DC换流站采用电压源转换技术（VSC），在每个站内还安装有大型电能存储设备，除作备用外，还可以用来平衡相连交流系统中的间歇性能源发电及向系统提供辅助服务。预计该项目建成后将进一步促进北美的电网互联及现有3个互联电网内的交流高压网络建设。通过这个项目，大系统互联的基本优势，例如共享备用、紧急电力支援、动态电压支持、故障导致的大范围停电后的黑启动电源等，将得到充分发挥。除此之外，因为在该工程的周围密集了很多新能源富集区域，该工程将对新能源的充分利用和在3个互联系统之间的合理调配发挥重要作用。
图3 Tres Amigas超导体输电工程的设计方案示意
1.3 美国的国家利益输电走廊计划
近年来，因为石油和天然气等一次能源价格上涨以及环境保护等因素，可再生能源发电并网成为推动美国输电网建设的主要动力。因为主要可再生能源富集地区大多位于远离负荷中心的地区，对跨州500kV及以上的大型高压输电项目的需求越来越多。同时，北美很多地区现有的次一级电压（主要是230kV）的输电系统因为历史原因，很可能无法承担把远距离的可再生能源电力转送到配电系统及负荷中心的任务。在实时运行中，体现为长时间、多时段的输电阻塞。大型输电项目在提供可再生能源并网服务的同时，也可以有效降低输电阻塞，产生显著的经济效益。
传统上，美国各州在输电项目审批方面拥有很大的权力。但是，因各州利益特别是在环境和经济方面的利益不同，往往难以就跨州的重大项目决策达成一致，导致很多输电项目无法获得足够的支持而被迫推迟甚至搁浅。为解除这一困境，美国能源部2005年出台了一项新的能源法案，提出了国家利益输电走廊计划[5]。该计划并不着眼于提出具体的输电项目，而是根据可再生能源的分布和现有输电系统中潜在瓶颈的位置，划定若干输电走廊。按照这个思路确定的输电走廊基本上都会跨多个州。该能源法案规定，如果有在这些输电走廊上修建新输电线路的申请，能源部及其授权机构（主要是FERC）有权受理并批准这些申请。一旦这些项目获得FERC的批准，输电项目投资方即可开始工程建设。该法案受到了电力工业界和投资界的广泛支持，但各州政府和民间机构则质疑能源部会因此获得过多的权力，进而危害各州的利益。能源部在最终通过的法案中修正了其最初的观点，加入了和各州充分协调的条款。虽然固有的问题仍然没有全部消除，但是该法案及国家利益输电走廊计划还是为推动并加快美国跨地区输电系统升级和扩容提供了可能性。2007年，美国能源部依据该能源法案和国家利益输电走廊计划首次划定了第1批2个国家利益输电走廊，包括中大西洋地区输电走廊和西南地区输电走廊[5]。
图4和图5分别显示了这2个国家利益输电走廊。图中绿色区域为输电走廊，橘红色区域为主要的输电阻塞地区。图4显示中大西洋地区的主要阻塞发生在纽约、新泽西和马里兰等负荷较大的州，输电走廊则连接了这些负荷中心和北部及西部的风力发电富集地区。与此类似，西南地区的太阳能和地热资源广泛分布在加利福尼亚东部沙漠，以及亚利桑那、内华达等州，西南地区的国家利益输电走廊则把这些地区和美国西南的负荷中心——南加州的洛杉矶和圣地亚哥地区联系起来。
图4 美国中大西洋地区国家利益输电走廊
图5 美国西南地区国家利益输电走廊
到目前为止，还没有任何输电项目通过该计划获得批准。但是值得指出的是，美国可再生能源发电的开发在现任政府的经济刺激计划中继续占有重要地位。因此在可以预见的未来，随着可再生能源发电的开发和逐渐并网运行，北美电力系统对新的大型输电项目的需求会越来越大。众多的投资机构，包括一些金融投资公司和大型能源公司都开始介入可再生能源发电和输电开发领域。美国的国家利益输电走廊计划的重要性将逐渐体现，未来几年内，美国能源部有可能划定更多的国家利益输电走廊。这些已划定和将划定的输电走廊将在促进可再生能源发电并网过程中发挥重要作用。
2 可再生能源及输电规划
