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肖立业:电网革命 从交流模式回归直流模式

科学时报 肖立业

  追溯历史,最初的输电方式是直流输电。由于不能直接给直流电升压,于是人类发明了三相交流发电机和变压器。从此,交流输电普遍代替了直流输电,并确立了交流输电的主体地位,从而形成了今天普遍被采用的交流电网。

  交流电网的安全稳定性问题是电源、输配电网络和负荷的整体特性的表现形式,随着电力系统的规模迅速扩大,交流大电网的安全稳定性问题日益突出。

  新能源替代常规能源是必然趋势

  为了解决上述问题,直流输电又重新受到人们的重视并得到了较快的发展。但从总体上讲,交流电网仍将在相当长时间内占主导地位。

  近些年以来,人们已经开始意识到,发展以可再生能源为主的新能源以替代常规能源是必然的趋势。由于可再生能源主要利用模式是发电,这些发电系统又由于其资源特点和发电模式而与常规能源发电系统具有很大的不同,从而对电网带来了革命性的挑战,主要体现在以下几个方面。

  由于可再生能源的主要利用方式是发电,未来电网的规模将比当前有成倍的增长,如果仍然以交流模式为主导,则电网的不可预知性和安全稳定性问题越突出。

  由于可再生能源资源具有间歇性和不稳定性的特点,且其发电模式(特别是太阳能光伏发电与风力发电等)与传统发电模式有根本性的不同,进而对交流电网的安全可靠运行带来重大挑战。

  由于可再生能源具有分散性的特点,靠近负荷侧就地利用的分布式发电也将是一种重要的方式;这就是说,未来的电力用户也将是电力供应方,分布式发电采用什么样的运行模式与大电网并网运行,也将是未来电网面临的重要课题。

  随着可再生能源逐步替代化石能源,目前以化石能源为基础的能源消费系统将采用电力(例如,电动汽车将采用电池),这就使得未来电网的负荷构成及负荷特性也与目前电网有很大的不同。

  研究分析表明,从改变电网的运行模式入手,即实现从以交流为主的模式向以直流为主的模式的转变,可以为未来电网面临的问题提供最为合理的解决方案。理由如下。

  从输电网层面来讲,直流输电网不存在交流输电网固有的稳定问题,且当输送相同功率时,直流输电线路造价低;此外,直流输电还具有网络损耗小、对通信干扰小等众多优点。因此,采用直流输电网的模式,对于建设大规模的可再生能源电网是最为合理的选择。

  从配电网层面来讲,未来配电网中的负荷对直流电源的需求将占相当大的比重,例如电动汽车、半导体照明、大量的信息设备(如计算机与微处理器、通讯系统设备、智能终端、传感器与传感器网络等)都将需要直流电源;而目前电网中最主要的负荷电动机,如果采用直流供电的话,不但可以降低电机驱动系统的造价,而且可以提高电机驱动系统的整体效率。

  在分布式电网中,太阳能光伏发电将得到最为普遍的应用,而光伏发电产生的电力为直流。同时,分布式电网中的储能系统也需要直流运行模式。最近,国际上有关直流输配电技术都得到了很快的发展,并取得了可喜的进展。因此,构建以直流为主导运行模式的电网,不仅是合理的,而且从技术上也将是可行的。

  未来向直流运行模式发展

  正因为如此,我们认为未来的输配电网和分布式电网将逐步向以直流为主的运行模式方向发展。

  目前,无论是欧洲的Super Smart Grid构想(2050年)还是美国Grid2030构想,均提出了以直流输电网为骨干的网络结构和输电模式;美国电力科学院(EPRI)提出了Macro-Grid的概念,其基本设想也是利用直流环形电网以解决资源的综合利用问题和提高供电的安全可靠性。

  欧洲已经计划,到2020年左右,将北海地区的海上风电场通过直流电网相连并网;美国规划2020年左右将大西洋沿岸建设的海上风电场通过直流网络向用户提供清洁的能源供应;欧美日等发达国家和地区已经就直流配电网的建设着手制定标准和建立示范工程。

  自2009年初以来,中国科学院电工研究所对我国未来直流电网建设的合理性、网络架构和广域可再生能源资源互补利用模式及超导直流输电技术等开展了研究,并在中国科学院的支持下开展了分布式直流智能电网的技术研究和工程示范规划研究工作,取得了积极的进展。

  未来电网向直流运行模式的革命性转变,将催生大量的科技创新机遇和一大批战略性新兴产业,因此需要从国家战略高度予以重视。由于我国具有地域广阔、可再生能源资源丰富、不同地区的主导能源资源各不相同、能源资源与负荷资源的时空分布不匹配等特点,因而要结合实际情况,发展与我国未来能源体系相适应的直流电网。针对我国的具体情况,提出以下建议。

  全面系统地把握未来能源资源和负荷资源的时空分布,对我国可利用的能源资源作进一步的系统评估,全面系统地掌握资源的时空分布情况,并加强对未来负荷发展需求及负荷时空分布演化的预测研究。

  基于以上研究,对我国从现代交流电网向未来直流电网演化的全过程作出系统性的评估与预测。在此基础上,加强电网发展总体规划设计研究并制定工程实施路线图。

  加强关键技术的创新,为未来直流电网的发展奠定坚实的基础。特别是要重视直流输配电技术与装备、新型电力电子器件及装备、超导直流输电技术、分布式直流电网技术、直流电网用高性能电力传感器、大型直流电网的实时建模仿真与高性能计算、高性能电动汽车动力电池与分布式储能技术等的研究开发与应用示范。

  加强体制机制的创新研究。新的能源变革及未来电网运行模式的变革,同时意味着电力工业体制机制的变革。为适应这一变革,需要在管理模式、运营模式和利益机制等方面作出改革。

  (肖立业 作者系中国科学院电工研究所所长)

  ( 编辑/董海荣 )

  免责声明:本文仅代表被采访人个人观点,第一电动网对文中陈述、观点、判断保持中立。

来源:科学时报

作者:肖立业

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