交直流之爭 直流電能“翻盤”

電能是生產(chǎn)生活必不可少的能源。最初人們以直流方式輸電，但是這種方式不能滿足當時供電的需要，為此科學(xué)家發(fā)明了交流發(fā)電、輸電的方法。隨著時間的推移和電力系統(tǒng)的變化，交流電自身的局限暴露出來，人們又再一次把目光轉(zhuǎn)向直流電。

近日，中科院發(fā)布了《科技發(fā)展新態(tài)勢與面向2020年的戰(zhàn)略選擇》研究報告，報告中提出未來5至10年電網(wǎng)可能實現(xiàn)從交流向直流的重大變革。這種變革有著什么樣的時代背景?兩種模式究竟孰優(yōu)孰劣?記者就此采訪了專家。

百年前愛迪生力挺直流電但交流電最終贏得市場

記者：李教授，據(jù)說早在100多年前的19世紀末，科學(xué)界就曾上演過一場“交直流之爭”?

李國杰：是的。1831年英國科學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并在電磁感應(yīng)的基礎(chǔ)上制出了第一臺發(fā)電機。英國科學(xué)家麥克斯韋則用數(shù)學(xué)方程將法拉第發(fā)現(xiàn)的電、磁關(guān)系準確表達出來。在麥克斯韋的成果上，德國科學(xué)家西門子發(fā)明了實用的交流發(fā)電機，而比利時工程師格拉姆發(fā)明了第一臺直流發(fā)電機。

不同的發(fā)電方式，為后來電能輸送的“交直流之爭”埋下了伏筆。圍繞“究竟應(yīng)該使用交流輸電還是直流輸電”這個問題，科學(xué)家們的態(tài)度劃分為截然不同的兩派：美國發(fā)明家愛迪生、英國物理學(xué)家開爾文都極力主張采用直流輸電;而美國發(fā)明家威斯汀豪斯和英國物理學(xué)家費朗蒂則主張采用交流輸電。

記者：為什么科學(xué)界會有這種旗幟鮮明的爭論?

李國杰：產(chǎn)生“交直流之爭”的最根本原因主要有兩方面。

首先，這是一場利益之爭。1882年愛迪生電氣照明公司在倫敦建立了第一座發(fā)電站，安裝了3臺愛迪生研制的“巨漢”號直流發(fā)電機。而且，該公司還生產(chǎn)直流發(fā)電機、直流電動機等直流發(fā)、用電設(shè)備。非常明顯，如果廣泛使用直流輸電方式，那么愛迪生的公司將會獲得市場及巨大的財富利潤。因此，愛迪生反對交流輸電。

其次，這還是一場學(xué)術(shù)之爭。直流發(fā)電機、直流電動機構(gòu)造相對簡單，直流電壓、電流、功率等電量也容易理解。而交流電是交變的電量，交流電壓、電流的瞬時值不是恒定的，由于愛迪生基本沒有接受過正規(guī)教育、缺乏理論知識，難以解決交流電涉及到的數(shù)學(xué)運算，阻礙了他對交流電的理解，所以他反對交流電。

記者：可是我們知道，最后在這場爭論中，依然是交流電勝出了，這其中有哪些必然的原因?

李國杰：雖然大發(fā)明家愛迪生力挺直流電，但是在技術(shù)不成熟的時代，直流電有著十分明顯的缺點，這最終造成了它的失利。

電工學(xué)知識告訴我們，輸電距離越遠則損耗越大、線路引起的電壓壓降也越大。1882年愛迪生在紐約珍珠街電站輸電線路全長只有1.5公里，這遠遠不能滿足實際的電力輸送需要。為了將電能送到更遠的地方，就需要升高電壓。由于當時發(fā)電機輸出電壓較低，直流輸電只有通過串聯(lián)發(fā)電機輸出電壓的方法將電壓升高，到了用電方也需要用串聯(lián)的方法使用，這些都構(gòu)成了直流發(fā)電系統(tǒng)可靠性大大降低。

而另一方面，1883年，法國科學(xué)家戈拉爾和英國科學(xué)家吉布斯發(fā)明了實用價值的變壓器。1885年，美國科學(xué)家威斯汀豪斯制成現(xiàn)代實用性能的變壓器。變壓器將交流電進行升壓、降壓變換。交流變壓器的發(fā)明，使得交流輸電電壓更高、輸送距離更遠，這使交流輸電徹底勝出，交流電隨后在全世界范圍內(nèi)被迅速推廣。

19世紀末，交流輸電地位的確立，成為電力系統(tǒng)大發(fā)展的起點。

百年間電力技術(shù)日新月異直流電優(yōu)勢越來越明顯

記者：在今天用電環(huán)境下，交直流都各自擁有什么樣的優(yōu)缺點呢?

