肖立業(yè):未來電網的發(fā)展趨勢
經歷了100多年的發(fā)展，電網的規(guī)模和結構形態(tài)發(fā)生了很大的變化，即從最初的局域小規(guī)模電網發(fā)展到區(qū)域中等規(guī)模電網，進而發(fā)展到今天的跨區(qū)互聯(lián)大電網。如今，電網已經為人類供應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結構中的比例已經成為一個地方發(fā)達程度的標志之一。
未來電網將呈現(xiàn)以下重要發(fā)展趨勢：一，可再生能源將成為電網中的主要一次能源來源。二，電網的結構和運行模式將發(fā)生重大變化。三，新材料技術將在電網中得到廣泛地應用。四，物理電網將與信息系統(tǒng)高度融合。
廣義的電網是發(fā)電設備、輸配電設備和用電設備采用一定的結構和運行模式構建起來的統(tǒng)一整體。因此，自從有了發(fā)電機及其相應的供電系統(tǒng)，便有了電網。1882年，愛迪生公司在紐約建成世界上首座正規(guī)的直流電站和相應的供電系統(tǒng)，可以認為是人類真正意義上的電網。然而，由于當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)電機和多相交流輸電技術。1897年，美國西屋公司在尼亞加拉水電站的首臺交流發(fā)電機投入運行并為35公里外的水牛城供電，從此確立了現(xiàn)代電網的基礎。
經歷了100多年的發(fā)展，電網的基本形態(tài)沒有根本性的變化，即電網以銅、鋁等為基本導電材料、以傳統(tǒng)電力設備為基礎、以可調度能源（如化石能源、水力和核能等）作為電力的主要一次能源來源、以交流為運行模式的基本形態(tài)。然而，電網的規(guī)模和結構形態(tài)發(fā)生了很大的變化，即從最初的局域小規(guī)模電網發(fā)展到區(qū)域中等規(guī)模電網，進而發(fā)展到今天的跨區(qū)互聯(lián)大電網。例如，2012年，我國發(fā)電總裝機容量已經接近12億千瓦，年總發(fā)電量接近5萬億度，我國電網已經基本形成了“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網”的總體格局，已經覆蓋了全國大部分地區(qū)，成為世界前幾的電網之一。如今，電網已經為人類供應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結構中的比例已經成為一個地方發(fā)達程度的標志之一。
展望未來，我們認為，未來電網將呈現(xiàn)以下重要發(fā)展趨勢：
一，可再生能源將成為電網中的主要一次能源來源。人類已經認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。這是因為：（1）核能在本世紀中葉前難以成為主導能源。核裂變能的原料也屬于有限資源，且其利用存在穩(wěn)定風險，核廢料處理也比較復雜。由于核裂變能的利用還涉及到國際穩(wěn)定環(huán)境，當前的核裂變能技術出口是受到國際有關條約嚴格控制的。盡管核聚變能可滿足人類長期發(fā)展需求，但其應用前景尚不明朗，ITER（國際熱核聚變堆）計劃到本世紀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。據統(tǒng)計分析，地球上接收的太陽能是人類目前能源需求總量的10000倍。地球上的風能總量也達到了目前人類能源需求總量的5倍，如果再算上水力資源、生物質能源、地熱能、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得到很大的發(fā)展。隨著技術不斷進步，可再生能源發(fā)電的單位成本呈逐年下降趨勢。根據歐洲、美國和日本等發(fā)達地方和地區(qū)的預計，到2020年，光伏發(fā)電基本上可以實現(xiàn)平價上網。（4）國際已經有共識認為，可再生能源今后仍然會快速發(fā)展，且將逐漸成為主導能源。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)合研究中心預測認為：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，則電網中的一次能源也將主要來自可再生能源。
