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直流电网发展“时不我待”
       追溯历史,人类最初的输电方式是直流输电,但由于当时不能为直流电升压,输电距离和输电容量受到极大的限制。19世纪末,人类发明了三相交流发电机和变压器,交流输电开始代替直流输电,并逐步确立了主体地位,形成了现在普遍使用的交流电网。

  由于采用交流运行模式,交流电网存在稳定性问题,一般情况下可以通过安装稳定性装备来解决。但是,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,依靠传统思路已经越来越难以解决问题。为此,直流输电又重新受到人们的重视并得到了较快的发展,但总体上仍然不能动摇交流输配电的主体地位,交流电网仍将在相当长时间内占主导地位。

  然而,随着间隙性、不稳定性的可再生能源规模化接入电网,将对交流电网带来严峻的挑战。为此,不仅需要大力发展直流输电技术,而且整个电网也需要向直流模式方向发展。直流电网技术已经成为当前国际电网技术发展热点问题,孕育着巨大的创新机遇和新兴产业发展机遇,我国理应在这方面加强部署。

  新能源发展力促电网转型

  随着化石能源的日益枯竭和环境压力的日益增大,发展以可再生能源为主的新能源,并替代常规能源是必然的趋势。但鉴于可再生能源的资源特点及可再生能源发电模式与常规能源具有很大区别,将对未来电网发展带来革命性的挑战,主要体现在以下几个方面:第一,由于可再生能源的主要利用方式是发电,加之可再生能源资源和负荷资源分布不匹配决定了远距离输电和大电网互联在相当长时间内仍将存在,因此,能源结构的挑战将使得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将会更加突出。

  第二,由于可再生能源的发电模式与传统发电模式有根本性的不同(例如,太阳能光伏发电系统就缺乏常规发电机组的机械惯性,而风机的机组惯性与传统发电机组也有很大区别),在满足可再生能源规模化接入的约束条件下,如何保障交流电网的实时动态功率平衡和安全稳定性,就成为未来电网面临的新的重大挑战。

  第三,可再生能源资源具有间歇性和不稳定性的特点,一般认为,需要建设大量的储能系统来解决其对电网的影响。但是,即使不考虑储能系统的技术成熟度,储能系统的大量使用将大大增加电网的网络损耗(例如,目前各类化学电池的效率只有80%左右,而抽水储能的效率只有70%左右)。研究表明,可再生能源具有很好的时空互补性,采用超级大电网有效整合广域内的资源时空互补性后,从电网整体上讲,电网内的可再生能源作为一个整体,其间歇性和波动性将大为降低,可以大幅度降低对电力储能系统的需求,从而大大提高整个电网的效率和效益。然而,如果仍然采用交流模式,就无法对广域电网内的可再生能源资源进行有效地整合。

  第四,可再生能源资源是一种广域分散资源和波动性资源,不同区域资源(包括电力资源和负荷资源)的实时变化和波动可能会导致电网输送功率的双向流动,交流输电网在解决大量功率的双向流动控制方面存在巨大的困难。

  第五,可再生能源具有的分散性特点将导致靠近负荷侧就地利用的分布式发电将成为重要方式,这就是说,未来的电力用户也将是电力供应方,届时分布式电网采用什么样的模式运行并实现与大电网的并网互动将是未来电网面临的重要课题。

  第六,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,如何适应负荷这一重要的变化也将是未来电网面临的重大挑战。

  电网革命:从交流向直流回归

  研究分析表明,从改变电网的运行模式入手,即实现从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。

  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,采用直流模式建设超级大电网将从根本上消除交流电网的稳定性问题;只有采用直流输电网模式才能有效地整合广域可再生能源的互补性,从而大大提高电网在广域范围内实现实时动态功率平衡的能力,并大大降低对储能系统的需求,进而大大提高整个电网的效率和效益;直流输电线路输送功率的大小和方向可以快速控制和调节,因而可以很方便地实现功率的双向流动控制,是建设可再生能源电网的最佳选择。

  另外,直流输电还具有以下明显优势:输送容量大、输送距离远(可以达到2000公里以上),适合于大电网的远距离功率输送;当输送相同功率时,直流输电线路造价低;当直流输电的一个极发生故障时,另一个极仍然可以运行;直流输电还具有网络损耗小、对通信干扰小等。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、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。因此,采用直流模式,对于配电网也将是最佳选择。

  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,储能系统也需要采用直流运行模式。因此,分布式电网的最合理的运行模式也将是直流模式。

  应该看到,国际上已经越来越重视直流输配电技术的发展。在我国,连接云南和广东、以及连接向家坝和上海的±800千伏的直流输电线路已经先后投入运行。国家电网公司规划“十二五”将建设10条±800千伏的直流输电线路和一条±1100千伏的直流输电线路。但是,这些直流输电工程都是点对点的输电线路,只是现有交流输电所面临的问题的一种解决方案,而整个电网的运行模式仍然是交流。近些年来,直流输配电技术得到了很快的发展,特别是电力电子技术、新材料技术等的发展,对于直流电网的发展起到了很大的促进作用。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。

  综上所述,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)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;美国电力科学院提出了Macro-Grid的概念,其基本设想也是利用直流环形电网来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,目前已取得了积极的进展。

  对未来直流电网发展的建议

  不容置疑,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。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,因此,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:首先,全面系统地把握未来能源资源和负荷资源的时空分布,对我国可利用的可再生能源资源做进一步的系统评估,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。

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

  再次,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。

  最后,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,同时也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做出相应改革。