电能是生产生活必不可少的能源。最初人们以直流方式输电,但是这种方式不能满足当时供电的需要,为此科学家发明了交流发电、输电的方法。随着时间的推移和电力系统的变化,交流电自身的局限暴露出来,人们又再一次把目光转向直流电。

近日,中科院发布了《科技发展新态势与面向2020年的战略选择》研究报告,报告中提出未来5至10年电网可能实现从交流向直流的重大变革。这种变革有着什么样的时代背景?两种模式究竟孰优孰劣?记者就此采访了专家。

百年前爱迪生力挺直流电但交流电最终赢得市场

记者:李教授,据说早在100多年前的19世纪末,科学界就曾上演过一场“交直流之争”?

李国杰:是的。1831年英国科学家法拉第发现了电磁感应现象,并在电磁感应的基础上制出了第一台发电机。英国科学家麦克斯韦则用数学方程将法拉第发现的电、磁关系准确表达出来。在麦克斯韦的成果上,德国科学家西门子发明了实用的交流发电机,而比利时工程师格拉姆发明了第一台直流发电机。

不同的发电方式,为后来电能输送的“交直流之争”埋下了伏笔。围绕“究竟应该使用交流输电还是直流输电”这个问题,科学家们的态度划分为截然不同的两派:美国发明家爱迪生、英国物理学家开尔文都极力主张采用直流输电;而美国发明家威斯汀豪斯和英国物理学家费朗蒂则主张采用交流输电。

记者:为什么科学界会有这种旗帜鲜明的争论?

李国杰:产生“交直流之争”的最根本原因主要有两方面。

首先,这是一场利益之争。1882年爱迪生电气照明公司在伦敦建立了第一座发电站,安装了3台爱迪生研制的“巨汉”号直流发电机。而且,该公司还生产直流发电机、直流电动机等直流发、用电设备。非常明显,如果广泛使用直流输电方式,那么爱迪生的公司将会获得市场及巨大的财富利润。因此,爱迪生反对交流输电。

其次,这还是一场学术之争。直流发电机、直流电动机构造相对简单,直流电压、电流、功率等电量也容易理解。而交流电是交变的电量,交流电压、电流的瞬时值不是恒定的,由于爱迪生基本没有接受过正规教育、缺乏理论知识,难以解决交流电涉及到的数学运算,阻碍了他对交流电的理解,所以他反对交流电。

记者:可是我们知道,最后在这场争论中,依然是交流电胜出了,这其中有哪些必然的原因?

李国杰:虽然大发明家爱迪生力挺直流电,但是在技术不成熟的时代,直流电有着十分明显的缺点,这最终造成了它的失利。

电工学知识告诉我们,输电距离越远则损耗越大、线路引起的电压压降也越大。1882年爱迪生在纽约珍珠街电站输电线路全长只有1.5公里,这远远不能满足实际的电力输送需要。为了将电能送到更远的地方,就需要升高电压。由于当时发电机输出电压较低,直流输电只有通过串联发电机输出电压的方法将电压升高,到了用电方也需要用串联的方法使用,这些都构成了直流发电系统可靠性大大降低。

而另一方面,1883年,法国科学家戈拉尔和英国科学家吉布斯发明了实用价值的变压器。1885年,美国科学家威斯汀豪斯制成现代实用性能的变压器。变压器将交流电进行升压、降压变换。交流变压器的发明,使得交流输电电压更高、输送距离更远,这使交流输电彻底胜出,交流电随后在全世界范围内被迅速推广。

19世纪末,交流输电地位的确立,成为电力系统大发展的起点。

百年间电力技术日新月异直流电优势越来越明显

记者:在今天用电环境下,交直流都各自拥有什么样的优缺点呢?

