未来电网将实现从交流向直流的重大变革

整理撰稿人：中科院国家科学图书馆武汉分馆先进能源团队

张军（E-mail:zhangjun@mail.whlib.ac.cn）、陈伟、李桂菊

审稿专家：中科院电工所肖立业研究员

1 可再生能源发展对电网技术提出挑战

随着可再生能源发电技术的发展，以可再生能源为主、终端能源以电力为主的清洁能源系统格局将逐步形成。以2012年为例，全球可再生能源累计装机容量超过1470 GW（其中非水电可再生能源超过480 GW），同比增长8.5%，超过全球电力装机总量的26%，供应了全球21.7%的电量。太阳能发电装机容量突破100 GW大关，成为仅次于水电和风电的第三大可再生能源发电技术[1]。

可再生能源发电具有间歇性、波动性、分散性的特点，大量接入集中式的可再生能源电站和分布式可再生能源电力，对未来电网发展提出了挑战。

2 输电技术的演变和特点

1882年世界上建成的第一条输电线路是直流输电线路，但由于早期直流输电功率损失大、变压困难，很快被交流输电技术所取代。然而，随着远距离大容量输电线路不断增加以及广域大电网的形成，交流输电也遇到了技术瓶颈问题，如固有的系统同步性、输电稳定性较差、输电效率相对较低等。同时，交流大电网运行安全问题也日益突出。

另一方面，直流输电技术则随着高压换流技术及大功率电力电子器件的发展日益进步。20世纪50年代以来，高压直流输电技术（简称HVDC）开始崭露头角，该技术通过整流站将送端交流电能转换为直流电能，通过直流线路将直流功率输送到逆变站，再通过逆变站将直流电能转化交流电能送到受端交流系统的直流输电技术。其优点是：（1）高压直流输电系统架空线路只需正负两极导线，可实现大功率、低损耗、长远距离电力的直接输送；（2）可以实现交直流电力系统的并联输电或非同步联网，通过调节有功功率，有效抑制交流线路的功率振荡，提供交流的暂态、动态稳定性能；（3）通过改变送电端和受电端的运行方式，控制系统潮流的大小和方向，减少或避免大量过网潮流；（4）长距离输电时，直流电网建设投资低，增容方便，效益高。

3 全球高压直流输电技术的发展

目前世界上已建和在建的高压直流输电工程已达100多个[2]，对多端直流输电及直流电网技术的研究也日益深入。高压直流输电技术相关的重大突破也不断涌现。1997年ABB公司首次采用大功率绝缘栅双极型晶体管（IGBT）研制了电压源换流器，成功实现了可关断器件换流。这种直流输电技术具有无功有功可独立控制、无需滤波及无功补偿设备、可向无源负荷供电、潮流翻转时电压极性不改变等优势，更适于构建多端直流输电及直流电网。2010年西门子公司又成功研制出新型模块化多级IGBT换流器，将数百个微型换流器整合在一起，使容量等级提高到1000兆瓦以上。直流电网的另一项瓶颈技术是直流断路器。2012年，ABB宣布他们已经在此方面取得了突破性进展，研制成功320kV的直流断路器样机，为直流电网的建设打下了良好的基础。

近年来一些发达国家将电网现代化作为战略规划和研发部署的重点。2005年欧盟建立智能电网技术平台，此后陆续发布了《欧洲未来电网愿景与战略》（2006）[3]、《欧洲未来电网战略研究议程》（2007）[4]、《欧洲未来电网战略部署方案》（2010）[5]，又发布了《至2035年的智能电网战略研究议程》（2012）[6]。欧洲未来电网的设计中提出了超级电网（Super Grid）概念，拟通过高密度高压直流电网建设，将分散的各欧洲国家市场整合成欧洲通用电力市场，并试图在非洲北部沙漠地区建设大规模太阳能发电基地，通过高压直流线路引入欧洲。

德国作为高压直流电网技术的领头羊，2009年公布了《2020年能源政策路线图》，提出在2015年前投资60亿欧元对60000 km的国家电网进行智能升级改造，并新建850 km高压直流输电线路[7]。随着德国民用核电站将于2022年全部退役，德国拟建立贯穿全国交流电网的4条高压直流线路，将电力从风电资源丰富的北部地区输送至南部。

2003年美国能源部制定《电网2030》[8]和《国家输电技术路线图》[9]提出设想，采用超导技术、储能技术和直流输电技术的骨干电网构架，将美国电网建设成为由全国性骨干网、区域电网、地方配电网和分布式微型电网构成的综合性电网。

可以预计，随着可再生能源日益成规模地接入电网，未来电网将实现从交流运行模式向直流运行模式的转变。高压直流输电技术的发展，还将改变数据通信等对功率密度、可靠性、稳定性要求更高的相关领域的供电模式，从而对能源生产、输配和利用方式、电气行业的产业结构产生重大影响，并孕育一批高新技术产业。

4 中国对发展高压直流电网技术的重大需求

截至2011年底，全国并网可再生能源发电装机容量达到5159万千瓦，占总装机容量的4.89%；并网可再生能源发电量933.55亿千瓦时，约占总发电量的2%。其中以风能为主，并网风电约占并网可再生能源发电装机的87.33%；风电发电量约占并网可再生能源发电量的78.38%。

