未来电网初探

肖立业，林良真

(1.中国科学院应用超导重点实验室，北京 100190;2.中国科学院电工研究所，北京 100190）

未来电网初探

肖立业1，2，林良真1，2

(1.中国科学院应用超导重点实验室，北京 100190;2.中国科学院电工研究所，北京 100190）

由于化石能源的日益枯竭和节能减排的迫切需求，人类逐渐认识到必须发展以可再生能源为主的清洁能源系统。由于可再生能源的主要利用方式是发电，且可再生能源资源及其发电方式与化石能源资源及发电方式具有很大的不同，因此，可再生能源的广泛应用将对电力生产、输配和消费模式等产生深刻的影响。有鉴于此，对未来电网的探索就显得非常重要。本文重点就未来电网的结构、运行模式及所涉及的关键技术体系进行了初步的探索，并就我国发展适应于可再生能源需求的未来电网的有关问题提出了几点建议，供参考和商讨。

可再生能源;直流电网;分布式电网;电动汽车充电站;超导输电;能源资源的互补性;虚拟发电厂;云电力

1 前言

随着化石能源的日益枯竭以及日益增长的环境压力等因素的驱动，人类已经认识到必须大力发展以可再生能源［1］，并逐步实现可再生能源替代化石能源的重大变革。可再生能源的主要利用方式是发电，近些年来，全球可再生能源发电得到了飞速的发展。例如，我国2009年新增风电装机已经达到了13.8GW［2］，生产的光伏电池达到4GW(占全球的约40%）;2009年，欧盟国家新增的电力装机中，可再生能源发电装机已经达到了62%以上，超过了传统能源发电的新增装机。欧盟联合研究中心估计［3］:到2020年，欧盟可再生能源的份额将达到能源需求量的20%以上，也就是说，届时成员国总发电量的35%～40%将来自可再生能源;世界观察研究所的报告认为［2］:到2050年，中国可再生能源将达到总能源需求的40% ～45%。因此，可以预见，在不远的将来，一次能源以可再生能源为主、终端能源以电力为主的能源格局将变成现实。

能源结构的这一重大变革，将对未来电网带来革命性的影响，主要体现在以下几个方面［4］:第一，由于未来终端能源将以电力为主，因此促使未来发电量增长的原因不仅仅限于经济增长因素，更主要的还因能源结构的重大变化。可以预见，发电量将比当前有数量级上的增长。同时，由于可再生能源资源和负荷资源分布不匹配的格局仍将存在(例如，人烟稀少的地区往往有更多的太阳能和风能），这就决定了远距离输送和大电网互联在相当长时间内仍将存在。更为重要的是，以交流为骨干的互联电网的规模越大，则电力系统运行条件越苛刻，不可预知性和安全稳定性问题越突出［5］。由此可见，随着能源结构的重大调整，如何安全可靠地运行和管理这样一个规模比现有电网大得多的未来电网，将成为一个重大挑战。第二，由于可再生能源资源具有间歇性和不稳定性的特点，其发电功率也将出现间歇性和不稳定性。此外，光伏发电系统不具有传统水轮机组或汽轮机组的机械惯性，风力发电机组的单机容量及惯性与传统发电机组相比也有很大的差别且发电方式也不相同。因此，在满足这些新型电源规模化接入的约束条件下，如何保障电网的实时动态功率平衡和稳定性，并实现电力的高效调度，就成为未来电网面临的另一重大挑战。第三，由于可再生能源具有分散性的特点，靠近负荷侧就地利用的分布式发电也将是一种重要的方式。这不仅意味着电力用户也将同时可能是电力供应方，而且也意味着未来电网将出现大电网与分布式电网平行发展的格局。因此，如何有效地实现大电网与分布式电网的良性互动，并实现分布式电力资源和集中发电资源的优化利用，将是未来电网面临的新的挑战。第四，随着可再生能源逐步替代化石能源，目前以化石能源为基础的能源消费系统特别是燃油交通系统(如汽车、轨道交通用机车等）将采用电力，这意味着，大量的移动负荷(即电气化机车）和在大范围之内广泛分布的用于电动汽车的电池将成为电网中的主要负荷之一，这就使得未来电网的负荷特性将与目前电网有很大的不同。因此，如何适应负荷特性的这一重要变化也将是十分重要的课题。第五，未来电网的一次能源具有多样性(如水电、风电、光电、生物质发电、海洋能发电等），其时空分布和电源动态特性也具有多样性。因此，如何实现这些不同发电系统的良性互动，以达到各种资源的综合优化利用，也将是未来电网需要解决的重要课题。