当前，最常用的可再生能源发电发展目标是可再生能源发电在总用电量中占的比例，这就是可再生能源发电组合标准（RPS）。一般来讲，在北美，这类标准是以地方政府（州或省）立法的形式确定下来的。这类标准往往不特别规定不同类型可再生能源发电技术所占的比例，但会界定哪些发电技术属于可再生能源发电。风能发电、利用光伏电池的太阳能发电、利用光热能量转换的太阳能发电、地热发电、潮汐发电等均属于可再生能源发电技术。另外，装机容量在30MW以下的不需要修建水库的小水电和生物质发电也基本上属于可再生能源发电范畴，但不同地区的规定可能会有所不同，具体规定取决于其对环境的影响和排放情况。
大多数可再生能源发电因为其一次能源的特点，明显地受地域限制。主要体现在远离负荷中心，并往往地处现有输电系统薄弱的地区。北美电力系统相对成熟，而且系统负荷增长不快，所以长期以来并没有太大的系统升级的需求。然而，近年来，在可再生能源接入的推动下，输电系统规划和扩容升级迅速成为各区域电力系统最重要的任务之一。传统上，输电规划的主要任务是评估输电项目在可靠性和经济性方面的需求。在可再生能源接入的推动下，输电项目的评估增加了新的内容，主要是从政策方面考虑，评估其对满足可再生能源发电组合标准的作用。虽然可再生能源发电被认为具有低甚至零可变成本的特点，但由于在现有技术条件下，其固定成本较高，再加上往往需要远距离输电，单纯从经济分析角度无法为批准这样的输电项目提供足够的支持。因此，可靠性分析和政策考虑常被作为与可再生能源发电相关的输电规划的主要决策依据。经过几年的努力，一些远距离输电项目已经得到批准并进入施工阶段，预期在未来几年，这些输电项目将陆续投入运行。本文将对几个典型的可再生能源发电驱动的输电项目进行介绍。
3 得克萨斯州电网的可再生能源并网输电项目
3.1 得克萨斯州/ERCOT电网概况
得克萨斯州电网是北美三大互联电网之一，覆盖得克萨斯州大约75％的土地面积和大约85％的负荷。作为得克萨斯州电网的独立系统运行机构（ISO），得克萨斯州电力可靠性委员会（ERCOT）的主要职能包括电力市场运营、电网规划和系统运行。得克萨斯州电网是独立的控制区域，通过背靠背直流联络线与其他系统互联，ERCOT负责控制区域内的频率。
得克萨斯州是美国风力资源最丰富的州之一，也是目前美国风电发展最快、装机容量最大的州。图6所示为1999—2014年ERCOT电网实际和预计的风电装机容量。截止到2010年，ERCOT电网的风电装机容量为9GW，占总装机容量76GW的12.3％。有记录的最大风电即时出力为7.2GW，发生在2010年12月11日早晨7点16分，占当时系统总负荷28GW的25.8％[6]。
图6 ERCOT电网实际和预计的风电装机容量
3.2 ERCOT电网可再生能源区输电项目
得克萨斯州的风力资源丰富，但大多处于得克萨斯州西部。得克萨斯州主要的大城市和负荷中心，如达拉斯、圣安东尼奥和休斯敦，却处于得克萨斯州东部。输电网输送能力的不足成为制约得克萨斯州可再生能源发展的主要瓶颈。为了推动可再生能源在得克萨斯州的发展，得克萨斯州立法机构于2005年通过了参议院第20号法令。在该法令的指导下，得克萨斯州公共事业管理局（PUCT）设立了5个竞争性可再生能源区（CREZ），如图7所示[7]。所谓竞争性可再生能源区指的是最适合建设可再生能源发电设施（在得克萨斯州主要是风电）的区域。虽然并不是所有的CREZ都处于当前ERCOT电网所覆盖的区域，PUCT仍然于2005年责成ERCOT进行CREZ输电项目的研究并在2008年8月批准了ERCOT提出的CREZ输电网规划方案。该方案计划建设多条345kV的交流输电线路，线路总长近3700km。工程总造价约50亿美元，占当年美国可再生能源输电建设总投资的1/4。CREZ输电项目建成后，可将18.5GW的风电从得克萨斯州西部的CREZ地区输送到人口密集的东部负荷中心。
图7 ERCOT电网CREZ
