美国的特高压电网「国家电网超高压」

今天带来美国的特高压电网「国家电网超高压」，关于美国的特高压电网「国家电网超高压」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

来源：国君电新徐云飞/王浩团队

摘要

能源结构决定中美电网差异化形态。①东部电网地区因靠近美国主要煤、气供应地而以煤炭和天然气发电为主。②西部电网地区则因靠近科罗拉多山系和河流，分布有落基山脉等地势落差很大的山体，主要以水电装机为主。山脉地形客观上也阻碍了西部电网对外联结的发展。③南部的德克萨斯电网处于页岩气盆地所在地，天然气发电一家独大，形成了区域内的独立小电网。

美国电网在建设之初便是分散破碎的。美国的电力产业结构非常复杂，尤其是电网的产权结构支离破碎，分散掌握在超过五百家的公司与组织手中。再加上电力产业的自然垄断性质，每一家电力公司都是当地的行业垄断者。而美国宪法高度重视对私有财产权的保护，不能随意干涉电力公司的经营。而在中国，国家电网公司和中国南方电网公司已经在特高压技术上形成了壁垒。目前，中国已投运的特高压线路共13条，其中国家电网已投运的特高压线路超过10条，南网投运2条。通过特高压建设将使中国电网连成“一张网”。

美国输变电主网投资在20世纪70年代至90年代处于停滞状态。美国输电网投资自20世纪70年代以来一直处于停滞状态，且长期滞后于电力需求和发电装机容量的增长。原因在于：①美国联邦制下跨州输电项目建设需要多个州的监管部门同意，多个联邦政府部门之间的协调难度较大，且行政审批程序复杂、耗时长，最终获准门槛高。②输电网项目相较于其他投资项目，具有回报率低，建设周期长等特点，因而比较缺乏投资吸引力，所能筹集的输电项目建设资金规模有限。③美国已经完成了工业化、城镇化，经济发展速度趋缓，电力需求也增长缓慢，使得电网建设驱动力不足，因而在20世纪中期完成迅速扩张后开始停滞。美国电网投资在1975-1999年逐年下降，平均每年下降8600万美元，直到2005年才恢复到1975年的投资水平。

美国没有特高压输电线路，未来是否建设尚不明确。山地地形决定美国电网区域分布特点，相互各自独立，电网联结需求较小，建设难度较大，美国也曾尝试特高压建设，但联邦制下美国各自为政的区域化电网结构很难做到全局统筹兼顾，因此美国特高压远距离输电网建设的阻力较大。出于电网升级的需求，和来自中国特高压技术成功实践的影响，美国政府高层对特高压建设持支持态度，未来有可能建设特高压。

1. 特斯拉不仅是汽车，更是电网先驱

1.1马斯克将公司命名特斯拉

20世纪特斯拉是电力商业化的鼻祖。尼古拉·特斯拉(1856/7/10－1943/1/7，塞尔维亚裔美国人)是交流电、无线电等的重要创造者和推动者，公认为是电力商业化的鼻祖。特斯拉发现了无线传输电能的理论，以空气作为能量的导体。他的理论与社会工业资本对立，具备颠覆所有电力公司的能力，受到爱迪生排挤，没有得到实践空间而被扼杀。

马斯克将公司命名为特斯拉是为了向科学家和工程师致敬。据《在火星上退休：伊隆·马斯克传》，作者呈现了很多马斯克不为人知的秘闻，其中包括为什么要以“特斯拉”作为公司的名字。2004年2月，五位创始人用尼古拉·特斯拉的名字，命名为特斯拉电动汽车公司，纪念他们眼中伟大的物理学家尼古拉·特斯拉，特斯拉的颠覆性意义隐藏在“特斯拉”这个名字中，即伊隆·马斯克的终极梦想：用电动车结束人类对石油的依赖。马斯克说，将公司命名为特斯拉，是为了向伟大的科学家和工程师致敬，这比马斯克汽车的名字酷多了，我永远也不会拿我的名字命名任何公司。

