恒电谈未来电能系统发展趋势

1 导读

为了应对21世纪以来气候变化、环境和能源等问题的严峻挑战，电能系统正在有针对性地发展相关的技术。随着这些技术的发展和进步，电能系统逐步展现了新的发展趋势。电力电子技术作为对电能进行控制和变换的先进技术，其发展方向离不开电能系统的新发展趋势，或者说电能系统的未来发展趋势必然对电力电子技术提出新的挑战。恒电首先讨论电能系统的未来发展趋势，然后分析电能系统的发展趋势对电力电子技术提出的挑战，并讨论应对这些挑战的思路。

2 电能系统未来发展趋势

2.1 更多的将可再生能源转变为电能使用

对碳排放引起的气候变化问题的重视使得人类社会必须在今后有限的时间内尽快做好两方面的工作。一方面，为了有效控制人类社会的能量消耗总量进而控制和减少消耗中产生的温室气体和污染物质，人类社会使用的能源中必须越来越多的提高电能所占的比例。当然，电气化所带来的装置和设备整体性能的显著提升也是这方面发展的重要驱动力。美国能源部预计未来20至30年内，美国所使用的能源中电能所占的比例将从目前的40%提升至80%左右。另一方面，从电能的来源来看，必须减少对碳排量较高而储量有限的化石能源的依赖，大幅度增加低排放而可再生能源所占的比例。美国计划在20至30年内将能量来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更多的采用基于微网形式的分布式电能系统

更多地采用基于微网形式的分布式电能系统的理由在于两个方面：一是目前风能、太阳能作为可再生能源的两种主要形式，其资源分部具有广泛而分散的特点，若采用可再生能源作为电能的主要来源，分布式发电在电能生产中所占比例必然会越来越大；二是采用基于微网形式的分布式电能系统，实际上是实现了能量来源的多元化和本地化，必将显著提升电能系统的供电可靠性，并大幅度减少电能在远距离传输过程中的损耗，这一点更为重要。此外，随着近年来各种便携式设备、物联网设备和无人机、移动机器人等可移动自动装置和机器的迅猛发展，各种可离网的、自供电的装置、设备或车辆将越来越多，这些显然也是基于“迷你”微网形式的分布式电能系统的典型例子。

2.3 更多的采用直流方式进行输配电

传统上在远距离、大容量输电领域直流输电方式占有优势，未来还有两大因素将会促使电能越来越多地以直流方式输送和分配，

一是在电能系统的“源”和“流”两端，即电能的生产和使用两个环节，越来越多地采用直流方式。在电能的生产环节，随着太阳能光伏发电、燃料电池发电、可充电电池发电等越来越多的应用，更多的电能将以直流方式生产。在电能的使用环节，随着信息技术和商业活动、日常家居生活电子化的飞速发展，电子装置和设备占总用电量的比例越来越大，而电子电路最终也是使用直流电能的。既然源和流这两段都越来越多地采用直流方式，输送和分配环节采用直流方式而省去交直流转换环节也就成为效率更高、成本更低的合理选择。二是在电能的输送和分配环节，在水下输送和地下输送等不能采用架空线而只能采用电缆的场合，直流输送不受电缆寄生电容影响的优势就显现出来，特别是在海上电能输送和大城市电能配送这些典型应用场合。

2.4 电能系统越来越电子化

所谓的电能系统的“电子化”就是采用电力电子变换器，也称为“电力的电子化”。在电能的产生、输送、分配和使用的各个环节，必将越来越多地采用电力电子变换器。电能系统电子化的趋势自用电端，据估计目前在发达国家用电设备通过电力电子变换器使用电能已占了多数比例，而这个比例还将会继续发展。而这个电子化的趋势近年来逐渐稳固地向发电端以及书店和配电环节渗透。新能源发电、柔性输电、定制配电，都是以电力电子变换器为核心技术和装置的。其根本原因，就是随着近年来电力电子技术的飞速发展，电力电子变换器已可以实现对电能极其精准而快速的控制，从而提供所需的几乎是任何波形的电压或电流，是得用电和发电设备、输配电系统以及整个电能系统的各方面性能和效率得到全面和显著的提升。