李国杰:交流输电优点是无需整流、逆变转换,工程简单。但远距离交流输电可能引起系统振荡,由于不能对交流系统故障进行快速隔离,交流电网局部故障可能引起大面积交流系统崩溃。另外,交流输电还存在以下不足:海底电缆采取交流输电时由于电容效应需要进行无功补偿;两个不同频率的交流电不能连接在一起;交流系统需要采取无功补偿等措施以提高系统的稳定性。

而直流输电优点则是直流输电只需2根电缆,因此电缆成本省了1/3,对于500千伏输电,超过300公里用直流输电更加经济。而且直流输电还能有效地对电网故障进行隔离,防止故障扩散;2个不同频率的交流系统可以通过背靠背直流相连接;采用直流电缆无需进行无功补偿;同样电压等级,直流输电能输送更大功率,电缆损耗小。不过它的缺点是直流换流站(整流、逆变)故障将影响系统的运行,换流站造价高、占地面积大。

在我国电力系统处于交直流共同发展的阶段,“西电东送、交直流混合运行”是目前我国电网的一大特点。

记者:时至今日,很多研究者认为,不远的未来,直流电会东山再起,这是为什么呢?

李国杰:交流系统的日益发展与复杂化,使之不可避免地出现大面积停电的事故。如2003年北美大停电、2012年印度大停电等,对社会、经济等影响非常之大。而与之相对的,大功率电力电子技术的发展与成熟使得直流输电受到青睐,远距离大功率输送促使直流输电进一步发展。而且直流输电系统还提高了电力系统抗故障的能力,可以避免出现电网崩溃的风险。

新能源崛起也为直流电复兴提供了新的机遇。比如,新的直流输电技术——柔性直流输电快速发展,这种技术特别适合海上风电的传输。另外,太阳能光伏电池板输出为直流电,发电模式的转变,使得直接进行直流传输、无需交直流变换成为可能,因而提高了发输电效率。此外,节能意识的加强,直流供电家用电器的开发和发展等,也使直流电再次回到与交流电竞技的赛场上。

记者:这些原因都使我们看到,直流电未来有“翻盘”的机会。

李国杰:是的。随着电力系统的迅速扩大,输电功率和输电距离的进一步增加,交流电遇到了一系列不可克服的技术上的障碍,大功率换流器(整流和逆流)的研制成功,为高压直流输电突破了技术上的障碍,因此直流输电重新受到了人们的重视。1954年,从瑞典本土到果特兰岛,建立起了世界上第一条远距离高压直流输电工程。目前世界各国已有上百个现代工业化直流输电工程建成投运。

建智能电网向直流过渡未来电力或面临重大变革

记者:通过刚才您的介绍,我们可以知道,从最初确定交流电的地位,到近期直流电声势渐起,左右人们最终选择的其实就是电力技术的发展水平。那么目前世界范围内,实现从交流电为主向直流电为主的转变,已经有哪些技术基础?

李国杰:近些年关于这方面的研究有很多,比如在大功率电力电子技术的日益成熟的基础上,欧洲开启的SuperSmartGrid 2050(超级智能电网)计划,以及美国能源部为使美国电力系统升级换代,制定的Grid 2030计划中,都提出了以直流输电网为骨干的网络结构和输电模式。美国电力科学院提出的Macro-Grid概念,其基本设想也是利用直流环形电网以解决资源的综合利用问题和提高供电的安全可靠性。这些以直流电技术为基本的大型电网设计改造计划的实施,无疑为直流电提供了很好的技术保障。

另外,国外一些企业,如ABB公司的高压直流断路器研发领域的突破性技术,以及我国正负800V特高压直流输电技术的成功投入使用,也为未来大规模使用直流电提供了可能。

记者:直流电代替交流电,对我们百姓生活将产生什么影响?对于大型工程将有什么样的影响?

李国杰:这种变化将使供电可靠性更高,使老百姓的供电可靠性得到进一步保证。而对于大型工程,则将能提供更高质量的电能。

记者:从经济角度讲,使用交流电与直流电电价会有不同吗?

李国杰:从成本上分析,刚才我们说过,由于直流输电采用2根直流电缆,而交流输电需要3根电缆,因此,直流输电电缆成本低。虽然直流换流站成本高,但是对于500千伏高压输电,超过300公里采用直流输电将更加经济,直流输电损耗小,输送功率更大,因此,使用远距离直流输电成本更低。不过,最终使用交流电与直流电电价是否不同,取决于电力市场的发展及相关政策的制定。

总之,目前直流输电的核心技术还掌握在ABB、西门子等国外大公司手里,虽然我国的直流输电技术国产化已有很多年,但与国外技术相比还有距离,今后仍需加大投入,完全掌握直流输电核心技术,赶上并超过国际先进水平。