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阅读次数: 日期:2015-07-04 09:38

阅历了100多年的开展,电网的范围和构造形状发作了很大的变革,即从最后的局域小规模电网发展到地区中等范围电网,进而发展到明天的跨区互联大电网。现在,电网曾经为人类供给了约莫四分之一的终端能源,成为当代能源系统的重要组成部门,电力在终端能源消费结构中的比例曾经成为一个国度兴旺水平的标记之一。

将来电网将显现以下主要发展趋势:第一,将成为电网中的次要一次能源滥觞。第二,电网的构造和运转模式将发作严重变革。第三,新材料手艺将在电网中获得普遍地使用。第四,物理电网将与信息系统高度交融。

广义的电网是发电装备、和用电装备接纳必然的构造和运转模式构建起来的统一团体。因而,自从有了发电机及其响应的供电系统,便有了电网。1882年,爱迪生公司在纽约建成世界上第一座正规的直流电站和响应的供电系统,能够以为是人类首个真正意义上的电网。但是,因为其时不能为直流电升压,输电间隔和输电容量遭到极大的限定,因而,特斯拉于1887年发清楚明了交换发电机和多相交换输电手艺。1897年,美国西屋公司在尼亚加拉水电站的首台交换发电机投入运转并为35千米外的水牛城供电,今后建立了当代电网的根底。

阅历了100多年的开展,电网的根本形状没有根本性的变革,即电网以铜、铝等为根本导电质料、以传统电力设备为根底、以可调理能源(如化石能源、水力和核能等)作为电力的次要一次能源滥觞、以交换为运转模式的根本形状。但是,电网的范围和构造形状发作了很大的变革,即从最后的局域小规模电网发展到地区中等范围电网,进而发展到明天的跨区互联大电网。比方,2012年,我国发电总装机容量曾经靠近12亿千瓦,年总发电量靠近5万亿度,我国电网曾经根本构成了“西电东送、南北互供、全国联网”的整体格式,曾经笼盖了天下大部分地区,成为世界最大的电网之一。现在,电网曾经为人类供给了约莫四分之一的终端能源,成为当代能源系统的重要组成部门,电力在终端能源消费结构中的比例曾经成为一个国度兴旺水平的标记之一。

展望未来,我们以为,将来电网将显现以下主要发展趋势:

第一,可再生能源将成为电网中的次要一次能源滥觞。人类曾经认识到化石能源是不成连续的能源,有必要大力发展可再生能源来替换之。这是由于:(1)核能在本世纪中叶前难以成为主导能源。核裂变能的质料也属于有限资本,且其操纵存在安全风险,核废料处置也比力庞大。因为核裂变能的操纵还涉及到国际安全情况,当前的核裂变能手艺出口是遭到国际有关公约严格控制的。虽然核聚变能可满意人类持久开展需求,但其使用远景尚不开阔爽朗,ITER(国际热核聚变堆)方案到本世纪中叶才气建成首个树模电站。(2)可再生能源是可持续发展的绿色能源,且可开采量充足人类利用。据统计阐发,地球上领受的太阳能是人类今朝能源需求总量的10000倍。地球上的风能总量也到达了今朝人类能源需求总量的5倍,假如再算上水力资本、生物质能源、地热能、陆地能,则可再生能源的总量更大。因而可知,可再生能源发展潜力宏大。(3)可再生能源今朝曾经获得很大的开展。跟着手艺不竭前进,可再生能源发电的单位成本呈逐年降落趋向。按照欧洲、美国和日本等发达国家和地域的估计,到2020年,光伏发电基本上能够实现平价上彀。(4)国际曾经有共鸣以为,可再生能源此后仍旧会快速开展,且将逐步成为主导能源。比方,2012年,国际能源署(IEA)公布的《2012年世界能源瞻望》,对2035年前的全球能源趋向作出了猜测:到2015年,可再生能源将成为全球第二大电力滥觞,并在2035年靠近第一大电力滥觞——煤炭的发电量。欧共体结合研究中心猜测以为:到2050年可再生能源将占总能源需求的52%。因为可再生能源的次要操纵方法是发电,因而,假如将来人类利用的能源将次要来自可再生能源,则电网中的一次能源也将次要来自可再生能源。

