肖立業(yè):未來電網(wǎng)的發(fā)展趨勢
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：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：
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，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)摿薮蟆＃?）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。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)平價上網(wǎng)。（4）國際已經(jīng)有共識認(rèn)為，可再生能源今后仍然會快速發(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2035年前的全球能源趨勢作出了預(yù)測：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、波動性、分散性、發(fā)電方式多樣性和時空互補(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空互補(bǔ)性，因而保持和發(fā)展一個規(guī)模適當(dāng)?shù)拇箅娋W(wǎng)是十分必要的。同時，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)。針對不同電壓等級，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)電或儲能）也將以直流為運(yùn)行模式。與此同時，還需要采用“分層分區(qū)運(yùn)行、總體協(xié)調(diào)互動”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）和裝備將會使得對高壓大功率電力的變換和控制，如同集成電路對信息的處理（實(shí)際上也就是對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的，而電力用戶對電力的需求也具有多樣性且也是隨時變化的，因而對電力的變換和控制的目的就是將變幻莫測的電源變成能滿足用戶需求的電力。從這個意義上講，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“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“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、儲能材料、電介質(zhì)材料、高強(qiáng)度材料、質(zhì)子交換膜和儲氫材料等的發(fā)明和使用，將使得高效低成本電力儲能系統(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，并對電源波動和電網(wǎng)故障作出響應(yīng)。電力儲能系統(tǒng)就如同計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的信息儲存系統(tǒng)一樣，對于未來電網(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)儲備”。（4）其他新材料，如納米復(fù)合材料、場（包括電場和磁場）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)對于傳感、通訊和數(shù)據(jù)處理的技術(shù)要求，這對于提高電網(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。