未來電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)

1、未來電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)編輯：華英電力經(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)域屮等規(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)國(guó)家發(fā)達(dá)程度的標(biāo)志之-。未來電網(wǎng)將呈現(xiàn)以下璽要發(fā)展趨勢(shì)：第一，可再生能源將成為電網(wǎng)中的主要一次能源來 源。第二，電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式將發(fā)生重人變化。第三，新材料技術(shù)將在電網(wǎng)屮得到廣泛 地應(yīng)用。第四，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

2、構(gòu)建起來的 統(tǒng)一整體。因此，自從有了發(fā)電機(jī)及其和應(yīng)的供電系統(tǒng)，便有了電網(wǎng)l882年，愛辿生公 司在紐約建成世界上笫一座正規(guī)的直流電站和相應(yīng)的供電系統(tǒng)，可以認(rèn)為是人類首個(gè)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人的限制，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(guó)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)備為棊礎(chǔ)、以可調(diào)度能源（如化石能源、水力和核能等）作為電力

3、 的主要一次能源來源、以交流為運(yùn)行模式的基木形態(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(guó)發(fā)電總裝機(jī)容量己經(jīng)接近12億千瓦，年總發(fā)電量接近5 力億度，我國(guó)電網(wǎng)已經(jīng)基木形成了 “西電東送、南北互供、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”的總體格局，已經(jīng)覆 蓋了全國(guó)大部分地區(qū)，成為世界最大的電網(wǎng)z-o如今，電網(wǎng)已經(jīng)為人類供應(yīng)了大約四分z -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)屮的比例已經(jīng) 成為一個(gè)國(guó)家發(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):第一，可再牛能源

4、將成為電網(wǎng)屮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，有必要人力發(fā)展可再生能源來替代之。這是因?yàn)椋海?）核能在木世紀(jì)屮葉前難 以成為主導(dǎo)能源。核裂變能的原料也屬于冇限資源，h.其利用存在安全風(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(guó)際安全環(huán)境，當(dāng)前的核裂變能技術(shù)出口是受到國(guó) 際冇關(guān)條約嚴(yán)格控制的。盡管核聚變能町滿足人類長(zhǎng)期發(fā)展需求，但其應(yīng)用前景尚不明朗, iter （國(guó)際熱核聚變堆）計(jì)劃到本世紀(jì)屮卩|才能建成首個(gè)示范電站。（2）可再牛能源是可持 續(xù)發(fā)展的綠色能源，r可開采雖足夠人類使用。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，地球上接收的太陽能是人類冃 前能源需求總最的10000倍。地

5、球上的風(fēng)能總最也達(dá)到了 1=1前人類能源需求總量的5倍，如 果再算上水力資源、牛物質(zhì)能源、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽?，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?。?） nj'再生能源冃前已經(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)電的單位成木呈逐年下降趨勢(shì)。根據(jù)歐洲、美國(guó)和日木等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(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(guó)際已經(jīng)有共識(shí)認(rèn)為，可再牛能 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(guó)際能源署（iea）發(fā)布 的2012年世界能源展望，対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

6、二大電力來源，并在2035年接近第一大電力來源煤炭的發(fā)電量。歐 共體聯(lián)合研究屮心預(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。第二，電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式將發(fā)牛重大變化?，F(xiàn)代電網(wǎng)存在結(jié)構(gòu)不盡合理和交流電網(wǎng) 的固冇安全穩(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。“結(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

7、模式入手，是解決電網(wǎng)現(xiàn)有問題和應(yīng)對(duì)耒來挑戰(zhàn)的重耍手段2。（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，為了保障供電的安全可靠性，需 要發(fā)展壞形網(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

8、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，釆用直流輸電網(wǎng)，將從根本上解決交流電網(wǎng)所固有的安全穩(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h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)，還需要采川“分層分區(qū)運(yùn)行、總休協(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雖的科技創(chuàng)新機(jī)遇，值得關(guān)注。第三，新材料技術(shù)將在電網(wǎng)屮得到廣泛的應(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)備是山各種材料按照特定的結(jié)構(gòu)制造 而

9、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) 展影響最人的創(chuàng)新來自新材料技術(shù)一電力電子器件的發(fā)明及其在電網(wǎng)屮的應(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。展望耒來，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，高壓人功率電力電了器件（如寬禁帶半導(dǎo)體器件等）和裝備將會(huì)使得對(duì)高壓人功率電 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)屮的大量可再生能源電力是變幻莫測(cè)的，而電力用戶對(duì) 電力的需求也具冇多樣性r

10、也是隨時(shí)變化的，因而對(duì)電力的變換和控制的冃的就是將變幻莫 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，從而為用八提供可靠的電力。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)了交換膜和儲(chǔ)氫材料等的發(fā)明和使用，將使得高效低成木電力儲(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(jiǎn)化

11、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)就如同讓算網(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)的安全穩(wěn)定性。正因?yàn)槿绱耍绹?guó)能源部其至將超導(dǎo)技術(shù)視為“21世紀(jì) 電力工業(yè)唯一的高技術(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)） 控和溫控的養(yǎng)線性介質(zhì)材料、低殘壓壓敏電阻材料、新型絕緣材料、絕緣體一金屬相變材料、 新型鐵磁材料、川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)屮得到廣泛的應(yīng)用。第四，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)則提供和當(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，而口其信息系統(tǒng)的建設(shè)與耒來需求還有很 人的差距。有關(guān)該方而的內(nèi)容，也就是國(guó)際上近些年談得很多的所謂“智能電網(wǎng)”的概念, 木文不宜做過多的重復(fù)。但是，需要說明的是，在現(xiàn)冇電氣設(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