安徽 肖立業(yè):未來電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)
經(jīng)歷了100多年的發(fā)展，電網(wǎng)的規(guī)模和結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生了很大的變化，即從最初的局域小規(guī)模電網(wǎng)發(fā)展到區(qū)域中等規(guī)模電網(wǎng)，進(jìn)而發(fā)展到今天的跨區(qū)互聯(lián)大電網(wǎng)。如今，電網(wǎng)已經(jīng)為人類供應(yīng)了大約四分之一的終端能源，成為現(xiàn)代能源體系的重要組成部分，電力在終端能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比例已經(jīng)成為一個(gè)地方發(fā)達(dá)程度的標(biāo)志之一。
未來電網(wǎng)將呈現(xiàn)以下重要發(fā)展趨勢(shì)：一，可再生能源將成為電網(wǎng)中的主要一次能源來源。二，電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式將發(fā)生重大變化。三，新材料技術(shù)將在電網(wǎng)中得到廣泛地應(yīng)用。四，物理電網(wǎng)將與信息系統(tǒng)高度融合。
廣義的電網(wǎng)是發(fā)電設(shè)備、輸配電設(shè)備和用電設(shè)備采用一定的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式構(gòu)建起來的統(tǒng)一整體。因此，自從有了發(fā)電機(jī)及其相應(yīng)的供電系統(tǒng)，便有了電網(wǎng)。1882年，愛迪生公司在紐約建成世界上首座正規(guī)的直流電站和相應(yīng)的供電系統(tǒng)，可以認(rèn)為是人類真正意義上的電網(wǎng)。然而，由于當(dāng)時(shí)不能為直流電升壓，輸電距離和輸電容量受到極大的限制，于是，特斯拉于1887年發(fā)明了交流發(fā)電機(jī)和多相交流輸電技術(shù)。1897年，美國西屋公司在尼亞加拉水電站的首臺(tái)交流發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行并為35公里外的水牛城供電，從此確立了現(xiàn)代電網(wǎng)的基礎(chǔ)。
經(jīng)歷了100多年的發(fā)展，電網(wǎng)的基本形態(tài)沒有根本性的變化，即電網(wǎng)以銅、鋁等為基本導(dǎo)電材料、以傳統(tǒng)電力設(shè)備為基礎(chǔ)、以可調(diào)度能源（如化石能源、水力和核能等）作為電力的主要一次能源來源、以交流為運(yùn)行模式的基本形態(tài)。然而，電網(wǎng)的規(guī)模和結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生了很大的變化，即從最初的局域小規(guī)模電網(wǎng)發(fā)展到區(qū)域中等規(guī)模電網(wǎng)，進(jìn)而發(fā)展到今天的跨區(qū)互聯(lián)大電網(wǎng)。例如，2012年，我國發(fā)電總裝機(jī)容量已經(jīng)接近12億千瓦，年總發(fā)電量接近5萬億度，我國電網(wǎng)已經(jīng)基本形成了“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”的總體格局，已經(jīng)覆蓋了全國大部分地區(qū)，成為世界前幾的電網(wǎng)之一。如今，電網(wǎng)已經(jīng)為人類供應(yīng)了大約四分之一的終端能源，成為現(xiàn)代能源體系的重要組成部分，電力在終端能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比例已經(jīng)成為一個(gè)地方發(fā)達(dá)程度的標(biāo)志之一。
展望未來，我們認(rèn)為，未來電網(wǎng)將呈現(xiàn)以下重要發(fā)展趨勢(shì)：
一，可再生能源將成為電網(wǎng)中的主要一次能源來源。人類已經(jīng)認(rèn)識(shí)到化石能源是不可持續(xù)的能源，有必要大力發(fā)展可再生能源來替代之。這是因?yàn)椋海?）核能在本世紀(jì)中葉前難以成為主導(dǎo)能源。核裂變能的原料也屬于有限資源，且其利用存在穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)，核廢料處理也比較復(fù)雜。由于核裂變能的利用還涉及到國際穩(wěn)定環(huán)境，當(dāng)前的核裂變能技術(shù)出口是受到國際有關(guān)條約嚴(yán)格控制的。盡管核聚變能可滿足人類長期發(fā)展需求，但其應(yīng)用前景尚不明朗，ITER（國際熱核聚變堆）計(jì)劃到本世紀(jì)中葉才能建成示范電站。（2）可再生能源是可持續(xù)發(fā)展的綠色能源，且可開采量足夠人類使用。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，地球上接收的太陽能是人類目前能源需求總量的10000倍。地球上的風(fēng)能總量也達(dá)到了目前人類能源需求總量的5倍，如果再算上水力資源、生物質(zhì)能源、地?zé)崮?、海洋能，則可再生能源的總量更大。