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。如何从改变电网的结构和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。本文就这个问题进行了初步的思考，供参考和商榷。

2 未来电网各种电力资源的互补性

在我们探索未来电网的结构和运行模式前，分析一下未来电网各种电力资源的互补性是非常有益的，因为如果仅仅考虑某一可再生能源发电站，像风能、太阳能、海洋能等可再生能源这样的发电站，则其发电功率是不稳定的、无规律的、间歇的、难以按照我们的需要来进行调控的，也就是说，这种能源似乎是难以驾驭和控制的。然而，如果将大量的多种电力资源“打包”在一起，则资源的互补性可以使得“电力包”成为相对稳定和可控的资源。

未来电网各种电力资源的互补性主要体现在以下几个方面:

2.1 时间上的互补性

一些资源只在某一时段可获得，而另外一些资源则在另一些时段显得更加充足或在另一些时段根据需求被利用起来。例如，太阳能只能在白天利用，而晚上的风力和波浪能显得更加强劲;夏季的水电资源更加充沛，而冬季的太阳能和风力资源更加丰富。由于时差的原因，东西部地区的太阳能就具有时间上的互补性。水电资源具有一定的可控性，可以通过调节水电站的发电功率和库容量来实现对太阳能或风能的补偿作用。例如，在24小时之内，可在风能和太阳能等充足的时候，适当减少水电功率并增加库容量，而在太阳能和风能减少的时候，适当增加水电功率。生物质能相对于其它可再生能源而言，具有更好的时间上的互补性，因为生物质能是一种可以大量储存的能源资源，只要任何时候缺少来自太阳能和风能的电力，均可以启动生物质能发电来予以补充。

我国水电资源的理论储量为6.88亿千瓦，技术上可以开发利用的水电资源总量达到5.4亿千瓦，经济上可开发量达到4亿千瓦［6］(相当于2010年发电总装机的40%），目前已开发的水电总装机超过了2亿千瓦，仍有很大的开发潜力。2010年，我国可以利用的各种生物质资源相当于3亿吨标准煤，据估计，到2050年，可利用的生物质能将达到10亿吨标准煤［7］，按照年满发5500小时计算的话，就可以发电约5亿千瓦，如果只作为旋转备用的话，可以安装的生物质发电装机将大大高于5亿千瓦。据严陆光院士等研究报告的预测［1］，到2050年，我国的总发电装机将达到24亿千瓦。即使2050年我国太阳能发电与风力发电的装机分别达到5亿千瓦和4亿千瓦，水电和生物质能在时间上可以与太阳能和风能等形成很好的互补，实际上可以起到大容量储能系统的作用。

2.2 空间上的互补性

所谓空间上的互补性，是指在同一时刻不同地点的能源资源具有互补性。在可再生能源中，风能是最不稳定的能源。德国的有关研究表明:对单个风电场的24小时预测误差达到15%，单个控制区(400×400km）的误差则为7.5% ～10%，而全德国(650×800km）的误差仅为为5% ～6.5%，这说明范围越大则资源互补性越强［8］。美国特拉华大学和纽约石溪大学最近发表了有关不同地点风力的研究数据［9］，美国东部沿海跨度达2500公里的11个气象站近5年的风力统计数据表明:尽管每一个观测点的风力出现很大的不稳定性，但如果利用输电线路将建立在这11个地点的风电场全部连起来作为一个统一的风电场，则很少会出现低功率或者满发的情况，与单个风电场相比，11个风电场的总功率变化会显得比较缓慢，而且永远不会出现没有风电的情况。由此可见，如果将大范围内的风电场联成一个统一的整体，其发电功率具有显著的互补性。