从长远看，我国的可再生能源发电具有大规模发展的资源基础，将在未来发挥主流甚至主导能源的作用。据统计，每年全国陆地接收的太阳辐射总量相当于24000亿吨标煤，我国离地10米高的风能资源总储量约为32.26亿千瓦，可开发利用风能储量约10亿千瓦。我国水能资源理论蕴藏量近7亿千瓦，占我国常规能源资源量的40%。

随着我国可再生能源基地建设步伐的日益加快和规模的迅速扩大，现有的交流电网越来越难以适应发展，传统的电力装备、电网结构和运行技术等在接纳超大规模可再生能源方面也越来越力不从心，对电网动态安全稳定性带来革命性挑战。为此，必须采用新技术、新装备和新电网结构来满足未来能源格局的深刻变化。

5 中国直流输电技术发展现状

我国高压直流电网技术发展起步较早。早在1990年8月就建成了葛洲坝—上海南桥±500千伏直流输电工程。这是我国第一个大型直流输电工程，其工程输送距离1054公里，额定输送容量120万千瓦。之后又陆续建设了三峡—常州、三峡—上海、三峡—广东±500千伏直流输电工程，直流线路全长2900余公里。

近年来以“建设强交强直的交直流互联电网架构”为指导思想，我国开始推动特高压直流输电工程建设。2010年7月向家坝—上海特高压直流输电示范工程成功投运，并正在推进锦屏—苏南、哈密—郑州、溪洛渡—金华等特高压直流输电工程建设。根据国家电网规划，拟构建华北—华东—华中1000kV交流主网架，与西北和东北送端电网通过直流异步相联，所需的区外来电分别通过特高压直流和特高压交流输入。山西、蒙西、陕北、宁夏、锡盟等大型煤电、风电和四川水电以及沿海核电通过特高压交流接入，西北、东北等地大型煤电、风电和西南大型水电通过特高压直流输电通道送入[10]。

《国家能源科技十二五发展规划》提出，“十二五”期间我国主要FACTS装置将实现国产化；研制成短路故障限流器、直流断路器、电力电子变压器、超导储能系统、超导直流输电等示范系统；VSC-HVDC直流换流器在100kV系统得到应用。

预计中国将在直流电网基础理论和多端直流输电技术方面取得突破，并在西北部可再生能源资源丰富地区建成区域直流电网，实现区域可再生能源的规模化应用，提高可再生能源的比例。

6 中国直流电网技术发展展望

发展直流电网来解决中国未来可再生能源规模接入电网的问题是紧迫的任务。我国要在直流电网的理论体系和关键技术等方面实现系统性整体突破，还需要解决一批关键科技问题：研究电网演化及未来直流电网的构造，建立直流电网的安全稳定性理论；发展新型高性能传感器及其网络、直流电网的建模与仿真技术、直流电网云计算和海计算技术、广域直流网通用信息平台的构造及信息安全技术；突破直流断路器及限流技术、广域直流网协调调度与优化运行控制、故障定位与网络重构、分布式电网及其接入、储能技术、超导电力技术等一批关键技术；研制新型电力电子器件、高压大功率电力电子装备、新型电工材料等。

中科院电工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，并启动了基于多种能源互补（含多种储能系统）的直流电网示范系统的建设，并建成了360米、万安培级的超导直流输电示范工程。

预计我国在2020年前，可建立与中国国情相适应的直流电网理论体系和技术体系以及标准体系，全面突破直流电网的关键技术，为今后中国新一代电网发展奠定坚实基础。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，直流电网科技的系统性突破，将为中国未来清洁能源体系的整体建立提供技术保障。

1 UNEP.全球可再生能源投资趋势2013.http://fs-unepcentre.org/publications/global-trends-renewable-energyinvestment-2013.

2 http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_HVDC_projects.

3 European SmartGrids Technology Platform.2006-04-01.Vision and Strategy for Europe’s Electricity Networks of the Future[R/OL].http://www.smartgrids.eu/documents/vision.pdf.

4 European SmartGrids Technology Platform.2007-12-01.Strategic ResearchAgenda for Europe’s Electricity Networks of the Future[R/OL].http://www.smartgrids.eu/documents/sra/sra_finalversion.pdf.

5 European SmartGrids Technology Platform.2010-12-26.Strategic Deployment Document for Europe’s Electricity Networks of the Future[R/OL].http://www.smartgrids.eu/documents/SmartGrids_SDD_FINAL_APRIL2010.pdf.

6 European Technology Platform SmartGrids.2012-03-08.SmartGrids Strategic ResearchAgenda(SRA)for RD&D needs towards2035[R/OL].http://www.smartgrids.eu/documents/20120308_sra2012.pdf.

7 Federal Ministry for the Environment,Nature Conservation and Nuclear Safety.2009-04-03.Energy Policy Road Map 2020[R/OL].

8 U.S.Department of Energy.2003-07-01.“Grid 2030”—ANational Vision for Electricity’s Second 100 Years[R/OL].

9 U.S.Department of Energy.2004-01-01.National Electric Delivery Technologies Roadmap:Transforming the Grid to Revolutionize Electric Power in North America[R/OL].

10 刘振亚，张启平.国家电网发展模式研究.中国电机工程学报，2013，33（7）.