在中國西北部狂風肆虐、一片荒涼的河西走廊上，矗立著一座孤獨的公用電站。2000多年前，來自中亞和歐洲的絲綢之路貿易商穿過這片貧瘠、狹窄的平原，跨越南面的險峻群山和北面的茫茫戈壁，滿載著珍貴貨物向著當時的皇城北京進發。如今，這條走廊承載著一種獨特的現代商品：為中國東部大城市輸送的數千兆瓦電功率。這個過程中的一個關鍵路點就是特高壓（UHV）換流站，位于甘肅省酒泉市城外。
該地區風電場、太陽能電站和燃煤電廠生產的電力以交流電的形式送達該站點。24臺重500噸的變壓器將交流電饋入一個巨大的大廳，大廳內28米高的天花板上懸掛著交直流變頻電路，持續地發出嗡鳴。每條電路內的固態開關晶閘管將交流電轉換為800千伏的直流電輸出。
從這里開始，輸電線路途經另外3個省份，最終進入2300多公里外湖南省的一座合作電站。在那里，直流電又被轉換為交流電，并被饋入區域電網。自2017年年中開通以來，這條價值262億元人民幣的甘肅—湖南輸電線已輸送了約24太瓦時的電力。
新線路的龐大規模和先進的電網技術令其他國家相形見絀。而這條新線路不過是中國電網建設的一個小小的組成部分，中國電網運營者在過去10年里共建成了22個特高壓超級項目。在新疆西北部，中國近期開通了其最大的特高壓線路：一條造價逾407億元的1100千伏直流電路。這條新線路的輸電塔更高，線路更強健，與甘肅—湖南輸電線并行穿過河西走廊，饋入東部的安徽省。
一個全國性的超級電網就此形成，它將連通中國的6個區域電網，協調中國清潔電力生產區（北部和西部）和電力消費區（人口稠密的東部）之間巨大的地區差異。相對交流電而言，直流電能夠更均勻地流過導體。通過使用電壓更高的直流電，新的傳輸線路大大降低了傳輸過程中的電力損耗。
就在中國慶祝3萬多公里特高壓線路竣工之際，電力工程師們依然在為由此形成的交直流混合輸電系統而奮戰。他們必須確保新的長距離直流輸電線路不會破壞中國區域交流電網的穩定性。例如，如果源自甘肅的8千兆瓦直流輸電線路意外停運，電力沖擊可能會導致湖南乃至其他地區大面積停電。
為了最大程度地降低這種威脅，運營中國大部分輸配電網絡的國有企業——中國國家電網公司特意將這條線路的輸送能力限制在了4.5千兆瓦以下。實際上，這條線路的平均承載容量還不到設計容量的1/4。因此，2017年甘肅省有超過1/3的理論風力發電和1/5的太陽能發電潛力未得到利用。鄰近地區的其他特高壓線路也同樣在低容量運行。東部省份還沒有足夠的動力引入更多特高壓線路提供的較為清潔的能源。
國家電網公司的工程師表示，這兩個問題的最終解決方案是加大特高壓的投入力度。他們認為，中國必須通過特高壓直流線路輸送更多能源，最大限度地利用可再生能源，同時減少對煤炭的依賴。此外，國家電網公司還在建設一批世界領先的特高壓交流輸電線，幫助華東地區的交流電網吸收這些大型線路輸出的電力。
國家電網中國電力科學研究院電力系統規劃副主任秦曉輝表示：“特高壓交流電網就像一個深水港，特高壓直流電網則像一條萬噸船舶。只有深水港才能支撐萬噸重的船。”
與此同時，各國電力部門都在密切關注。匹茲堡大學能源中心負責人、直流輸電專家格雷戈里里德（Gregory Reed）稱，中國的特高壓電網遠遠領先于世界其他地區。“他們正在進行重大投資，從起步之初就達到了最高技術水平。無論哪個國家都無法與之匹敵。這種局面類似于有人駕駛F1賽車飛馳而過，而我們還在蹬自行車。”
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中國的特高壓建設計劃最初是在一輛車里誕生的。2004年末，時任國家電網董事長的劉振亞與國家發改委主任馬凱共乘一輛車。中國政策專家徐義沖在其2017年的著作《肌肉力量：中國國家電網公司的政治》（Sinews of Power，牛津大學出版社）中描述，馬凱主任對當下嚴重的電力短缺狀況表示關注。劉振亞形容當時的中國國家電網“脆弱且碎片化”，沒有足夠的設備來交換大量電力。他提出了一個大膽的解決方案：利用最先進的特高壓技術鋪設橫跨中國的大規模輸電線路。
一年之內，國家發改委批準了一項雄心勃勃的綜合性計劃，基本符合劉振亞的愿景。它結合了適合遠距離傳輸大量電力的特高壓直流線路，以及能夠可靠地將電力分配給消費者的特高壓交流主干網。該工程由國家電網公司主導，確保90%的特高壓設備由中國國內供應商生產，從而為中國創建一個新的高技術出口領域。
