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肖立业:混合电网还需等30年

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摘要:肖立业:混合电网还需等30年
随着新能源和高科技的兴起,直流电开始回归。如同一百年前爱迪生掀起的直流电之争一样,一场大讨论在全世界范围内被掀起,只是这次讨论的重点是直流电与交流电能否协同发展。

肖立业,中国科学院电工所所长,他和他的团队是为数不多的在国内专注研究直流电的专家团队之一。肖立业一直对直流电的前景充满了憧憬,他认为随着可再生能源的比重日益提高,输电网可能会出现交流网和直流网共存的局面,随着直流电网技术日趋成熟以及负载对直流供电需求的增加,最后电网可能逐渐演变成以直流为主导的模式。对此,肖立业所长接受了《能源》杂志记者的专访。

记者:随着新能源和高科技的兴起,直流电又重回人们的视野,您怎么看直流电的回归?

肖立业:现有交流大电网存在安全稳定性问题。具有间歇性和波动性特点的可再生能源大量接入电网后,电网的安全稳定性、输送能力的提升、双向功率流动与控制等都将面临更大的挑战。如果仍然以交流模式为主导,则电网的不可预知性和安全稳定性问题将会更加突出。

第一,由于可再生能源的主要利用方式是发电,未来电网的规模将比当前有成倍的增长,如果仍然以交流模式为主导,则电网的稳定性将受到威胁。第二,由于可再生能源具有间歇性和不稳定性的特点,且其发电模式(特别是太阳能光伏发电与风力发电等)与传统发电模式有根本性的不同,进而对交流电网的安全可靠运行带来重大挑战。第三,由于可再生能源具有分散性的特点,靠近负荷侧就地利用的分布式发电也将是一种重要的方式;这就是说,未来的电力用户也将是电力供应方,分布式发电采用什么样的运行模式与大电网并网运行,也将是未来电网面临的重要课题。第四,随着可再生能源逐步替代化石能源,目前以化石能源为基础的能源消费系统将采用电力(例如,电动汽车将采用电池),这就使得未来电网的负荷构成及负荷特性也与目前电网有很大的不同。

记者:就新能源而言,直流电的优势是什么?

肖立业:发展直流电网技术,将从根本上解决电网所面临的挑战。直流电网技术已经成为当今电网技术发展的重要方向和未来发展趋势,欧美国家已经制定计划采用直流电网解决海上风电的接入问题。

从输电网层面来讲,直流输电网不存在交流输电网固有的稳定问题,且当输送相同功率时,直流输电线路造价低;另外,直流输电还具有网络损耗小、对通信干扰小等众多优点。因此,采用直流输电网的模式,对于建设大规模的可再生能源电网是最为合理的选择。

从配电网层面来讲,未来配电网中的负荷对直流电源的需求将占相当大的比重,例如电动汽车、大量的信息设备(如计算机与微处理器、通讯系统设备、智能终端、传感器与传感器网络等)都将需要直流电源;而目前电网中最主要的负荷电动机,如果采用直流供电的话,不但可以降低电机驱动系统的造价,而且可以提高电机驱动系统的整体效率。

在分布式电网中,太阳能光伏发电将得到最为普遍的应用,而光伏发电产生的电力为直流。同时,分布式电网中的储能系统也需要直流运行模式。最近,国际上有关直流输配电技术都得到了很快的发展,并取得了可喜的进展。因此,构建以直流为主导运行模式的电网,不仅是合理的,而且从技术上也将是可行的。

记者:匹兹堡大学“电力与能源计划”的负责人提出,在20年内,我们的电力总负载的50%将是对直流电的消费。您怎么看未来直流电的发展?

肖立业:未来的输配电网和分布式电网将逐步向以直流为主的运行模式方向发展。随着信息技术、半导体照明技术、高效电机技术和电动汽车技术的应用发展,未来电力负载将需要越来越多的直流电力供应。这对当前的配电网也将带来新的挑战,发展直流配电网因此将成为可能的方向。

记者:您和您的团队在直流电领域取得了哪些进展?预计应用的前景如何?

肖立业:目前,电工所对未来电网从交流模式向直流模式过渡的可能性和合理性做了初步的分析研究,同时,就我国广域范围可再生能源资源的时空互补性做了调查分析研究。在此基础上,我们提出未来直流电网整合广域资源时空互补性所需要的合理网架结构的初步方案。同时,我们正在开展未来直流电网的关键技术研究,在超导直流输电技术方面,我们已经建成了360米、万安培级的超导直流输电示范工程,在分布式直流电网方面,我们已经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,该分布式直流电网不仅是一个示范系统,同时也将为模拟大型直流电网的动态特性提供实验平台。

记者:有一种预测称,从高压电线直接到底端用户的直流电传输的首次实现并不遥远,尤其是在那些正在兴建新的电力基础设施的发展中国家。并且推断中国在3-5年内就能实现这一目标。您怎么看这种观点?

肖立业:从技术上讲,简单地实现从高压电线直接到底端用户的直流电传输,并不是一件难事,而光是做到这一点也没有什么实际的意义。困难在于如何构造一个从输电、配电到用电的直流电网,从而为未来能源发展服务。

未来的配电我认为也是向直流方向发展,因为我们的硬件设备好,直流负荷占的比重会相当大。照明是直流电,电动汽车也是直流充电,加热、电镀、电解,都需要直流电。同时电动机都要把交流先变成直流,最后再变成电机所需要的交流。因此如果这个电网本身就是直流供电的话,那么电机就省了AC到DC的环节,所以电机的造价也降低了,运行效率也更高了。

记者:大规模推行直流电,从技术上和经济上分别看会遇到哪些阻力?

肖立业:从技术上讲,一方面,需要重点突破构造直流电网所需要的快速直流开断技术、多端直流输电用的高压大功率电力变换技术;另一方面,直流电网的理论基础(如安全稳定性理论、可靠运行定则、数学建模与仿真)也需要取得系统性的突破。从经济方面讲,完全替代交流系统需要更换接入电网的所有以交流运行的设备,因此需要付出巨大经济代价。因此从直流向交流过渡将是一个长期的过程。

记者:现在,在中国高压直流只是点对点连接,还没实现高压直流输电线路之间的互联,您认为何时能实现?有哪些困难?

肖立业:要实现高压直流输电线路间的互联,需要解决一系列科学技术问题。根据周孝信院士牵头召开的第436次香山科学会议,大家讨论认为:随着技术的发展,也许2030-2050年左右,我国会出现交流网和直流网相融合的混合电网模式。

我认为中国未来的直流电网的构造模式,就是构建一个全国统一的、多层次的直流环形电网。这个环形电网上面,可以把不同的电源和负载都接到上面,通过环形电网进行有机的整合和控制。不同区域的环网可以有机的通过输电线路连接起来,全国性的骨干网络可以再和国外相互联系,为构建跨国电网打下一个很好的基础。

记者:未来直流电和交流电的发展将面临怎样的格局?

肖立业:首先是直流电网局部发展,用以整合区域可再生能源以接入现有交流电网。随着可再生能源的比重日益提高,输电网可能会出现交流网和直流网共存的局面。随着直流电网技术日趋成熟以及负载对直流供电需求的增加,最后电网可能逐渐演变成以直流为主导的模式。
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