尽管本文作者还没有得到有关波浪能或太阳能的有关数据，但可以推测:波浪能与太阳能同样具有空间上的互补性。波浪能与风能在某种程度上是相似的，且单位体积的水具有比空气大得多的惯性，因此波浪能的间歇性和不稳定性的程度较风能低，不同区域的波浪能之间的互补利用，会进一步降低其间歇性与不稳定性。与风能和波浪能相比，太阳能就显得要稳定得多，除了天气的影响外，其变化是确定性的，广域范围内不同地点的太阳能因天气造成的影响也具有互补性，即很少会出现同时没有太阳或者到处都是阳光灿烂的情景。

2.3 不同发电方式之间的互补性

不同的可再生能源发电方式，其输出响应特性也不尽相同，这在形式上也可以表现为互补性。例如，光伏发电功率受光强度的变化而实时变化，而对于太阳能热发电来说，则由于热力系统的惯性时间常数较大，其发电功率不仅不会随光照强度变化而实时变化，而且可以通过短时调节换热功率而调节其输出功率，因为热力系统可以储存部分热量。同样，对于风力发电来说，不同类型风力发电机的启动风速不尽相同。例如，MW级风机的启动风速约为3～4米/秒，而在大于25米/秒的风速下会自动闭锁，小型风机的启动风速相对较低且可以在更高风速下运行。此外，不同高度下，单位面积的有效风功率也不同［10］。因此，如果在同一风电场采用不同类型的风机并实施统一协调控制，则可以使整个风电场的功率输出变得更加平滑一些。

2.4 电动汽车充电系统的调节作用

电动汽车的动力电池是未来电网中主要的负荷之一，事实上，这种负荷也同样可以看成是电源资源。因为，我们可以在风能或太阳能比较充足的时候提高充电速度，而在它们相对少的时候降低充电速度甚至向电网回馈部分电力，则充电系统可以起到平滑电网电源功率的作用。这里，我们认为换电池模式是未来电动汽车充电的主要模式，因此电动汽车电池充电系统可以根据电网的实际情况变化来充电。

据估计，我国现有汽车保有量约8500万辆，到2020年，我国汽车保有量将达到1.5亿辆。如果按照2050年我国汽车保有量达到4亿辆计算，其中一半是电动汽车(即2亿辆）。假设平均每辆汽车的电池充电一次可以使用4天，则每天有大约5000万辆汽车需要充电。由于太阳能和风能的年有效利用小时数约为2000小时，则可折合为日平均有效利用时间为5.5小时。以每组动力电池的额定充电功率为15千瓦计算，并考虑到其充电速度可以根据太阳能或风能的变化而调节充电速度，以平均充电功率为10千瓦计算(即大约从5千瓦～15千瓦范围内调节），则5.5小时内可以充电约55度(相当于充满一次可行驶约275公里）。由此可以看出，太阳能和风能的日平均有效利用小时数大致相当于一组电动汽车动力电池的平均充电时间，而每组充电系统可以响应太阳能与风能变化的功率可以达到10千瓦，即全国的电动汽车充电设施可以用于电网功率调节的总功率可以达到5亿千瓦。考虑大范围内可再生能源电站之间本身已经具有的互补作用，则5亿千瓦的功率具有相当大的调节作用。

综上所述，虽然太阳能、风能和波浪能等可再生能源具有间歇性和不稳定性的特点，但是如果充分利用这些资源在时空上和发电方式上的互补性并利用水电、生物质发电和电动汽车充电系统的调节作用(即将各种资源有机“打包”在一起），那么即使不安装大量的储能系统，也可以使电源变得比较平滑稳定和可控，从而向用户输出满足要求的电力。

3 未来电网的结构和运行模式

那么，以可再生能源发电为主的未来电网，各种资源如何有机“打包”在一起呢?如何实现超大规模的电力输送?如何有效保障电网的安全稳定性及供电可靠性?要回答这些问题，就必须首先从电网的结构和运行模式上进行探索。

