恒電談未來電能系統(tǒng)發(fā)展趨勢

1 導讀

為了應對21世紀以來氣候變化、環(huán)境和能源等問題的嚴峻挑戰(zhàn)，電能系統(tǒng)正在有針對性地發(fā)展相關(guān)的技術(shù)。隨著這些技術(shù)的發(fā)展和進步，電能系統(tǒng)逐步展現(xiàn)了新的發(fā)展趨勢。電力電子技術(shù)作為對電能進行控制和變換的先進技術(shù)，其發(fā)展方向離不開電能系統(tǒng)的新發(fā)展趨勢，或者說電能系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢必然對電力電子技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)。恒電首先討論電能系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢，然后分析電能系統(tǒng)的發(fā)展趨勢對電力電子技術(shù)提出的挑戰(zhàn)，并討論應對這些挑戰(zhàn)的思路。

2 電能系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢

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

對碳排放引起的氣候變化問題的重視使得人類社會必須在今后有限的時間內(nèi)盡快做好兩方面的工作。一方面，為了有效控制人類社會的能量消耗總量進而控制和減少消耗中產(chǎn)生的溫室氣體和污染物質(zhì)，人類社會使用的能源中必須越來越多的提高電能所占的比例。當然，電氣化所帶來的裝置和設(shè)備整體性能的顯著提升也是這方面發(fā)展的重要驅(qū)動力。美國能源部預計未來20至30年內(nèi)，美國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，從電能的來源來看，必須減少對碳排量較高而儲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。美國計劃在20至30年內(nèi)將能量來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)的理由在于兩個方面：一是目前風能、太陽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，若采用可再生能源作為電能的主要來源，分布式發(fā)電在電能生產(chǎn)中所占比例必然會越來越大；二是采用基于微網(wǎng)形式的分布式電能系統(tǒng)，實際上是實現(xiàn)了能量來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距離傳輸過程中的損耗，這一點更為重要。此外，隨著近年來各種便攜式設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和無人機、移動機器人等可移動自動裝置和機器的迅猛發(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行輸配電

傳統(tǒng)上在遠距離、大容量輸電領(lǐng)域直流輸電方式占有優(yōu)勢，未來還有兩大因素將會促使電能越來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)和使用兩個環(huán)節(jié)，越來越多地采用直流方式。在電能的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，隨著太陽能光伏發(fā)電、燃料電池發(fā)電、可充電電池發(fā)電等越來越多的應用，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、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合，直流輸送不受電纜寄生電容影響的優(yōu)勢就顯現(xiàn)出來，特別是在海上電能輸送和大城市電能配送這些典型應用場合。

2.4 電能系統(tǒng)越來越電子化

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、分配和使用的各個環(huán)節(jié)，必將越來越多地采用電力電子變換器。電能系統(tǒng)電子化的趨勢自用電端，據(jù)估計目前在發(fā)達國家用電設(shè)備通過電力電子變換器使用電能已占了多數(shù)比例，而這個比例還將會繼續(xù)發(fā)展。而這個電子化的趨勢近年來逐漸穩(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，就是隨著近年來電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電力電子變換器已可以實現(xiàn)對電能極其精準而快速的控制，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)以及整個電能系統(tǒng)的各方面性能和效率得到全面和顯著的提升。