1.2交直流大战确立特斯拉交流电的主导地位

美国“交直流大战”确立了特斯拉交流电的主导地位。由于具备远距离传输损耗更小等优势，他的交流电体系打败爱迪生的直流电，在西屋电气公司的资助下成为了美国的供电标准。特斯拉的交流电最终成为各个国家最通用的电流形式。虽然特斯拉和他的交流电最终赢下这场战争，却因为和爱迪生之间无止境的消耗战，让特斯拉和他的赞助商濒临破产，但特斯拉为了让全人类享用成果，没有选择申请专利，最终欠下JP摩根巨额债务。

爱迪生与特斯拉交直大战不可避免。19世纪80年代初期，爱迪生因将电引入人们的生活而在美国家喻户晓，他建成的输电系统使用的均是直流电（DC）。1884年，28岁的塞尔维亚人特斯拉手握巴切罗写给爱迪生的推荐信，飘洋过海来到美国纽约顺利见到了爱迪生。在他为爱迪生的公司工作期间，爱迪生曾口头许诺：如果特斯拉能够改进公司涡轮机的设计，将为他提供五万美元的报酬。而当特斯拉出色地完成任务后，爱迪生却食言了，并声称之前只是玩笑之言，“特斯拉，你不懂我们的美国式幽默。”特斯拉便离开了爱迪生的公司，就此种下了交直流大战的种子。

19世纪末特斯拉独自将交流电技术尝试商业化。在特斯拉离开爱迪生之后，便开始针对交流电的产生、输配和使用进行了一系列的发明和技术革命，1887年，特斯拉注册了交流电的专利，1888年，交流电（AC）技术投入市场。与直流电相比，交流电系统具有可高伏输送的优点，电流输送范围更广，输送效率更高，所使用的导线更细，减少了铜的消耗。远距离传输也减少了电站的数量，建设成本也更低。彼时，交流电与直流电大战也拉开帷幕。

特斯拉交流电最终赢得胜利，最终成为各个国家最通用的电流形式。在交流电与直流电之争热烈上演的历史中，有两个事件可以称为特斯拉对爱迪生的漂亮反击：

① 特斯拉亲身试电

1893年，历史上第一次电气交易会哥伦比亚博览会进行招标，这对于爱迪生和特斯拉来说，是交直流大战中的重要一役。最初以爱迪生为代表的通用电气报价180万美元，使用直流电发电系统，但很快就被主办方驳回，因为这一报价远远超出其预算。于是爱迪生狠下心把报价压缩到55.4万美元，正当他胸有成竹、势在必得之时，威斯汀豪斯带领的西屋电气以39.9万美元的超低价格成功中标，而他使用的是特斯拉发明的交流电系统。在展会上，特斯拉为了反驳爱迪生散播的交流电有致命危险的言论，一手高举磷光灯泡，另一只手摸向电门，以自己的身体为导体，点亮了手中的灯泡。对手的诽谤不攻自破，参会者都为之叹服。

② 攻克交流远距离输电难题

1897年，第一座位于尼亚加拉瀑布的水力发电站建成，成为了35公里外纽约州水牛城的主要供电来源。爱迪生的直流电系统面临远距离传输败下阵来，而特斯拉专门设计的交流电发电机运用交流电输电技术，用高压实现了远距离供电，彻底解决了尼亚加拉水电站远距离供电的难题。如今的尼亚加拉大瀑布的公园中还竖立着一座特斯拉的铜像。经此一役，也确立了交流电的主导地位，在与直流电的大战中赢得胜利，并一直保持到今天。

结构决定中美电网差异化形态

2.1中国能源资源禀赋形成大一统电网

①中国的煤炭资源丰富，据《世界能源统计回顾2015》数据显示，中国能源消费结构中煤炭占比高达66%，约为天然气和石油消费总量的两倍。②依托于中国丰富的煤炭资源，发电装机结构中火电占据主导地位。

我国电力供应以煤电为主，煤炭资源集中分布在华北、西北地区，而我国主要用电负荷中心集中分布在华东及东部沿海的人口密集区，供给与需求的空间错配客观上要求建设跨区域特高压电网，为全国统一电网的建设创造条件。