由此可見，可再生能源發(fā)展?jié)摿薮?。?）可再生能源目前已經(jīng)得到很大的發(fā)展。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，可再生能源發(fā)電的單位成本呈逐年下降趨勢(shì)。根據(jù)歐洲、美國和日本等發(fā)達(dá)地方和地區(qū)的預(yù)計(jì)，到2020年，光伏發(fā)電基本上可以實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)。（4）國際已經(jīng)有共識(shí)認(rèn)為，可再生能源今后仍然會(huì)快速發(fā)展，且將逐漸成為主導(dǎo)能源。例如，2012年，國際能源署（IEA）發(fā)布的《2012年世界能源展望》，對(duì)2035年前的全球能源趨勢(shì)作出了預(yù)測(cè)：到2015年，可再生能源將成為全球第二大電力來源，并在2035年接近大電力來源——煤炭的發(fā)電量。歐共體聯(lián)合研究中心預(yù)測(cè)認(rèn)為：到2050年可再生能源將占總能源需求的52%。由于可再生能源的主要利用方式是發(fā)電，因此，如果未來人類使用的能源將主要來自可再生能源，則電網(wǎng)中的一次能源也將主要來自可再生能源。
二，電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式將發(fā)生重大變化?，F(xiàn)代電網(wǎng)存在結(jié)構(gòu)不盡合理和交流電網(wǎng)的固有穩(wěn)定性等問題，亟待解決。隨著可再生能源越來越多地接入電網(wǎng)，將對(duì)電網(wǎng)帶來一系列新的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，這主要是由可再生能源具有不可調(diào)度性、波動(dòng)性、分散性、發(fā)電方式多樣性和時(shí)空互補(bǔ)性等特點(diǎn)決定的?！敖Y(jié)構(gòu)決定功能、模式?jīng)Q定成敗”，因此從改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式入手，是解決電網(wǎng)現(xiàn)有問題和應(yīng)對(duì)未來挑戰(zhàn)的重要手段之一。（1）從結(jié)構(gòu)上講，由于未來電力資源與負(fù)荷資源的地理分布不匹配，以及可再生能源在廣域范圍具有良好的時(shí)空互補(bǔ)性，因而保持和發(fā)展一個(gè)規(guī)模適當(dāng)?shù)拇箅娋W(wǎng)是十分必要的。同時(shí)，由于可再生能源具有分散性，就地利用資源的分布式發(fā)電和面向終端用戶的微型電網(wǎng)也將會(huì)大量出現(xiàn)，因此未來電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)將呈現(xiàn)大電網(wǎng)和微型電網(wǎng)并存的格局。其次，為了保障供電的可靠性，需要發(fā)展環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)不同電壓等級(jí)，宜采用多層次的環(huán)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)相鄰層次間和同層次不同區(qū)域環(huán)形電網(wǎng)間的互聯(lián)，以構(gòu)造一個(gè)多層次網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。（2）在運(yùn)行模式上，需要發(fā)展直流電網(wǎng)模式或交直流混合電網(wǎng)模式。這是因?yàn)?，直流輸電網(wǎng)不存在交流輸電網(wǎng)固有的穩(wěn)定問題，因此，采用直流輸電網(wǎng)，將從根本上解決交流電網(wǎng)所固有的穩(wěn)定性問題。從配電網(wǎng)和微電網(wǎng)層面來講，未來的直流負(fù)荷將占相當(dāng)高的比重且分布式電源（如光伏發(fā)電或儲(chǔ)能）也將以直流為運(yùn)行模式。與此同時(shí)，還需要采用“分層分區(qū)運(yùn)行、總體協(xié)調(diào)互動(dòng)”的模式，以充分實(shí)現(xiàn)廣域范圍內(nèi)各種資源的優(yōu)化互補(bǔ)利用和區(qū)域電網(wǎng)間互為備用和支撐。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和模式的改變將帶來大量的科技創(chuàng)新機(jī)遇，值得關(guān)注。