二，電網的結構和運行模式將發(fā)生重大變化?，F(xiàn)代電網存在結構不盡合理和交流電網的固有穩(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，將對電網帶來一系列新的嚴峻挑戰(zhàn)，這主要是由可再生能源具有不可調度性、波動性、分散性、發(fā)電方式多樣性和時空互補性等特點決定的?！敖Y構決定功能、模式決定成敗”，因此從改變電網結構和運行模式入手，是解決電網現(xiàn)有問題和應對未來挑戰(zhàn)的重要手段之一。（1）從結構上講，由于未來電力資源與負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性，因而保持和發(fā)展一個規(guī)模適當?shù)拇箅娋W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也將會大量出現(xiàn)，因此未來電網的結構將呈現(xiàn)大電網和微型電網并存的格局。其次，為了保障供電的可靠性，需要發(fā)展環(huán)形網絡。針對不同電壓等級，宜采用多層次的環(huán)狀結構網絡，并實現(xiàn)相鄰層次間和同層次不同區(qū)域環(huán)形電網間的互聯(lián)，以構造一個多層次網狀結構的網絡。（2）在運行模式上，需要發(fā)展直流電網模式或交直流混合電網模式。這是因為，直流輸電網不存在交流輸電網固有的穩(wěn)定問題，因此，采用直流輸電網，將從根本上解決交流電網所固有的穩(wěn)定性問題。從配電網和微電網層面來講，未來的直流負荷將占相當高的比重且分布式電源（如光伏發(fā)電或儲能）也將以直流為運行模式。與此同時，還需要采用“分層分區(qū)運行、總體協(xié)調互動”的模式，以充分實現(xiàn)廣域范圍內各種資源的優(yōu)化互補利用和區(qū)域電網間互為備用和支撐。電網結構和模式的改變將帶來大量的科技創(chuàng)新機遇，值得關注。
三，新材料技術將在電網中得到廣泛的應用。在電網的結構和模式確立以后，電網的運行性能在很大程度上就取決于電氣設備了，而電氣設備是由各種材料按照特定的結構制造而成的，材料的特性在很大程度上直接決定了電氣設備的性能。過去100多年來，對電網發(fā)展影響的創(chuàng)新來自新材料技術—電力電子器件的發(fā)明及其在電網中的應用，而像氧化鋅避雷器、六氟化硫斷路器、碳纖維復合芯導線等技術發(fā)明，其根本創(chuàng)新之處在于新材料的應用。展望未來，隨著新材料技術的不斷發(fā)展，新材料技術將在電網中得到廣泛的應用。（1）首先，高壓大功率電力電子器件（如寬禁帶半導體器件等）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，將使得電網像計算網絡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看成是一個“能源計算網絡”，各種電力資源通過“能源計算網絡”有機組織、聯(lián)系和控制起來，從而為用戶提供可靠的電力。因此，這個“能源計算網絡”也可以稱之為“云電力網絡”，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、電介質材料、高強度材料、質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)實并進入千家萬戶，從而優(yōu)化電網的運行、簡化電網的結構和控制，并對電源波動和電網故障作出響應。電力儲能系統(tǒng)就如同計算網絡中的信息儲存系統(tǒng)一樣，對于未來電網是必要的。（3）高性能的超導材料在電網中的應用，將大大降低電氣設備的損耗、重量和體積，并可提高電氣設備的極限容量和靈活性，超導限流器還可以有效地限制故障電流并保護其他電氣設備和整個電網的穩(wěn)定性。正因為如此，美國能源部甚至將超導技術視為“21世紀電力工業(yè)僅此的高技術儲備”。（4）其他新材料，如納米復合材料、場（包括電場和磁場）控和溫控的非線性介質材料、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中得到廣泛的應用。
四，物理電網將與信息系統(tǒng)高度融合。如果把電網比喻成為一個人的話，那么物理電網就是人的骨骼、肉體和器官，而電網信息系統(tǒng)則提供相當于人的感覺能力、分析能力和決策能力。當前的電網，不僅在物理層是不完善的，而且其信息系統(tǒng)的建設與未來需求還有很大的差距。有關該方面的內容，也就是國際上近些年談得很多的所謂“智能電網”的概念，本文不宜做過多的重復。但是，需要說明的是，在現(xiàn)有電氣設備的基礎上，僅僅依靠提升電網的信息化程度，遠遠解決不了未來電網所面臨的問題。改變電網的結構和運行模式、提升電氣設備的性能和采用新型功能的電氣設備，對于解決未來電網的問題同樣重要甚至是更為根本性的。另外，需要強調的是，能夠從創(chuàng)新材料入手發(fā)展具有自適應功能的電力設備和保護設備，就可以顯著降低電網對于傳感、通訊和數(shù)據處理的技術要求，這對于提高電網的穩(wěn)定可靠性和綜合效益是非常有益的。因此，切忌認為將信息技術用于電網就是未來電網發(fā)展的所有。
作者簡介：
肖立業(yè)，中國科學院電工研究所所長，應用超導重點實驗室主任。長期從事高溫超導體在強電方面的應用研究，在高溫超導磁體技術、高溫超導電力科學技術和高溫超導物理方面做了大量的研究工作。