2.2美国依托区域资源形成分布式电网

美国拥有世界上最大的煤炭储量，是世界第二大煤炭生产国，回顾美国能源发展历史，直到20世纪80年代煤炭装机量占比维持在较高的水平。自2000年以来，随着美国页岩气革命的成功和向全世界蔓延，天然气逐渐在美国能源结构中占据绝对主导地位。

依托于各自区域内的优势能源资源，美国形成了东部、西部和德克萨斯（ERCOT）三大电网体系。东部电网地区因靠近美国主要煤、气供应地而以煤炭和天然气发电为主。‚西部电网地区则因靠近科罗拉多山系和河流，分布有落基山脉等地势落差很大的山体，主要以水电装机为主。山脉地形客观上也阻碍了西部电网对外联结的发展。ƒ南部的德克萨斯电网处于页岩气盆地所在地，天然气发电一家独大，形成了区域内的独立小电网。

2.3中美电网结构形态的路径依赖

①美国作为世界上最先广泛使用电力的国家，在资本主义私有制的经济体制下，其电力产业在自由市场中从无到有逐渐发展起来。基于这样的历史背景，美国的电力产业结构非常复杂，尤其是电网的产权结构支离破碎，分散掌握在超过五百家的公司与组织手中。再加上电力产业的自然垄断性质，每一家电力公司都是当地的行业垄断者。②而美国宪法高度重视对私有财产权的保护，不能随意干涉电力公司的经营，因此只能协商、呼吁邻近区域的电力公司联合成立电网调度组织RTO（Regional Transmission Organization）或者ISO（IndependentSystem Operator）。

国网、南网建设特高压从技术上形成了壁垒，目前，中国已投运的特高压线路共13条，其中国家电网已投运的特高压线路超过10条，南网投运2条。通过特高压建设将使中国电网连成“一张网”。

停滞

3.1中美两国电网投资额比较

国家电网投资额从2008年2500亿元增长至2016年近5000亿元，8年时间投资额增长一倍，年均复合增速达到9%，近年国家电网投资额保持在4500亿元以上，投资额增速逐年下降，市场空间保持在5000亿元左右。2017年投资额增速预估为-6.4%，相较于2016年10.2%的增速下降趋势十分明显。

特高压投资额增速陷入瓶颈期。特高压累计投资额在2012年之前年均复合增速在20%左右，2014年开始进入快速增长，2015年增速超过50%，增速接近天花板，2016年特高压累计投资额增速同比下降超过20个百分点，这一趋势受我国电网投资额整体减速影响较大。

美国电网投资额不足，建设缓慢。美国输电网投资自20世纪70年代以来一直处于停滞状态，且长期滞后于电力需求和发电装机容量的增长。其中原因在于：①美国联邦制下跨州输电项目建设需要多个州的监管部门同意，多个联邦政府部门之间的协调难度较大，且行政审批程序复杂、耗时长，最终获准门槛高。②输电网项目相较于其他投资项目，具有回报率低，建设周期长等特点，因而比较缺乏投资吸引力，所能筹集的输电项目建设资金规模有限。③美国已经完成了工业化、城镇化，经济发展速度趋缓，电力需求也增长缓慢，使得电网建设驱动力不足，因而在20世纪中期完成迅速扩张后开始停滞。美国电网投资在1975-1999年逐年下降，平均每年下降8600万美元，直到2005年才恢复到1975年的投资水平。

美国存在较大电力缺口，其中配网部分最显著。据美国土木工程师协会于2016年发布的美国基础设施投资缺口研究报告，美国电力投资缺口持续扩大将严重损害经济社会的发展。到2025年，投资缺口额将累计达到1770亿美元，到2040年，则将进一步超过5650亿美元。若这一情况继续得不到解决，将给美国经济发展成本造成很大负担，同时促使美国家庭生活成本和企业经营成本的上升，最终导致全国GDP的下滑。据该报告推算，到2025年，美国GDP将减少8190亿美元，失业人口增加10.2万，到2040年，GDP将扩大减幅至1.9万亿美元，失业人口升至24.2万。