CREZ输电项目对美国可再生能源的发展具有重大的意义和影响。该项目最初被提出的时候，被称为是美国大规模可再生能源接入的一项史无前例的挑战。由于成功地解决了政策法规、环境、经济以及技术等诸多问题，CREZ及其输电网建设也成为美国可再生能源接入的一个模版。加州和科罗拉多州已经采用了该模式，更多的美国西部的州也在考虑采用该模式来促进当地的可再生能源发展和输电网建设。ERCOT电网的CREZ输电项目核心思想有2点：①由政府部门制定推动可再生能源发展的目标和政策，统一规划选定最适合可再生能源发展的区域；②输电网建设超前于可再生能源的建设。其中第2点最为关键。CREZ输电网的传输容量远大于目前现有的CREZ地区的可再生能源装机容量。超前的输电网建设，将极大地刺激并吸引更多的投资者在CREZ地区建设可再生能源发电厂。截至2010年年底，在得克萨斯州西部CREZ地区的可再生能源发电接入申请的总容量已达到了9GW。
4 加州的可再生能源发电及并网输电项目
4.1 加州电力系统的可再生能源发电规划
美国加州电力系统是美国西部各州中唯一一个实行了市场化改革的区域电力系统。加利福尼亚独立系统调度机构（CAISO）是加州电力市场的运营机构。CAISO负责调度的系统包括3个私营电力公司的输电网，分别是北部的太平洋煤气和电力公司（PG&E）、南部的南加州爱迪生公司（SCE）和圣地亚哥煤气和电力公司（SDG&E）。这3个电力公司为加州提供了80％左右的电力服务，其余的20％由其他公有电力公司提供。
加州拥有丰富的可再生能源，特别是风能、太阳能和地热资源。与得克萨斯州类似，加州也对州内的可再生能源分布按CREZ进行了划分。例如，以风能为主的Tehachapi山区，该地区位于南北加州电网的结合部，两侧有比较近的负荷中心，主要是南部的洛杉矶盆地和北部的中央谷地地区。太阳能则主要分布在南部加州、内华达州和亚利桑那州交界处。地热资源则集中在北加州靠近俄勒冈州边界的地区，以及南加州的Imperial地区。图8标识了加州内主要的新能源资源分布。
图8 加州可再生能源分布
目前在加州在建或已经获得批准的有3个大的500kV输电项目，主要是为了把这些加州内部的可再生能源发电地区和系统主干网联系起来。这3个项目都位于南加州。这并不是巧合。一方面，南加州可再生能源远较北部地区丰富；另一方面，南部的这些可再生能源分布在距负荷中心较近的地区，特别是离洛杉矶和圣地亚哥较近，现有输电系统已经具有很大的输电容量，因此可再生能源发电的并网成本相对较小。本章后面的几节将对这3个项目加以简要介绍[8]。除了州内的可再生能源，在美国西部其他各州都有较丰富的风能或太阳能资源，例如亚利桑那州的太阳能资源。这些资源虽然可以通过现有的输电系统送入加州，但是一些加强加利福尼亚和其他各州之间电网的输电项目的规划也在讨论中，由于目前还没有具体规划方案，本文对此不进行介绍。
4.2 Sunrise 500kV输电项目
该项目计划修建1条长约196 km的500 kV线路以加强Imperial Valley郡和圣地亚哥郡的电力系统之间的联系。在这2个地区系统之间，已经有1条500kV输电线路。Imperial Valley郡位于圣地亚哥郡和亚利桑那州之间，有丰富的风能、太阳能和地热资源。由于Imperial Valley郡和亚利桑那州的火力发电成本相对圣地亚哥的火电成本低，原有线路基本上都处于满负荷运行，已经不能满足输送更多的可再生能源的需要。新增加的线路预计将为Imperial Valley郡提供大约1700MW的可再生能源发电接入的输电能力。
除了修建新的500kV线路，该项目还包括1个500/230kV的变电站，以及连接该变电站和圣地亚哥区内系统的双回路230kV线路。项目总造价为19亿美元，已经在2010年破土动工，预计2012年夏完工。除了提供可再生能源发电的接入，根据项目经济评估，该项目建成后预计还将为CAISO电网供电的用户带来大约每年1亿～2亿美元的经济效益。主要经济效益来源于用Imperial Valley郡和亚利桑那州的可再生能源和相对便宜的火力发电代替圣地亚哥地区的高成本火力发电。Sunrise输电项目是截至目前加州唯一一个通过经济效益评估和可再生能源发电政策评估而获得批准的输电项目。