在接下來的10年里，有約2000名國家電網公司工程師參與這個項目，300多名教授和1000多名來自中國各個大學的研究生進行電網相關的研發。國家電網公司擴大并調整了研究中心的工作重點，對特高壓的具體相關問題進行攻關，包括如何安全處理更高的電磁場以及整流和故障期間更強的脈沖。
2009年1月，國家電網公司啟動了首條特高壓示范線——一條連接華北和華中地區電網、長達650公里的1000千伏特高壓交流輸電線路。10年過去了，在擬建的30條特高壓線路中，國家電網公司已經完成了19條。在中國核電產能擴張延遲，地方煤電的發展因空氣質量問題也受到限制的情況下，這種積極的擴建幫助上海等快速發展的城市中心避免了電力短缺。全新特高壓電網也在幫助中國引領全球向可再生能源發電轉型，中國僅2017年就輸送了161.5太瓦時的水電、風電和太陽能電力。
ABB、西門子和其他國際電力技術公司在開發和驗證中國特高壓電網關鍵組件方面發揮了重要作用，國家電網公司堅持就其要求開發的技術共享知識產權。
在2014年的一次采訪中，國家電網公司副總經理劉澤洪講述了2006年的一段緊張的插曲，當時國家電網公司要求國際供應商協助開發6英寸晶閘管，它能比5英寸晶閘管處理更多電流。劉澤洪說，供應商起初猶豫不決，但考慮到國家電網公司的“堅定態度”和中國市場的“巨大市場機遇”，最終還是讓步了。兩年后，中國公司開始制造6英寸的開關。
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盡管中國國家電網取得了巨大進展，但其特高壓線路的部署仍不均衡且不完備。到2020年，中國計劃鋪設的8.9萬公里特高壓線路可能僅有半數完工，而且擬鋪設的鄰接哈薩克斯坦、蒙古和俄羅斯的特高壓線路也將延后完成。許多擬建項目，尤其是特高壓交流電主干網相關項目都未獲國家發改委批準。因此，許多地區仍然沒有特高壓交流電線路，兩類特高壓線路的發展都遠低于預期。
有關特高壓未來前景的激烈辯論阻礙了特高壓的全面部署。一些中國電網專家對特高壓項目數千億元的花費存在質疑，在他們看來，國家電網公司在電網工程和制造上處于壟斷地位。省級官員對特高壓要求的集中化電網規劃和運行也感到為難。
一些專家也質疑建立特高壓交流主干網的最終目標（即連接和同步中國的區域電網），他們認為此舉過于冒險。中國工程院院士、清華大學教授韓英鐸告誡說，電網一體化后，中國將更容易受到級聯停電的威脅，2003年美國東北部和加拿大的停電事故已經為我們敲響警鐘。
建設特高壓交直流混合電網在世界上尚無先例，國家電網公司工程師不得不摸索前進。在傳統的低壓網絡中，電網運營者通常會儲備應急電力，以備電網最大資產突然產生損失時使用。這可能意味著運營者要備好1～2千兆瓦的額外發電功率。
如果在當前電網中增加多條特高壓線路，每條線路的功率為8～12千兆瓦，那么對備用電力的要求會大大提高。
在特高壓電網中維持理想電壓也極具挑戰性。基于晶閘管的特高壓換流器消耗的是無功功率，這在電流和電壓相位不一致的交流系統中會出現。（相比之下，有功或有效功率是電網負荷實際消耗的功率；它的電流和電壓波一致。）特高壓換流器消耗無功功率，往往會拉低周圍交流線路的電壓，因此換流站要配備提供無功功率和支撐交流電壓的設備。
如果交流線路的電壓驟降，附近的換流器將消耗更多的無功功率，進一步拉低電壓。電壓驟降也會破壞晶閘管切換電流路徑的能力（這個過程被稱為整流）。嚴重的整流故障將造成換流器關閉，使交流電壓進一步下降，并啟動潛在的破壞性反饋回路，最終可能導致停電。國家電網公司中國電力科學研究院系統規劃專家秦曉輝表示：“連續的直流整流故障會引發連鎖反應。”
國家電網公司國家電力調度控制中心（位于北京）的系統操作員張放指出，由此造成的停電可能會以極快的速度影響諸多地區。特高壓直流電路意外中斷時，它會在數百公里乃至數千公里以外的交流電網上產生功率驟增。張放稱：“特高壓直流線路實際上起到了放大器的作用。接收端一次小小的交流干擾就可能演變成發送端電網的一次大型交流干擾。”
為了將多次換流器故障和級聯停電風險降至最低，國家電網公司華東地區電網的工程師部署了一個光纖控制網絡，可以自動重新平衡供需。必要時，可以使用一組內置于華東電網交直流換流器中的故障響應裝置，在電壓下降的200毫秒內提高線路電壓。一旦光纖網絡發現特高壓直流線路故障，換流器就會在其余直流線路上額外供應10%的電量，以保證電網正常運行。這種光學控制方案還可以通過釋放抽水蓄能電廠（通過抽水至上水庫蓄能）的電量來恢復平衡。此外，它還能觸發小型可控停電，關閉一些配電饋線以減少需求，同時分散醫院負荷和其他基本負荷。