2010-2030年的20年间，在电网建设投资中，配电网投资将达到5815亿美元，接近输电网投资额的两倍，整体上看电网年均投资额为440亿美元。

根据国际能源署《世界能源展望2011》统计，到2035年，全球用电总量将达到317,220亿千万时，较2009年增长84.2%。强劲的电力需求将拉动全球电力投资。2011-2035年全球累计电力投资需求将超过13.7万亿美元，其中发电、输电、配电各部分的投资额将分别达到6.65万亿美元、1.84万亿美元、5.25万亿美元。2025年美国电力投资缺口中配网部分占54%，约为955.8亿美元，占到2011-2035年全球配电累计投资额的1.8%。

美国电网建设成本呈现上涨态势。①电源结构变化提出长距离输电线路建设需求：可再生能源如风电、地热发电装机增长较快，出于环保和燃料供应的考虑，这些电厂一般都远离负荷中心，需要新建长距离输电线路，直接推动了输电网投资的上升。②电网项目建设成本上涨。原材料、土地、人工成本的上升都给电网项目建设造成很大的成本压力。

3.2中美电力设备龙头对比

由于1975-1999年的20多年美国输变电主网投资额处于停滞状态，因此美国电力设备龙头均呈现多元化的业务结构。通过中美电力设备龙头公司的对比，美国电力设备公司与中国电力设备公司均在其传统业务领域存在明显瓶颈，美国电力设备龙头多向其他领域转型延伸，因此业绩规模较大，中国电力设备龙头的业务尚未多元化，业绩规模相对较小。

4. 美国电网为何没有特高压

4.1中美电网分布形态迥异

中美两国的电网呈现不同的分布形态。美国电网由东部、南部和德克萨斯（ERCOT）三大独立体系组成，它们之间仅靠几条小容量的直流线路相连，分别占美国电力销售量的 73%、19%和8%，呈三足鼎立的态势。相比之下，中国的电网体系已经实现了各省份之间的互联互通，呈现出全国大一统的格局。

4.2美国地形限制了跨区域电网的联结

山地地形决定美国电网区域分布特点。①美国前能源部部长、雷曼兄弟公司投资银行部资深顾问施莱辛格先生认为，“落基山脉的阻挡使得美国并不适合建立一张统一的电网，建立两个RTO(区域输电组织)才是美国电网的理想选择”。②美国东西两岸分别有阿巴拉契亚山脉和科罗拉多山系的主干落基山脉分布，高海拔的地形客观上增加了电网建设的难度，限制了电网覆盖区域的拓展，因此美国东部和西部地区的电网各自独立，形成了区域性分布式的电网形态，二者相互之间电网联结的需求较小，建设难度较大，因而大大限制了美国特高压远距离输电网建设的发展空间。

4.3美国是否建设特高压尚不明确

美国现有电网以高压超高压输电线路为主。美国现有输变电线路以超高压为主：美国电力公司(AEP)是美国最大的电力公司之一，其服务区覆盖从德克萨斯州至弗吉尼亚州的11 个州，为五百万用户提供了大约 36000MWH电力。AEP的输电主干线是一条超过3000公里的765kV线路（1条765kV线路输送的电力相当于5条345kV线路输送的电力，或30条138kV电线输送的电力）。

美国也曾尝试特高压建设，但全国建设阻力大。美国电力公司、邦德维尔（BPA）电力局和通用电力公司都曾进行过特高压技术研究。但联邦制下美国各自为政的区域化电网结构很难做到全局统筹兼顾和协调全国范围内的电网系统，远距离输电建设缓慢。

美国政府高层对特高压建设持支持态度，未来有可能建设特高压。①电网升级的现实需求：美国国内面临电网分散、电网技术陈旧，输电能力不足等问题，急需电网升级换代。美国本土分布有9000多个发电站，输电线路总长约48.3万公里，电网布局杂乱、运营效率低下，严重影响美国用电的可靠性。而随着未来电力装机容量的上升，当负载需求以3%-4%的速度增加时，当前电网无法有效供电。②美国政府的政策导向：中国目前在特高压领域的研究与实践一直走在世界前列，是美国建设特高压的学习楷模，美国政府高层对中国特高压技术持很高的评价。

来源：国君电新徐云飞/王浩团队