4.3 Tehachapi可再生能源输电项目（TRTP）
Tehachapi地区是加州最重要的风能富集地区。除风能以外，该地区的太阳能资源也很丰富。虽然靠近负荷中心，但是该区域并没有足够的输电容量为可再生能源提供接入服务。因此，在2005-2007年，CAISO和SCE进行了联合系统评估，提出在该地区修建或改造一系列总长约530km的500kV和230kV线路及变电站，以及安装若干无功功率补偿设备，包括静态无功补偿装置（SVC）和可调并联电容器。按最初的项目评估，该项目可以提供大约4500 MW的风能发电接入能力。该项目因涉及地域较广，而且靠近负荷中心，因此工程规划建议分5～6年分段建设。该项目于2007年获得批准，并于2009年开始第1期工程建设。因为工程涉及地域广，工期长，其预估工程总造价不断变化，最初的估计是24亿美元，最近的估计可能在40亿～50亿美元。随着光伏太阳能（solarPV）发电技术的发展，该地区同时展现出很大的太阳能发电潜力。考虑到风能和太阳能发电一般不会同时出现发电出力峰值，最近的附加评估结果认定该项目全部建成后可以提供大约5850 MW的风能和太阳能发电接入能力。
TRTP输电项目是加州的第1个为满足可再生能源发电组合标准而批准的输电项目。与Sunrise项目不同，TRTP项目评估并没有包括经济效益分析部分。
4.4 Colorado River Devers Valley(CDV) 500kV输电项目
CDV500kV输电项目类似于Sunrise输电项目，预计为处于加利福尼亚和亚利桑那之间的Blythe地区太阳能发电提供接入服务，并提高从亚利桑那输入低价电力的输电能力。目前世界上最大的在建太阳能发电场之一——1000MW的Blythe太阳能发电中心就在该项目的输电走廊内。CDV500kV输电项目包括2段500kV线路，总长大约270km。该项目位于Sunrise项目以北约120km，全部新增线路及变电站都在SCE系统内。该项目全部新建线路都利用现有的500kV输电走廊，将与该走廊内现有的一条500kV线路并联运行。该项目预计2013年投入运行，届时扩容后的系统预计可以提供大约4700MW的可再生能源发电的接入能力。与Sunrise输电项目不同的是，CDV输电项目因为输电距离长和其他环境因素，并不具备显著的经济效益/成本比。该项目的批准完全基于对其输电走廊内的太阳能发电并网的远景预测。
5 结语
北美电网的可再生能源和输电网建设在最近几年经历了飞速发展。据不完全的统计数据表明，自2008年以来，美国每年用于可再生能源接入的输电网建设投资都超过了200亿美元。总结北美电网的可再生能源和输电网建设，可以得出一些可供借鉴的经验：
（1）政府统一制定的促进可再生能源和输电网建设的政策和法规起到了关键性作用。
（2）为促进可再生能源的发展和利用，输电网的建设应超前于发电厂的建设。
（3）传输可再生能源采用了多种新技术，包括超高压交直流输电、灵活输电以及超导输电。
（4）可再生能源发电的发展促进了电网建设的统一规划以及大系统互联。
（5）可再生能源发电并网分析和输电规划分析综合利用了各种大系统分析技术，包括稳定性分析、经济分析和可靠性分析等。这些系统分析技术在项目评估和科学论证方面起到了重要作用。
北美电网在可再生能源和输电网建设上取得了丰富的经验和巨大的成就。作者希望通过分析总结北美电网的经验，为中国的可再生能源和输电网建设提供借鉴和参考。
参考文献
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