3.1 未来输电网的结构

未来电网主要包括输电网、城市配电网和底层用户的分布式电网。由于输电网在未来电网中仍将占主导地位，因此本文重点讨论未来输电网的结构。

电网发展初期，发电机组的容量都比较小，电力需求量也比较小，因此电网的结构基本上是从电厂到受电端(在这里，我们将一个负荷中心或一个供电区域称为一个受电端）的点对点的输电模式(简称P-C模式）。后来，随着发电机组和发电厂的容量不断扩大，于是便有了从电厂到多个受电端的点对多点的输电模式(简称P-MC模式）。随着电力需求量不断增大，人们对供电可靠性的要求越来越高，只依赖一个电厂的电力供应已经无法满足受电端的需求了，于是便出现了多电源向一个受电端输电的多点对一点的输电模式(简称MP-C模式）。由于供电可靠性、电网互联和运营管理等多方面的需要，电网结构变得日益复杂，也出现了多电源通过枢纽变电站向多个受电端供电的模式(即多点对多点的模式，简称MP-MC模式）。从电网结构上来讲，目前的电网基本上可以分解为 P-C、P-MC、MP-C、MP-MC的有机组合，但是MP-MC模式还不是当前输电网中的主导模式，且MP中各个P之间的协调性和互补性并不明显，现有电网中的MP还不能完全看成一个有机融合的“电力包”。表1列出了目前电网的四种基本输电模式。

如果未来输电网要向受电端提供稳定可靠的电力的话，那么将MP-MC模式上升为主导模式似乎就是必然的选择了。理由如下:第一，无论采用P-C模式还是P-MC模式，都很难向受电端提供稳定可靠的电力供应。因为单个发电厂很难以提供足够容量的电力，且其发电功率是不稳定的，所以如果要采用P-C或P-MC模式的话，则必须建设大功率大容量的储能系统。大功率大容量的储能系统，不仅造价十分高昂、转换效率低，而且技术上仍不成熟(抽水储能除外，不过在很多太阳能和风能丰富的地区或负荷中心，要建设大量的抽水储能是十分困难甚至是不可能的）。第二，采用MP-C模式，如果合理安排电源的结构，虽然可能能够向受电端提供比较稳定可靠的电力，但是，这样的模式实际上是把现有的互联电网分解为多个独立的电网，因而难以发挥大范围内资源优化配置、互联电网的经济性和可靠性等综合优势。特别是考虑到未来能源资源的多样性，以及这些资源的时空分布与负荷的时空分布之间的不匹配性，MP-C模式难以成为主导模式。

表1 现有电网的四种基本输电模式Tab.1 Basic transmission modes of existing power grid

图1 未来输电网的基本结构模式Fig.1 Basic structure pattern of future power grid

基于以上认识，作者认为，未来输电网的基本结构采用图1所示的模式具有现实性和优越性。首先，应该充分利用区域内部多个集中式发电厂(光伏发电、热发电、风力发电、海洋能发电等）之间的互补性，并采用各个电厂之间的统一协调控制技术，将这些发电厂用“超级母线”(简称 SBB，可以用超导输电来实现）连接起来，从而将这些发电厂整体“打包”成一个“大型虚拟发电厂”(简称 LVPP）。例如，我们可以在新疆、甘肃、蒙西、蒙东、东北、沿海等地区依托各种资源和多种发电方式，通过不同的组合建设多个LVPP，组合的目的是要使LVPP的功率输出比起单个电厂来说变得更加平滑、可预测和在一定程度上可控制。接着，我们就可以利用高压输电从SBB向多个受电端输送电力了。第二，这里的受电端是指一个负荷中心(如环渤海区、长三角区等）或一个供电区(如湖南省或华中地区、重庆市或川渝地区等），受电端可以接受来自多个LVPP的电力。多个LVPP连接在受电端的环形母线(RBB）上，由于位于不同地区的多个LVPP之间也具有良好的资源互补性，因而受电端通过环形母线就可以获得相对稳定可靠的电力。在受电端的环形母线上，还可以因地制宜地接入生物质发电、核电和电动汽车充电设施对电源进行调控。因此，受电端内部的各个用户就可以从环形母线上获得十分稳定可靠的电力了。第三，在各个LVPP的超级母线之间以及各个受电端的环形母线之间可以增加联络线并安装双向功率交换控制装置(DPEC），这样，不仅各个受电端上的电源也有效地互联起来，而且与多个LVPP一道连接成为“广域超级虚拟发电厂”(WASVPP）［4］，WASVPP可以在广域范围内充分利用各种资源的时空互补性。通过以上输电网结构模式，用户不再像目前这样从一个或几个中心电厂获取电力，而是从 WASVPP产生的“云电力”(Cloud Powering，简称CP）中获取电力，就像是信息网中的用户从互联网中获取云计算资源一样。因此，即使某几条线路因故障被切除，也不会发生大面积停电事故。第四，通过LVPP的超级母线或受电端环形母线，还可以接入跨国电网，从而利用更大范围内的资源互补性来平衡系统的功率，并实现能源的国际贸易。