第二,电网的构造和运转模式将发作严重变革。当代电网存在构造不尽合理和交换电网的固有安全稳定性等成绩,亟待处理。跟着可再生能源愈来愈多地接入电网,将对电网带来一系列新的严重应战,这次要是由可再生能源具有不成调理性、波动性、分散性、发电方法多样性和时空互补性等特性决议的。“构造决议功用、模式决议成败”,因而从改动电网构造和运转模式动手,是处理电网现有成绩和应对将来应战的主要手腕之一。(1)从构造上讲,因为将来电力资本与负荷资本的地理分布不婚配,以及可再生能源在广域范畴具有优良的时空互补性,因此连结和开展一个范围恰当的大电网是十分必要的。同时,因为可再生能源具有分散性,当场操纵资本的分布式发电和面向终端用户的微型电网也将会大量呈现,因而将来电网的构造将显现大电网和微型电网并存的格式。其次,为了保障供电的安全可靠性,需求开展环形网络。针对差别电压品级,宜接纳多层次的环状构造网络,并实现相邻条理间和同条理差别地区环形电网间的互联,以机关一个多层次网状结构的网络。(2)在运转模式上,需求开展直流电网模式或交直流混淆电网模式。这是由于,直流输电网不存在交换输电网固有的不变成绩,因而,接纳直流输电网,将从根本上处理交换电网所固有的安全稳定性成绩。从配电网和微电网层面来说,将来的直流负荷将占相称高的比重且分布式电源(如光伏发电或储能)也将以直流为运转模式。与此同时,还需求接纳“分层分区运转、整体和谐互动”的模式,以充实实现广域范围内各类资本的优化互补操纵和地区电网间互为备用和支持。电网构造和模式的改动将带来大量的立异机缘,值得存眷。

第三,新材料手艺将在电网中获得普遍的使用。在电网的构造和模式建立当前,电网的运转机能在很大程度上就取决于电气设备了,而电气设备是由各类质料根据特定的构造制造而成的,质料的特性在很大程度上间接决议了电气设备的机能。已往100多年来,对电网开展影响最大的立异来自新材料手艺—电力电子器件的创造及其在电网中的使用,而像氧化锌避雷器、六氟化硫断路器、碳纤维复合芯导线等手艺创造,其底子立异之处在于新质料的使用。展望未来,跟着新材料手艺的不断发展,新材料手艺将在电网中获得普遍的使用。(1)起首,高压大功率电力电子器件(如宽禁带半导体器件等)和配备将会使得对高压大功率电力的变更和掌握,好像集成电路对信息的处置(实际上也就是对高压小电流的电能的变更和掌握)一样灵敏高效。因为将来电网中的大量可再生能源电力是变化多端的,而电力用户对电力的需求也具有多样性且也是随时变革的,因此对电力的变更和掌握的目标就是将变化多端的电源酿成能满意用户需求的电力。从这个意义上讲,电力电子器件和配备的普遍利用,将使得电网像计较网络处置和分派信息资源一样来处置和分派电力,因此能够把将来电网算作是一个“能源计较网络”,各类电力资本经由过程“能源计较网络”有机构造、联络和掌握起来,从而为用户供给可靠的电力。因而,这个“能源计较网络”也能够称之为“云电力网络”,而用户从“云”中获得可靠的电力。(2)新型高机能的电极质料、储能质料、电介质质料、高强度质料、质子交流膜和储氢质料等的创造和利用,将使得高效低成本电力储能体系成为理想并进入千家万户,从而优化电网的运转、简化电网的构造和掌握,并对电源颠簸和电网毛病作出呼应。电力储能体系就好像计较网络中的信息贮存体系一样,关于将来电网是须要的。(3)高机能的超导质料在电网中的使用,将大大低落电气设备的消耗、重量和体积,并可进步电气设备的极限容量和灵活性,超导限流器还能够有效地限定毛病电流并庇护其他电气设备和全部电网的安全稳定性。正由于云云,美国能源部以至将超导手艺视为“21世纪电力工业唯一的高技术储蓄”。(4)其他新材料,如纳米复合材料、场(包罗电场和磁场)控和温控的非线性介质质料、低残压压敏电阻质料、新型绝缘材料、绝缘体—金属相变质料、新型铁磁质料、用于高效低能耗的电力传感器质料(如巨磁阻质料、压电晶体、热电质料等)都将能够在将来电网中获得普遍的使用。

第四,物理电网将与信息系统高度交融假如把电网比方成为一个人的话,那么物理电网就是人的骨骼、精神和器官,而电网信息系统则供给相当于人的觉得才能、阐发才能和决议计划才能。当前的电网,不只在物理层是不完善的,并且其信息系统的建立与将来需求另有很大的差异。有关该方面的内容,也就是国际上近年谈得许多的所谓智能电网的观点,本文不宜做过多的反复。可是,需求阐明的是,在现有电气设备的基础上,仅仅依托提拔电网的信息化水平,远远处理不了将来电网所面对的成绩。改动电网的构造和运转模式、提拔电气设备的机能和接纳新型功用的电气设备,关于处理将来电网的成绩一样主要以至是更加根本性的。另外,需求夸大的是,可以从立异质料动手开展具有自适应功用的电力设备和庇护装备,就能够明显低落电网关于传感、通信和数据处理的手艺要求,这关于进步电网的安全可靠性和综合效益长短常无益的。因而,切忌以为将信息技术用于电网就是将来电网开展的局部。(作者: 中科院电工所肖立业)

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