三，新材料技術(shù)將在電網(wǎng)中得到廣泛的應(yīng)用。在電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和模式確立以后，電網(wǎng)的運(yùn)行性能在很大程度上就取決于電氣設(shè)備了，而電氣設(shè)備是由各種材料按照特定的結(jié)構(gòu)制造而成的，材料的特性在很大程度上直接決定了電氣設(shè)備的性能。過去100多年來，對(duì)電網(wǎng)發(fā)展影響的創(chuàng)新來自新材料技術(shù)—電力電子器件的發(fā)明及其在電網(wǎng)中的應(yīng)用，而像氧化鋅避雷器、六氟化硫斷路器、碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線等技術(shù)發(fā)明，其根本創(chuàng)新之處在于新材料的應(yīng)用。展望未來，隨著新材料技術(shù)的不斷發(fā)展，新材料技術(shù)將在電網(wǎng)中得到廣泛的應(yīng)用。（1）首先，高壓大功率電力電子器件（如寬禁帶半導(dǎo)體器件等）和裝備將會(huì)使得對(duì)高壓大功率電力的變換和控制，如同集成電路對(duì)信息的處理（實(shí)際上也就是對(duì)低壓小電流的電能的變換和控制）一樣靈活高效。由于未來電網(wǎng)中的大量可再生能源電力是變幻莫測(cè)的，而電力用戶對(duì)電力的需求也具有多樣性且也是隨時(shí)變化的，因而對(duì)電力的變換和控制的目的就是將變幻莫測(cè)的電源變成能滿足用戶需求的電力。從這個(gè)意義上講，電力電子器件和裝備的廣泛使用，將使得電網(wǎng)像計(jì)算網(wǎng)絡(luò)處理和分配信息資源一樣來處理和分配電力，因而可以把未來電網(wǎng)看成是一個(gè)“能源計(jì)算網(wǎng)絡(luò)”，各種電力資源通過“能源計(jì)算網(wǎng)絡(luò)”有機(jī)組織、聯(lián)系和控制起來，從而為用戶提供可靠的電力。因此，這個(gè)“能源計(jì)算網(wǎng)絡(luò)”也可以稱之為“云電力網(wǎng)絡(luò)”，而用戶從“云”中獲取可靠的電力。（2）新型高性能的電極材料、儲(chǔ)能材料、電介質(zhì)材料、高強(qiáng)度材料、質(zhì)子交換膜和儲(chǔ)氫材料等的發(fā)明和使用，將使得高效低成本電力儲(chǔ)能系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)并進(jìn)入千家萬戶，從而優(yōu)化電網(wǎng)的運(yùn)行、簡化電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和控制，并對(duì)電源波動(dòng)和電網(wǎng)故障作出響應(yīng)。電力儲(chǔ)能系統(tǒng)就如同計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的信息儲(chǔ)存系統(tǒng)一樣，對(duì)于未來電網(wǎng)是必要的。（3）高性能的超導(dǎo)材料在電網(wǎng)中的應(yīng)用，將大大降低電氣設(shè)備的損耗、重量和體積，并可提高電氣設(shè)備的極限容量和靈活性，超導(dǎo)限流器還可以有效地限制故障電流并保護(hù)其他電氣設(shè)備和整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定性。正因?yàn)槿绱?，美國能源部甚至將超?dǎo)技術(shù)視為“21世紀(jì)電力工業(yè)僅此的高技術(shù)儲(chǔ)備”。（4）其他新材料，如納米復(fù)合材料、場(chǎng)（包括電場(chǎng)和磁場(chǎng)）控和溫控的非線性介質(zhì)材料、低殘壓壓敏電阻材料、新型絕緣材料、絕緣體—金屬相變材料、新型鐵磁材料、用于高效低能耗的電力傳感器材料（如巨磁阻材料、壓電晶體、熱電材料等）都將可能在未來電網(wǎng)中得到廣泛的應(yīng)用。
四，物理電網(wǎng)將與信息系統(tǒng)高度融合。如果把電網(wǎng)比喻成為一個(gè)人的話，那么物理電網(wǎng)就是人的骨骼、肉體和器官，而電網(wǎng)信息系統(tǒng)則提供相當(dāng)于人的感覺能力、分析能力和決策能力。當(dāng)前的電網(wǎng)，不僅在物理層是不完善的，而且其信息系統(tǒng)的建設(shè)與未來需求還有很大的差距。有關(guān)該方面的內(nèi)容，也就是國際上近些年談得很多的所謂“智能電網(wǎng)”的概念，本文不宜做過多的重復(fù)。但是，需要說明的是，在現(xiàn)有電氣設(shè)備的基礎(chǔ)上，僅僅依靠提升電網(wǎng)的信息化程度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)解決不了未來電網(wǎng)所面臨的問題。改變電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式、提升電氣設(shè)備的性能和采用新型功能的電氣設(shè)備，對(duì)于解決未來電網(wǎng)的問題同樣重要甚至是更為根本性的。另外，需要強(qiáng)調(diào)的是，能夠從創(chuàng)新材料入手發(fā)展具有自適應(yīng)功能的電力設(shè)備和保護(hù)設(shè)備，就可以顯著降低電網(wǎng)對(duì)于傳感、通訊和數(shù)據(jù)處理的技術(shù)要求，這對(duì)于提高電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠性和綜合效益是非常有益的。因此，切忌認(rèn)為將信息技術(shù)用于電網(wǎng)就是未來電網(wǎng)發(fā)展的所有。
作者簡介：
肖立業(yè)，中國科學(xué)院電工研究所所長，應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。長期從事高溫超導(dǎo)體在強(qiáng)電方面的應(yīng)用研究，在高溫超導(dǎo)磁體技術(shù)、高溫超導(dǎo)電力科學(xué)技術(shù)和高溫超導(dǎo)物理方面做了大量的研究工作。