电力系统的发展历程及未来变革

电力系统是一个集电能生产、电能传输、电能分配和电能使用于一体的电力网络。电力系统的发展目标是：在适当的地方，充分利用合适的原始能源生产电能，以满足用户的需要；以合理的方式将电能传输到用电中心；向用户分配优质充足的电能。

就发电而言，生产充足的电能以满足用户的要求，经济合理地利用一次能源，积极开发可再生能源，促进社会可持续发展；就输电而言，安全可靠经济地输送电能，满足大容量长距离输电的需要，保障电压质量；就配电而言，安全经济地向电力用户分配电能，加强电力需求侧管理，保障用户供电质量（包括电能质量和供电可靠性）。

围绕着上述目标，一个多世纪以来，电力系统经历了从直流系统到交流系统再到交直流混合系统的发展过程。电力系统的发展始终是沿着以科学技术进步为前提，以追求安全、经济、高效为目的道路前进的，“大机组、大电厂、大电网、高电压”成为了电力系统追求的目标。

交流电力系统具有统一的技术模式。大型水轮机或汽轮机驱动着发电机旋转，以产生交流电，通过高压输电网和中压配电网输送电力给用户，所有用电设备接入电网中，并从电网取得电能来做功。不管电力系统的规模有多大，所有设备均以相同的频率同步运行，整个系统运行起来类似一台巨大的机器。在运行过程中，用户不受约束，独立自主地操控着用电设备，而电力系统必须相应地快速做出响应，随时调整各发电机出力，以保障电能的供需平衡和良好的供电质量。

随着电网规模的扩大，输电容量越来越大，输电距离越来越长，这就要求输电电压越来越高。我国电网电压从建国初期的6kV，逐步提高到10kV、35kV、110kV、330kV、500kV、750kV，目前交流输电电压已经达到1000kV。一条750kV的交流输电线路可以输送数千兆瓦电力至数百公里之外。

超高压交流输电面临的压力也越来越大。电气设备的绝缘制造困难，输电线路走廊占地成本高，长距离输电系统运行稳定性和经济性受到挑战。此外，交流输电线路存在分布电感和对地分布电容，长距离输电线路上的电压升限制了诸如跨海输电这样的应用。两个不同步电网也无法通过交流输电来联网。

实际上，直流电是最先用于电力传输的电能形式，后来虽然让位于交流电，但关于直流输电的应用研究一直没有停止过。1954年，世界首个基于汞弧换流器的直流输电试验工程在瑞典建成投运。20世纪70年代初，开创了以晶闸管换流器为基础的高压直流输电。(www.xing528.com)

高压直流输电是建立在现代交流电力系统的基础之上的，它是对现代交流输电系统的补充和完善，直流输电线路的两端分别是两个独立的交流电力系统。由于高压直流输电的快速可控性，高压直流输电的发展在进一步扩大电网规模的同时，有利于提高电网的运行稳定性。

今天，电能仍然是最为舒适、方便、清洁和安全的能源。但是，电能生产所依赖的一次能源受到了严重挑战。首先，石化能源仍然是当今电力生产的主要来源，随着能源需求的增长，石化能源危机的阴影不散；其次，从环境污染的角度，燃煤发电排放的二氧化碳引起温室效应，燃油发电排放的硫化物和氮化物形成大气酸雨，核能发电的放射线安全问题和核废料处理问题尚未完全解决；第三，大电网的抗灾性问题日益突出，自然灾害使电网大面积崩溃，严重影响了人们的生产、生活和救灾进程。

1996年8月，一棵树的坍倒引发了逐步扩大的停电，使美国西部的9个州陷入一片黑暗^［1］；1996年12月，系统过载使印度北部两个省1.45亿的人口饱受停电之苦^［1］；1998年1月，加拿大魁北克南部连绵降雨，折断的树枝压断了线路，随着冰雪不断积压，输电铁塔也因不堪重负而倒塌，造成圣劳伦斯河沿岸地区大面积停电^［1］；2008年1月，出现在我国南方地区的罕见冰雪灾害给我国电网造成了有史以来最严重的破坏，冰雪灾害致使输电线路严重受损，导致多个省级电网大面积停电，多个县市的电力供应完全中断，仅湖南电网就有14条500kV、44条220kV和121条110kV线路停运^［2］，给数百万用户的生产和生活带来了极大的困难，国民经济损失严重。随着全球气候变暖和频发的自然灾害引发的巨大停电损失，人们在思考着如何应对。

电力系统已经开始变化。首先，表现在能源的种类和利用方式上，从偏远的大容量集中式发电向就地小规模分布式发电过渡，其前提是使用清洁能源（天然气、风力、太阳能、生物能源等）。直到20世纪80年代以前，人们普遍认为，发电站越大越好，但到了新世纪，这种观点受到质疑，以新能源为基础的小型电站越来越受到重视。其次，表现在电网的改造和建设上，利用高压直流输电技术提高输电容量和输电距离；利用柔性交流输电系统（FACTS）技术改造传统电网，提高电网输电能力和运行稳定性；利用定制电力（CP或DFACTS）技术，实现高效用电和高品质用电。第三，表现在电网层次结构的调整上，大用户或小区电网不再是单纯的用电设备的集合，将向以分布式电源为基础的含有发电、配电和用电环节的微电网发展。

微电网具有更强的抗灾性、更好的经济性和更高的环保性。微电网是一个开放式电力网络，通过与大电网的联网，既可保障微电网的供电可靠性，允许时还可将剩余电力输送到大电网中去。将来的系统将是一个以水电、火电和核电为支撑的大电网和以微型燃气轮机、风力发电、太阳能发电等分布式电源构成的含源微电网并存互补的时代。