《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Identification of technical design constraints and considerations for transmission grid expansion planning projects
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摘要为大规模部署可再生能源，尤其是海上风能，需要建设大规模的输电网络扩展项目，以便将产生的低碳电力输送到主要需求中心。然而，目前这类复杂项目的规划与设计缺乏透明且系统的流程，使得电网运营商在考虑对电网进行此类投资时难以依据。本文梳理并分类了与输电网络扩展项目规划相关的主要技术设计
摘要
为大规模部署可再生能源，尤其是海上风能，需要建设大规模的输电网络扩展项目，以便将产生的低碳电力输送到主要需求中心。然而，目前这类复杂项目的规划与设计缺乏透明且系统的流程，使得电网运营商在考虑对电网进行此类投资时难以依据。本文梳理并分类了与输电网络扩展项目规划相关的主要技术设计约束与考量因素，重点聚焦于电能枢纽的建设。文中确定了七个关键研究领域，主要以欧洲项目为对象，包括网络集成、高压直流技术、成本问题（资本支出、运营支出及空间需求）、电力市场设计、未来适应性及模块化扩展能力、可靠性、可用性及可维护性以及可持续性。针对每个研究领域，从技术层面和运行层面进行分析，并据此得出相应的设计约束与考量因素。此外，本文还对这些约束与考量因素（也就是上述研究领域）进行了分层分类，将其划分为三类不同重要性的类别，即硬性约束、主要驱动因素以及关键考量因素。同时，本文也探讨了不同领域之间的相互关联关系，重点以欧洲地区的实际情况为分析基础。因此，本研究为电网运营商和政策制定者提供了结构化的框架，有助于他们采用透明的规划方法，明确输电网络扩展项目的投资决策层级。
引言
在脱碳规划中，欧盟的目标是在2050年前在其境内建成450吉瓦的海上风能发电 capacity [1]。此外，埃斯比约（2022年）[2]、奥斯坦德（2023年）[3]以及汉堡（2026年）[4]召开的北海峰会也承诺在2050年前在北海地区建成300吉瓦的海上风能发电 capacity。要以合理成本将如此大规模的电力输送到陆地，就需要设计高效的输电系统。在这方面，高压直流输电技术已被证明是远距离输电中最具成本效益的方案 [5]、[6]。目前，高压直流输电线路主要为点对点型，用于连接同一同步区域内的两个变电站，比如比利时和德国之间的ALEGrO输电线路 [7]；也可用于连接不同同步区域的变电站，比如比利时和英国之间的Nemo输电线路 [8]；还可用于将风电场产生的电力辐射式输送到陆地电网，比如荷兰的BorWin 1项目 [9]。近期，人们开始探索使用混合型互联装置来连接两个控制区域，中间再设置风电场，比如比利时和英国之间的Nautilus项目 [10]以及德国和英国之间的HansaLink项目 [11]。随着海上风能项目的不断扩大，比如英国的多格银行风电场 [12]，以及高压直流电网项目的不断发展 [13]、[14]，多吉瓦级电力容量的整合以及与不同国家的互联方案也被提出来 [15]，最近还出现了“海上能源枢纽” [16]以及比利时（Elia公司） [17]和丹麦（Energinet公司） [18]的电网运营商提出的“能源岛”项目，这些方案都体现了当前欧洲电力系统对电网互联的迫切需求 [19]。此外，“北海风电能源枢纽”项目则提出了基于枢纽辐射型架构的岛屿网络构想 [20]。
由于这类项目也可以与陆地上其他类型的可再生能源一起规划，且面临相同的技术挑战，因此本文重点研究海上电能枢纽及其功能规范，相关内容已在[21]中有所阐述。电能枢纽被定义为“电力系统中的多功能节点，独立于现有的控制区域进行管理，能够整合当地数吉瓦级的发电 capacity。该类节点具有高密度的电气设备，并且与多个现有控制区域存在互联通道”。鉴于这类项目的特点，高效规划对于最大化发电量以及向现有控制区域输送电力至关重要，同时也有助于保障整个电网的安全稳定运行。为实现这些目标，本文明确了电网运营商和资产所有者在对电能枢纽进行规划时需要考虑的主要技术约束因素，并对其进行了分析。需要说明的是，虽然本文主要围绕欧洲的电能枢纽项目以及欧洲特有的监管要求展开讨论，但我们也指出了哪些技术约束和考量因素具有普遍适用性，哪些则与电能枢纽所在地区的法规相关。在引言之后，第2节将对已识别的技术约束因素以及开展此项研究的背景进行总体概述。第3节会逐一分析与电能枢纽规划相关的各项约束因素及其所属的研究领域。第4节则根据这些约束因素对项目的重要性对其进行分层分类，将其分为三类，即硬性约束、主要驱动因素以及关键考量因素。最后，第5节会对本文内容进行总结，并阐述与电能枢纽规划相关的未来研究方向。
章节要点
研究动机与贡献
北海地区的电能枢纽项目 [17]、[18]旨在整合多吉瓦级的海上风能发电 capacity，并与现有的控制区域建立多种互联通道。1鉴于这些项目的规模预计将达到数吉瓦级别，因此亟需将其高效地整合到现有的电力系统中，因为它们有望为该地区的整体社会经济福祉带来积极影响
已识别的技术约束因素
本文确定了与电能枢纽规划相关的七个主要研究领域，如图2所示。这些领域涵盖了纯粹的技术类议题，如网络集成、高压直流技术、未来适应性及模块化扩展能力以及可靠性、可用性及可维护性；也包括技术经济类的议题，如成本问题（资本支出、运营支出及空间需求）和电力市场设计；还有与社会相关的议题，即可持续性。虽然电能枢纽的设计并不局限于某种特定的输电技术，但本文仍以高压直流技术作为示例进行探讨
讨论内容
在前几节中，我们探讨了在评估电能枢纽投资或更广义的电网扩展规划项目时需要考虑的若干重要方面。针对每个方面，我们都明确了在项目规划阶段需要解决的主要技术设计约束与考量因素。表1汇总了各个领域中所有已识别的技术设计约束与考量因素，并将每个领域划分为三类不同重要性的类别
结论与未来工作方向
本文旨在明确在评估电能枢纽以及更广泛的输电网络扩展规划项目时的最关键技术设计约束与考量因素。我们找出了与这些约束和考量因素相关的几个主要研究领域，包括网络集成、高压直流技术、成本问题、电力市场设计、未来适应性及模块化扩展能力、可靠性、可用性及可维护性以及可持续性。每个研究领域
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
Giacomo Bastianel|Clement Hardy|Nils Charels|Dirk Van Hertem|Hakan Ergun
KU Leuven, Department of Electrical Engineering (ESAT/Electa), Kasteelpark Arenberg 10, Leuven, 3001, Belgium
