综上所述，能源结构的重大变革，将对未来电网带来一系列重大挑战。如何从改变电网的运行模式等方面入手，并解决未来电网发展中的关键技术问题，就成为一个值得深入研究和探讨的问题。在下面的内容中，我们从输电、配电和分布式电网三个层面，分别说明了直流模式的必要性。未来电网运行模式的改变，对于应对上述挑战具有重大作用。

未来输电网—需要直流运行模式

现代输电网是以交流为主的电网，稳定性问题十分突出。电力系统的稳定性是电源、电网和负荷的整体特性，造成电力系统稳定性问题的原因是多方面的，其中瞬态功率不平衡是极为重要的因素之一。随着现代输电网规模的不断扩大，事故引发大面积停电的威胁增加^[6]，大的扰动导致的大电网崩溃解列和大面积停电，对生活、生产和服务造成很大的损失，稳定性问题已经成为制约现代电力系统发展的瓶颈。未来输电网的容量和规模将进一步扩大，但是电源以可再生能源为主，而可再生能源特别是风能具有间歇性、不稳定性的特征，这就对以交流为主的大型电力系统带来巨大的挑战。因此，为了应对能源变革，未来输电网的主导运行模式也需要新的思路。

      众所周知，与交流输电相比，直流输电有多方面的优势，主要表现为：1、直流输电不存在交流输电固有的稳定问题，输送距离和功率也不受电力系统同步运行稳定性的限制；2、直流线路稳态运行时没有电容电流，没有电抗压降，沿线电压分布较平稳，线路本身无需无功补偿；3、直流输电线的功率和电流的调节控制比较容易并且迅速，可以实现各种调节和控制；4、当输送相同功率时，直流线路造价低，架空线路杆塔结构较简单，线路走廊窄，同绝缘水平的电缆可以运行于较高的电压；5、直流输电线路联系的交流系统不需要同步运行，因此可用以实现不同交流系统之间的非同步联系；6、此外，直流输电还具有网络损耗小、对通信干扰小等优点。所以，直流输电越来越得到了广泛的重视，并已经在电力系统中得到了多方面的应用。

      由于未来输电网输送的电力将大大高于现代电网，采用直流输电，不仅可以提高输送容量，而且可以免除因交流而造成的系统稳定性问题，从而有助于提高输电网的安全可靠性。随着高压大功率电力电子技术的不断进步、价格下降、可靠性提高，换流站可用率的提高，直流输电技术必将在未来电网中发挥更加重要的作用。当前，研制高压直流断路器、研究多端直流系统的运行特性和控制、发展多端直流系统，已经受到日益广泛的关注。因此，可以预见，采用直流输电构建以直流为主导的未来输电网，将是非常合理的选择。

未来配电网—需要直流供电模式

      当前，我国电网中的负荷结构比例大约为：电动机占65%、照明约15%、信息设备约10%、其它（主要是电化学、电镀电解和加热设备）约10%。这些负荷中，虽然信息设备、电化学、电镀电解、少量的电动机和照明需要直流供电，但因为目前的配电网是交流电网，往往采用整流的方法获得直流电源。

随着能源结构的重大调整以及信息技术、新材料技术等的不断发展，未来电网中的负荷对电源的需求也会发生很大的变化，对直流将提出越来越多的要求。首先，电动汽车将成为未来的主要负荷之一。如前所述，到2050年，我国电动汽车充电负荷将达到约5亿千瓦，而电动汽车充电负荷需要直流供电；第二，随着信息技术的不断发展和渗透，信息设备（如计算机与微处理器、通讯系统设备、智能终端、传感器与传感器网络等）将需要消耗更多的电力，信息设备也需要直流供电；第三，随着半导体照明技术的不断发展，可以预见，未来的照明系统将几乎全部采用LED照明，LED照明也是直流负载；第四，随着电力电子装置的价格越来越低，未来的电动机将会越来越多地由各种各样的电力电子变流器来驱动。目前，用于驱动电机的电力电子装置一般采用交-直-交的功率变换模式，即先将交流电变换成直流，再将直流电变换成频率和幅值可变的交流电驱动电机，从而获得更佳的驱动性能和更高的电机系统运行效率。可见，未来电网如采用直流供电，不但可以省去交流到直流的变换环节和装置，降低电机驱动系统的造价，而且还可以进一步提高电机驱动系统的整体效率。采用直流供电，电机系统的制动能量可以不经任何变换直接回馈到直流电网得到利用，从而可发挥更大的节电效益。此外，采用直流供电的电机系统，电机从直流电网吸收和回馈的只是有功功率，将不会象交流供电时会出现额外的无功功率等问题，从而可以进一步降低供电系统的网络损耗，提高供电效率。因此，电动机负载将来也将越来越多对直流供电提出需求。

由此可见，未来配电网中的直流负荷将占越来越大的比重。特别是，在办公区、住宅区和学校等非工业负荷区，直流负荷将占主导地位。负荷对电源需求的变化，使得发展直流配电技术将成为必然的要求。因此，未来配电网也将逐步向以直流为主的方向发展。

分布式电网—直流模式具有显著优势

可再生能源是一种分散资源，用户就地利用这种分散资源是未来能源体系的重要形式之一。因此，底层用户将不仅从电网中获取电力，也会自身生产电力来满足需求，在生产多于自身需求或电网有需求时，还可以向电网输出电力。由此可见，未来底层用户的电网将是其自身的配电网与分布式发电高度融合的分布式电网。由于非工业用户对电力的需求量相对较低，分布式电网在非工业用户中将具有更加广阔的应用前景。

在分布式电网中，太阳能光伏发电将得到最为普遍的应用，而光伏发电产生的电力为直流。同时，为了极大地提高供电可靠性和电力质量，采用分布式储能系统将是一种必然的选择，而大多数储能系统在储存电力时需要直流供电。考虑到未来配电网向直流为主方向发展的趋势，且非工业用户对直流需求所占比重将达到非常高的比例，因而分布式电网采用直流模式也具有显著的优势。

      综上所述，我们认为，未来的输配电网和分布式电网将逐步向以直流为主的运行模式方向发展。

【延伸阅读】

[1]. 肖立业，林良真（Xiao Liye and Lin Liangzhen），构建全国统一的新能源电网，推进我国智能电网建设（Construction of unified new-energy based power grid and promotion of China’s smart grid）, 电工电能新技术（Adv. Tech. of Electr. Eng. & Energy），2009, 28(4): 54-59

[2]. 肖立业，林良真（Xiao Liye and Lin Liangzhen），未来电网探索（Investigations on Future Power Grid），电工电能新技术（Adv. Tech. of Electr. Eng. & Energy），2011, 30(1):56-63

[3]. 肖立业，林良真，徐铭铭，戴少涛（Xiao Liye， Lin Liangzhen， Xu Mingming and Dai Shaotao），未来电网—多层次直流环形电网与“云电力”（Future power grid—Multiple-level DC loop grid and “Cloud Powering”），电工电能新技术（Adv. Tech. of Electr. Eng. & Energy），2011, 30(4):即将出版

【参考文献】

[ 1]       中国科学院国家科学图书馆（National Science Library, Chinese Academy of Sciences），科学研究动态监测快报：先进能源科技专辑（Science and Technology Dynamic Monitoring Express: Advanced Energy Science and Technology）[R]，2010.132 (22)

[ 2]       Re-Thinking 2050, A 100% Renewable Energy Vision for the European Union, European Renewable Energy Council, Published in April 2010.