以上所提出的只是未来输电网的基本结构模式，具体的输电网结构，可在该基本结构模式的基础上，结合电源和负荷的分布并通过适当的优化来合理确定。

3.2 未来电网的运行模式—以直流输配电为主的模式

3.2.1 未来输配网—需要直流运行模式

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。

3.2.2 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。

3.2.3 分布式电网—直流模式具有显著优势

对待敷衍搪塞的采访对象，不妨大小合适地扣一扣帽子，一市党报，总不至于该拿热脸去贴谁的冷屁股。刚干记者那会迟恒吃过顾虑拘谨的亏，灰溜溜地回部里告诉主任，主任不悦，打电话给市某局长，有反映你们局“五创提质”太弄虚作假，你们是不是来报社说一下情况。他起身吩咐迟恒守着，人来了就说我在楼上有事，让他等。局长来了，也能耐着性子等。这课上得生动活泼，迟恒受益匪浅，后来在采访调查几个单位的问题时，有单位领导出面遮掩，很客气地说某事要向迟记者汇报，迟恒就整个儿悟出他这个迟记者完全可以无级胜有级，练了段时间，胆儿粗了，脾气长了，现在基本上能随需要调整态度。

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“云电力”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。

4 关键技术体系

应对未来电网的结构的重大变革，实现从交流为主的运行模式向直流为主的模式转变，需要一系列关键技术作为支撑。主要包括以下内容:

1）高性能电力电子器件与关键装备:新型高压大功率电力电子器件、直流柔性输配电装备、电力电子开关、DC-DC电力电子变压器、双向功率交换控制装备等;

2）高压直流线路关键装备:包括高压直流断路器、高压直流限流器;

3）超导输电技术［11］:用于构造超级母线、受电端环网和LVPP联络线等，主要包括高温超导材料、低温技术、制冷技术、直流超导输电电缆、超导限流装置等;

4）传感器与传感器网络:气象传感器、电力传感器、无线传感器网络;

5）广域海量数据同步传输:广域气象数据同步传输、大电网海量数据同步传输;

6）广域可再生能源资源实时监测与超短期预测预报技术:超短期气象预报技术、超短期资源预测与评估等;

7）大电网的实时仿真技术:用于大电网的网络计算技术和云计算技术、大电网建模技术;

8）全电网协调调度与控制技术:输电线路潮流控制、电动汽车充电站响应、用户需求响应、储能系统响应、发电厂响应等;

9）虚拟发电厂技术:大型风电场的统一协调控制技术、区域多能互补的大型虚拟发电厂技术、广域超级虚拟发电厂技术、基于分布式电网的虚拟发电厂技术等;

10）电动汽车动力电池技术:锂离子电池技术、燃料电池技术、集中式充电站技术等;

