電網革命： 從交流模式回歸直流模式

電網向直流運行模式的革命性轉變，將催生一大批戰(zhàn)略性新興產業(yè)。

追溯歷史，最初的輸電方式是直流輸電。由于不能直接給直流電升壓，于是人類發(fā)明了三相交流發(fā)電機和變壓器。從此，交流輸電普遍代替了直流輸電，并確立了交流輸電的主體地位，從而形成了今天普遍被采用的交流電網。

交流電網的安全穩(wěn)定性問題是電源、輸配電網絡和負荷的整體特性的表現形式，隨著電力系統的規(guī)模迅速擴大，交流大電網的安全穩(wěn)定性問題日益突出。

新能源替代常規(guī)能源是必然趨勢

為了解決上述問題，直流輸電又重新受到人們的重視并得到了較快的發(fā)展。但從總體上講，交流電網仍將在相當長時間內占主導地位。

近些年以來，人們已經開始意識到，發(fā)展以可再生能源為主的新能源以替代常規(guī)能源是必然的趨勢。由于可再生能源主要利用模式是發(fā)電，這些發(fā)電系統又由于其資源特點和發(fā)電模式而與常規(guī)能源發(fā)電系統具有很大的不同，從而對電網帶來了革命性的挑戰(zhàn)，主要體現在以下幾個方面。

由于可再生能源的主要利用方式是發(fā)電，未來電網的規(guī)模將比當前有成倍的增長，如果仍然以交流模式為主導，則電網的不可預知性和安全穩(wěn)定性問題越突出。

由于可再生能源資源具有間歇性和不穩(wěn)定性的特點，且其發(fā)電模式（特別是太陽能光伏發(fā)電與風力發(fā)電等）與傳統發(fā)電模式有根本性的不同，進而對交流電網的安全可靠運行帶來重大挑戰(zhàn)。

由于可再生能源具有分散性的特點，靠近負荷側就地利用的分布式發(fā)電也將是一種重要的方式；這就是說，未來的電力用戶也將是電力供應方，分布式發(fā)電采用什么樣的運行模式與大電網并網運行，也將是未來電網面臨的重要課題。

隨著可再生能源逐步替代化石能源，目前以化石能源為基礎的能源消費系統將采用電力（例如，電動汽車將采用電池），這就使得未來電網的負荷構成及負荷特性也與目前電網有很大的不同。

研究分析表明，從改變電網的運行模式入手，即實現從以交流為主的模式向以直流為主的模式的轉變，可以為未來電網面臨的問題提供最為合理的解決方案。理由如下。

從輸電網層面來講，直流輸電網不存在交流輸電網固有的穩(wěn)定問題，且當輸送相同功率時，直流輸電線路造價低；此外，直流輸電還具有網絡損耗小、對通信干擾小等眾多優(yōu)點。因此，采用直流輸電網的模式，對于建設大規(guī)模的可再生能源電網是最為合理的選擇。

從配電網層面來講，未來配電網中的負荷對直流電源的需求將占相當大的比重，例如電動汽車、半導體照明、大量的信息設備（如計算機與微處理器、通訊系統設備、智能終端、傳感器與傳感器網絡等）都將需要直流電源；而目前電網中最主要的負荷電動機，如果采用直流供電的話，不但可以降低電機驅動系統的造價，而且可以提高電機驅動系統的整體效率。

在分布式電網中，太陽能光伏發(fā)電將得到最為普遍的應用，而光伏發(fā)電產生的電力為直流。同時，分布式電網中的儲能系統也需要直流運行模式。最近，國際上有關直流輸配電技術都得到了很快的發(fā)展，并取得了可喜的進展。因此，構建以直流為主導運行模式的電網，不僅是合理的，而且從技術上也將是可行的。

未來向直流運行模式發(fā)展

正因為如此，我們認為，未來的輸配電網和分布式電網將逐步向以直流為主的運行模式方向發(fā)展。

目前，無論是歐洲的Super Smart Grid構想（2050年）還是美國Grid2030構想，均提出了以直流輸電網為骨干的網絡結構和輸電模式；美國電力科學院（EPRI）提出了Macro-Grid的概念，其基本設想也是利用直流環(huán)形電網以解決資源的綜合利用問題和提高供電的安全可靠性。

歐洲已經計劃，到2020年左右，將北海地區(qū)的海上風電場通過直流電網相連并網；美國規(guī)劃2020年左右將大西洋600558,股吧沿岸建設的海上風電場通過直流網絡向用戶提供清潔的能源供應；歐美日等發(fā)達國家和地區(qū)已經就直流配電網的建設著手制定標準和建立示范工程。

自2009年初以來，中國科學院電工研究所對我國未來直流電網建設的合理性、網絡架構和廣域可再生能源資源互補利用模式及超導直流輸電技術等開展了研究，并在中國科學院的支持下開展了分布式直流智能電網的技術研究和工程示范規(guī)劃研究工作，取得了積極的進展。

未來電網向直流運行模式的革命性轉變，將催生大量的科技創(chuàng)新機遇和一大批戰(zhàn)略性新興產業(yè)，因此需要從國家戰(zhàn)略高度予以重視。由于我國具有地域廣闊、可再生能源資源豐富、不同地區(qū)的主導能源資源各不相同、能源資源與負荷資源的時空分布不匹配等特點，因而要結合實際情況，發(fā)展與我國未來能源體系相適應的直流電網。針對我國的具體情況，提出以下建議。

全面系統地把握未來能源資源和負荷資源的時空分布，對我國可利用的能源資源作進一步的系統評估，全面系統地掌握資源的時空分布情況，并加強對未來負荷發(fā)展需求及負荷時空分布演化的預測研究。

基于以上研究，對我國從現代交流電網向未來直流電網演化的全過程作出系統性的評估與預測。在此基礎上，加強電網發(fā)展總體規(guī)劃設計研究并制定工程實施路線圖。

加強關鍵技術的創(chuàng)新，為未來直流電網的發(fā)展奠定堅實的基礎。特別是要重視直流輸配電技術與裝備、新型電力電子器件及裝備、超導直流輸電技術、分布式直流電網技術、直流電網用高性能電力傳感器、大型直流電網的實時建模仿真與高性能計算、高性能電動汽車動力電池與分布式儲能技術等的研究開發(fā)與應用示范。

加強體制機制的創(chuàng)新研究。新的能源變革及未來電網運行模式的變革，同時意味著電力工業(yè)體制機制的變革。為適應這一變革，需要在管理模式、運營模式和利益機制等方面作出改革。

來源：科學時報 作者：肖立業(yè) 　

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