通過這些措施，從中國西南電網輸送水電的3條特高壓直流輸電線路能夠以21.6千兆瓦的聯合設計功率持續運行。就此獲得了電力三方共贏：中國城市化和工業化最密集的大上海地區獲得了更多清潔能源；長三角的巨型水壩在汛期溢水量減少；中國國家電網從特高壓投資中獲得了更多收益。即便如此，上海每年夏季仍會面臨數周的電力短缺，供電部門要求工業用電大戶停產限產。要想跟上增長步伐，上海可能需要在10年內引入3倍電力輸入。
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在北京的國家電力調度控制中心，通過國家電網公司特高壓線路輸送更多清潔電力的壓力日益增長。主屏幕顯示了交直流干線的狀態，提供了整個系統的實時視圖。左墻上主要是追蹤25個省份可再生能源棄能狀況的警示燈，以及修復責任方。綠燈表示所有潛在太陽能和風能皆在利用中。藍色、黃色和橙色的燈則表示可再生能源存在不同程度的浪費情況，國家電網公司的省級、地區級或國家級控制機構必須分別設法制止這些浪費。
張放說：“我們決心要最大限度地使用可再生能源。這是我們的職責所在。”控制機構可能會將電力從電力需求較低的省份轉移到電力需求較高的省份。或者將電力輸送到國家電網的21座抽水蓄能電廠，這些電廠可吸收的總功率高達19千兆瓦。
理論上，中國法律一直要求電網運營者優先考慮可再生能源，但實際上，每個省份都有自己的規劃和重點工作，這往往有利于當地發電事業。例如，彭博新能源財經的分析人士稱，上海以南的浙江省強烈反對引入電力，這阻礙了寧夏一條8千兆瓦特高壓直流輸電線路的接入運行。
2018年的一個多風而陽光明媚的日子，我參觀了甘肅的直流換流站，其特高壓線路的運行功率僅為3千兆瓦，遠遠低于其8千兆瓦的額定功率。這是幾個可再生能源電廠的累計產量。其實該省另外還有15千兆瓦的太陽能和風能發電連接到了新線路，但尚未獲得向新線路輸電的許可。
改變即將來臨。在我到訪的兩個月后，沿海的江蘇省電力公司簽訂協議，通過另一條特高壓直流線路從甘肅最大的風電場購買電力。2018年11月，國家電網公司開始從青海省鋪設一條特高壓直流輸電線路，用以輸送來自甘肅的更多可再生能源電力。與此同時，國家發改委正通過強制要求每個地區達到可再生能源的最低使用率來刺激需求。
專家表示，國家電網公司互通區域電網的長期目標還應包括降低棄能。清華大學可再生能源整合專家張寧指出，西南電網的水力發電可以平衡西北風能和太陽能發電量的波動。他預計：“如果將西部互通起來，那里的棄風量可以從20%多降至5%。”這兩個地區的煤炭使用量也可相應減少。
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中國國家電網公司在解決特高壓電網問題的同時，正將其設備和專業技術向海外推廣。中國通過國際電工委員會和IEEE率先制定了9項特高壓標準。位于美國伊利諾伊州的阿貢國家實驗室的研究人員稱，這一舉措將幫助中國供應商“將其他供應商擠出全球市場”。
中國國家電網公司已經在著手開展首個國際特高壓直流項目：兩條800千伏的線路將從巴西貝羅蒙提（Belo Monte）的巨型大壩輸送電力。不過隨后的特高壓推廣銷售進展緩慢，原因可能在于大多數國家還不需要或負擔不起1000千伏交流或直流線路。
國家電網公司前董事長劉振亞依然勇往直前，現正積極投身于建設跨大陸和洲際特高壓電網。這條從新疆到安徽的1100千伏線路所用到的技術，可以有效地將電力輸送到5000公里以外。ABB四方電力系統有限公司（瑞士電力工程巨頭ABB與北京四方繼保自動化股份有限公司在北京成立的合資企業）的總經理馬格努斯卡拉維克（Magnus Callavik）說：“這條線朝西發展即可接近歐洲，技術頗為可行。”
卡拉維克表示，他相信遲早會出現大洲規模的特高壓直流輸電。在這個必須脫碳的世界里，人們越來越關注如何平衡太陽能和風能等可變能源供應與地區負荷之間的關系。卡拉維克還說：“電力傳輸是一種非常經濟有效的方式。”
中國面臨的問題是，國家電網公司如何才能迅速消除技術和政治障礙，充分發揮特高壓的減排潛力。如果中國繼續高度依賴煤電，那么來自數千公里外的煤電將有助于中國東部大城市的空氣凈化，但中國的碳足跡將保持不變，對全球氣候的貢獻將為零。另一方面，通過特高壓電網調動數千兆瓦的可再生能源電力有望給中國和世界帶來真正的改變。