11）分布式电网技术:网络设计技术、能量管理与并网控制技术、故障定位与自愈技术、分布式储能技术如超级电容器、飞轮储能、电池储能等。

5 我国发展未来电网的几点建议

由于我国具有地域广阔、可再生能源资源丰富、不同地区的主导能源资源各不相同、能源资源与负荷资源的时空分布不匹配等特点，因而要结合实际情况，发展与我国未来能源体系相适应的未来电网。针对我国的具体情况，提出以下几点建议:

1）全面系统地把握未来能源资源和负荷资源的时空分布:对我国可利用的能源资源做进一步的系统评估，全面系统地掌握资源的时空分布情况，并加强对未来负荷发展需求及负荷时空分布演化的预测研究。

2）基于以上研究，对我国从现代电网向未来电网演化的全过程做出系统性的评估与预测。在此基础上，加强电网发展总体规划设计研究并制定工程实施路线图。

3）加强关键技术的创新，为未来电网的发展奠定坚实的基础。特别是要重视直流输配电技术与装备、现代信息技术、新材料技术(如超导）、新的电力电子器件及装备、高性能电动汽车动力电池与分布式储能技术、分布式电网技术等的研究开发与应用示范。

4）加强体制机制的创新研究:未来电网结构和运行模式的变革，同时意味电力工业体制机制的变革。为适应这一变革，需要在管理模式、运营模式和利益机制等方面做出改革。

6 总结

一次能源以可再生能源为主、终端能源以电力为主的新能源变革，需要发展与之相适应的未来电网。基于未来能源资源的特点、交流电网的稳定性问题以及未来用户对直流供电需求的发展态势，我们认为未来应该发展以直流为主的输配电网和分布式电网。为了解决可再生能源间歇性和不稳定性等对能源供应带来的问题，应充分利用广域范围内各种能源资源的互补性，通过MP-MC(多电源对多受电端）为主的输电模式，采用双向功率交换控制装置(DPEC），构建涵盖广域范围内的“超级虚拟发电厂”(WASVPP），使用户从 WASVPP产生的“云电力”(Cloud Powering）中来获取稳定可靠的电力供应。建议我国根据国情，做好能源资源和负荷资源的时空分布调查与评估，加强未来电网的顶层设计、演化过程与实施路线图研究，并在关键技术创新与体制机制创新方面提前做好铺垫，为迎接未来能源和电网的重大变革奠定扎实的基础。

致谢:本文在写作过程中，得到了同事李耀华研究员、许洪华研究员、齐智平研究员和研究生刘怡、徐铭铭的热心帮助，在此向他们表示衷心的感谢和崇高的敬意!

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［11］陈中，肖立业，王海风 (Chen Zhong，Xiao Liye，Wang Haifeng）.超导电力技术在未来智能电网应用研究(Study of applications based on superconducting power technology in smart grid）［J］.电工电能新技术 (Adv.Tech.of Elec.Eng.＆ Energy），2010，29(1）:49-53.

Investigations on architecture and operation pattern of future power grid

XIAO Liye，LIN Liang-zhen
(Key Laboratory of Applied Superconductivity，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China;Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

The new energy revolution，of which the primary energy will be based on renewable energy and the terminal energy will be based on electric power，will need to develop a corresponding future power grid.Based on the characteristics of future energy resources，the stability requirements of the power grid，and the future demand of power consumers for the DC power supply，a DC-based power grid which includes transmission system，distribution system and distributed network should be developed.In order to solve energy supply problems caused by the intermittent and non-stability from the renewable energy，one should make full use of the complementarities of future energy resources distributed in the wide area through the MP-MC transmission mode(Multiple Powers to Multiple Consumers），building a“wide-area super virtual power plants”(WASVPP）which covers all the major power plants in a wide range，and allowing the consumers get stable and reliable supply of electricity from the“Cloud Powering”created by WASVPP.

renewable energy;DC power grid;distributed power grid;charging station for electric vehicles;superconducting power transmission cable;complementarities of the energy resources;virtual power plant;cloud powering

TM7

A

1003-3076(2011）01-0056-08

2010-12-01

肖立业 (1966-），男，湖南籍，所长，研究员，博士，研究方向为电工理论与新技术;

林良真 (1935-），男，浙江籍，研究员，研究方向为电工理论与新技术。