李國杰：交流輸電優(yōu)點是無需整流、逆變轉(zhuǎn)換，工程簡單。但遠距離交流輸電可能引起系統(tǒng)振蕩，由于不能對交流系統(tǒng)故障進行快速隔離，交流電網(wǎng)局部故障可能引起大面積交流系統(tǒng)崩潰。另外，交流輸電還存在以下不足：海底電纜采取交流輸電時由于電容效應(yīng)需要進行無功補償;兩個不同頻率的交流電不能連接在一起;交流系統(tǒng)需要采取無功補償?shù)却胧┮蕴岣呦到y(tǒng)的穩(wěn)定性。

而直流輸電優(yōu)點則是直流輸電只需2根電纜，因此電纜成本省了1/3，對于500千伏輸電，超過 300公里用直流輸電更加經(jīng)濟。而且直流輸電還能有效地對電網(wǎng)故障進行隔離，防止故障擴散;2個不同頻率的交流系統(tǒng)可以通過背靠背直流相連接;采用直流電纜無需進行無功補償;同樣電壓等級，直流輸電能輸送更大功率，電纜損耗小。不過它的缺點是直流換流站(整流、逆變)故障將影響系統(tǒng)的運行，換流站造價高、占地面積大。

在我國電力系統(tǒng)處于交直流共同發(fā)展的階段，“西電東送、交直流混合運行”是目前我國電網(wǎng)的一大特點。

記者：時至今日，很多研究者認為，不遠的未來，直流電會東山再起，這是為什么呢?

李國杰：交流系統(tǒng)的日益發(fā)展與復(fù)雜化，使之不可避免地出現(xiàn)大面積停電的事故。如2003年北美大停電、2012年印度大停電等，對社會、經(jīng)濟等影響非常之大。而與之相對的，大功率電力電子技術(shù)的發(fā)展與成熟使得直流輸電受到青睞，遠距離大功率輸送促使直流輸電進一步發(fā)展。而且直流輸電系統(tǒng)還提高了電力系統(tǒng)抗故障的能力，可以避免出現(xiàn)電網(wǎng)崩潰的風(fēng)險。

新能源崛起也為直流電復(fù)興提供了新的機遇。比如，新的直流輸電技術(shù)——柔性直流輸電快速發(fā)展，這種技術(shù)特別適合海上風(fēng)電的傳輸。另外，太陽能光伏電池板輸出為直流電，發(fā)電模式的轉(zhuǎn)變，使得直接進行直流傳輸、無需交直流變換成為可能，因而提高了發(fā)輸電效率。此外，節(jié)能意識的加強，直流供電家用電器的開發(fā)和發(fā)展等，也使直流電再次回到與交流電競技的賽場上。

記者：這些原因都使我們看到，直流電未來有“翻盤”的機會。

李國杰：是的。隨著電力系統(tǒng)的迅速擴大，輸電功率和輸電距離的進一步增加，交流電遇到了一系列不可克服的技術(shù)上的障礙，大功率換流器(整流和逆流)的研制成功，為高壓直流輸電突破了技術(shù)上的障礙，因此直流輸電重新受到了人們的重視。1954年，從瑞典本土到果特蘭島，建立起了世界上第一條遠距離高壓直流輸電工程。目前世界各國已有上百個現(xiàn)代工業(yè)化直流輸電工程建成投運。

建智能電網(wǎng)向直流過渡未來電力或面臨重大變革

記者：通過剛才您的介紹，我們可以知道，從最初確定交流電的地位，到近期直流電聲勢漸起，左右人們最終選擇的其實就是電力技術(shù)的發(fā)展水平。那么目前世界范圍內(nèi)，實現(xiàn)從交流電為主向直流電為主的轉(zhuǎn)變，已經(jīng)有哪些技術(shù)基礎(chǔ)?

李國杰：近些年關(guān)于這方面的研究有很多，比如在大功率電力電子技術(shù)的日益成熟的基礎(chǔ)上，歐洲開啟的SuperSmartGrid 2050(超級智能電網(wǎng))計劃，以及美國能源部為使美國電力系統(tǒng)升級換代，制定的Grid 2030計劃中，都提出了以直流輸電網(wǎng)為骨干的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和輸電模式。美國電力科學(xué)院提出的Macro-Grid概念，其基本設(shè)想也是利用直流環(huán)形電網(wǎng)以解決資源的綜合利用問題和提高供電的安全可靠性。這些以直流電技術(shù)為基本的大型電網(wǎng)設(shè)計改造計劃的實施，無疑為直流電提供了很好的技術(shù)保障。

另外，國外一些企業(yè)，如ABB公司的高壓直流斷路器研發(fā)領(lǐng)域的突破性技術(shù)，以及我國正負800V特高壓直流輸電技術(shù)的成功投入使用，也為未來大規(guī)模使用直流電提供了可能。

記者：直流電代替交流電，對我們百姓生活將產(chǎn)生什么影響?對于大型工程將有什么樣的影響?

李國杰：這種變化將使供電可靠性更高，使老百姓的供電可靠性得到進一步保證。而對于大型工程，則將能提供更高質(zhì)量的電能。

記者：從經(jīng)濟角度講，使用交流電與直流電電價會有不同嗎?

李國杰：從成本上分析，剛才我們說過，由于直流輸電采用2根直流電纜，而交流輸電需要3根電纜，因此，直流輸電電纜成本低。雖然直流換流站成本高，但是對于500千伏高壓輸電，超過300公里采用直流輸電將更加經(jīng)濟，直流輸電損耗小，輸送功率更大，因此，使用遠距離直流輸電成本更低。不過，最終使用交流電與直流電電價是否不同，取決于電力市場的發(fā)展及相關(guān)政策的制定。

總之，目前直流輸電的核心技術(shù)還掌握在ABB、西門子等國外大公司手里，雖然我國的直流輸電技術(shù)國產(chǎn)化已有很多年，但與國外技術(shù)相比還有距離，今后仍需加大投入，完全掌握直流輸電核心技術(shù)，趕上并超過國際先進水平。