恒電談未來(lái)電能系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

1 導(dǎo)讀

為了應(yīng)對(duì)21世紀(jì)以來(lái)氣候變化、環(huán)境和能源等問(wèn)題的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，電能系統(tǒng)正在有針對(duì)性地發(fā)展相關(guān)的技術(shù)。隨著這些技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，電能系統(tǒng)逐步展現(xiàn)了新的發(fā)展趨勢(shì)。電力電子技術(shù)作為對(duì)電能進(jìn)行控制和變換的先進(jìn)技術(shù)，其發(fā)展方向離不開電能系統(tǒng)的新發(fā)展趨勢(shì)，或者說(shuō)電能系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)必然對(duì)電力電子技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)。恒電首先討論電能系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，然后分析電能系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)電力電子技術(shù)提出的挑戰(zhàn)，并討論應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的思路。

2 電能系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

2.1 更多的將可再生能源轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苁褂?/span>

對(duì)碳排放引起的氣候變化問(wèn)題的重視使得人類社會(huì)必須在今后有限的時(shí)間內(nèi)盡快做好兩方面的工作。一方面，為了有效控制人類社會(huì)的能量消耗總量進(jìn)而控制和減少消耗中產(chǎn)生的溫室氣體和污染物質(zhì)，人類社會(huì)使用的能源中必須越來(lái)越多的提高電能所占的比例。當(dāng)然，電氣化所帶來(lái)的裝置和設(shè)備整體性能的顯著提升也是這方面發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力。美國(guó)能源部預(yù)計(jì)未來(lái)20至30年內(nèi)，美國(guó)所使用的能源中電能所占的比例將從目前的40%提升至80%左右。另一方面，從電能的來(lái)源來(lái)看，必須減少對(duì)碳排量較高而儲(chǔ)量有限的化石能源的依賴，大幅度增加低排放而可再生能源所占的比例。美國(guó)計(jì)劃在20至30年內(nèi)將能量來(lái)源中可再生能源和核能所占的比例由目前的20%左右提升至80%左右。

2.2更多的采用基于微網(wǎng)形式的分布式電能系統(tǒng)

更多地采用基于微網(wǎng)形式的分布式電能系統(tǒng)的理由在于兩個(gè)方面：一是目前風(fēng)能、太陽(yáng)能作為可再生能源的兩種主要形式，其資源分部具有廣泛而分散的特點(diǎn)，若采用可再生能源作為電能的主要來(lái)源，分布式發(fā)電在電能生產(chǎn)中所占比例必然會(huì)越來(lái)越大；二是采用基于微網(wǎng)形式的分布式電能系統(tǒng)，實(shí)際上是實(shí)現(xiàn)了能量來(lái)源的多元化和本地化，必將顯著提升電能系統(tǒng)的供電可靠性，并大幅度減少電能在遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)程中的損耗，這一點(diǎn)更為重要。此外，隨著近年來(lái)各種便攜式設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和無(wú)人機(jī)、移動(dòng)機(jī)器人等可移動(dòng)自動(dòng)裝置和機(jī)器的迅猛發(fā)展，各種可離網(wǎng)的、自供電的裝置、設(shè)備或車輛將越來(lái)越多，這些顯然也是基于“迷你”微網(wǎng)形式的分布式電能系統(tǒng)的典型例子。

2.3 更多的采用直流方式進(jìn)行輸配電

傳統(tǒng)上在遠(yuǎn)距離、大容量輸電領(lǐng)域直流輸電方式占有優(yōu)勢(shì)，未來(lái)還有兩大因素將會(huì)促使電能越來(lái)越多地以直流方式輸送和分配，

一是在電能系統(tǒng)的“源”和“流”兩端，即電能的生產(chǎn)和使用兩個(gè)環(huán)節(jié)，越來(lái)越多地采用直流方式。在電能的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電、燃料電池發(fā)電、可充電電池發(fā)電等越來(lái)越多的應(yīng)用，更多的電能將以直流方式生產(chǎn)。在電能的使用環(huán)節(jié)，隨著信息技術(shù)和商業(yè)活動(dòng)、日常家居生活電子化的飛速發(fā)展，電子裝置和設(shè)備占總用電量的比例越來(lái)越大，而電子電路最終也是使用直流電能的。既然源和流這兩段都越來(lái)越多地采用直流方式，輸送和分配環(huán)節(jié)采用直流方式而省去交直流轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)也就成為效率更高、成本更低的合理選擇。二是在電能的輸送和分配環(huán)節(jié)，在水下輸送和地下輸送等不能采用架空線而只能采用電纜的場(chǎng)合，直流輸送不受電纜寄生電容影響的優(yōu)勢(shì)就顯現(xiàn)出來(lái)，特別是在海上電能輸送和大城市電能配送這些典型應(yīng)用場(chǎng)合。

2.4 電能系統(tǒng)越來(lái)越電子化

所謂的電能系統(tǒng)的“電子化”就是采用電力電子變換器，也稱為“電力的電子化”。在電能的產(chǎn)生、輸送、分配和使用的各個(gè)環(huán)節(jié)，必將越來(lái)越多地采用電力電子變換器。電能系統(tǒng)電子化的趨勢(shì)自用電端，據(jù)估計(jì)目前在發(fā)達(dá)國(guó)家用電設(shè)備通過(guò)電力電子變換器使用電能已占了多數(shù)比例，而這個(gè)比例還將會(huì)繼續(xù)發(fā)展。而這個(gè)電子化的趨勢(shì)近年來(lái)逐漸穩(wěn)固地向發(fā)電端以及書店和配電環(huán)節(jié)滲透。新能源發(fā)電、柔性輸電、定制配電，都是以電力電子變換器為核心技術(shù)和裝置的。其根本原因，就是隨著近年來(lái)電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電力電子變換器已可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電能極其精準(zhǔn)而快速的控制，從而提供所需的幾乎是任何波形的電壓或電流，是得用電和發(fā)電設(shè)備、輸配電系統(tǒng)以及整個(gè)電能系統(tǒng)的各方面性能和效率得到全面和顯著的提升。