1.5 智能电网的未来——向直流运行模式回归
人类利用能源的历史将回归到可再生能源时代，同样，人类利用电能的历史也将回归到直流模式。
追溯历史，最初的输电方式是直流输电。1874年，在俄国彼得堡第一次实现了直流输电，当时输电电压仅100V。由于不能直接给直流电升压，输电距离受到极大的限制，不能满足输送容量增大和输电距离增加的要求。19世纪80年代末，人类发明了三相交流发电机和变压器。此后，交流输电普遍代替了直流输电，并确立了交流输电的主体地位，从而形成了今天普遍采用的交流电网。随着电力需求量的迅速增长以及大型发电机组的出现，电网的规模迅速扩大，输电功率和输电距离的进一步增加，交流输电遇到诸如交流电网的安全稳定性问题和交流远距离输送能力的限制问题。为了解决上述问题，直流输电又重新受到人们的重视。随着可再生能源的飞速发展，人们意识到直流输电在解决可再生能源远距离输送和整合区域可再生能源（如海上风电）以实现并网运行方面具有明显的优势。因此，直流输电在可再生能源利用中也开始得到应用。近些年来，国内外直流输电线路的建设得到较快的发展，但总体上讲，直流输送的电力最终还是要转化为交流，电网的运行模式仍然是交流模式，且这一模式在今后较长时间内仍然会保持不变。
长远来看，从改变电网的运行模式入手，即实现以交流为主的模式向以直流为主的模式的转变，可以为未来电网面临的问题提供更为简单合理的解决方案。
1）从输电网层面来讲，直流输电网不存在交流输电网固有的稳定性问题，因此，采用直流输电网，将从根本上解决交流电网所固有的安全稳定性问题。此外，直流输电还具有以下优势：①当输送相同功率时，直流输电线路造价比交流线路低，架空线路杆塔结构较简单，线路走廊窄，同等绝缘水平的电缆可以运行较高的电压；②输送容量大、输送距离远（可以达到2000km以上），且输送功率的大小和方向可以快速控制和调节，更容易实现双向潮流控制；③当直流输电的一个极发生故障时，另一个极仍然可以运行；④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；⑤直流输电还具有网络损耗小、对通信干扰小等优点。因此，采用直流输电网的模式，对于建设大规模的可再生能源电网是最为合理的选择。随着电力电子技术的不断进步，高压大功率器件价格下降、可靠性提高以及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。
2）从配电网层面来讲，随着能源结构的重大调整以及信息技术、新材料等不断发展，未来配电网中的负荷对直流电源的需求将占相当大的比重。例如电动汽车、半导体照明、大量的信息设备（如计算机与微处理器、通信系统设备、智能终端、传感器与传感器网络等）、电解电镀、海水淡化等都将需要直流电源；而目前电网中最主要的负荷——电动机，如果采用直流供电的话，不但可以降低电动机驱动系统的造价，而且可以提高电动机驱动系统的整体效率。这是因为，用于高效电动机的电力电子装置一般采用交-直-交的功率变换模式，即先将电网中的交流电变换成直流电，再将直流电变换成电动机所需要的交流电，从而获得更佳的驱动性能和更高的电动机系统运行效率。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，降低电动机驱动系统的造价，而且还可以进一步提高电动机驱动系统的整体效率。例如，家庭用的变频空调器、变频冰箱和变频洗衣机等，如果采用直流供电，则系统更为紧凑高效。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。
3）在分布式电网中，太阳能光伏发电将得到最为普遍的应用，而太阳能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，而储能系统在储存电力时需要直流供电。考虑到未来配电网以直流为主方向发展，且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具有显著的优势。
综上所述，未来的输配电网和分布式电网将具有向以直流为主的运行模式方向发展的趋势。
事实上，国内外都提出了直流电网建设的设想，欧美国家甚至已经开始了直流电网的建设计划。2003年，DOE发布的“Grid 2030”计划中，就提出了建设全国性直流骨干网的构想，如图1-8所示。该构想的基本思想是，通过国家骨干网将东西海岸、加拿大及墨西哥联系起来，主干网可用于在国家层面上进行电力供应与需求平衡，扩大电力供应范围，实现资源的优化配置，并通过利用全国范围内的季节性、区域气候多样性及需求侧管理等方式实现高效送电。2011年，美国电力科学院提出了Macro-Grid的概念，其基本设想是利用直流环形电网来解决各种资源的综合利用问题，并用于隔离不同地区的交流电网以提高供电的安全可靠性。2010年，美国开始实施一项计划，目标是在2020年左右将大西洋沿岸的海上风电场通过直流网络向用户提供电力供应。该直流网用水下电缆传输，总长约560km，可以为美国弗吉尼亚、纽约和新泽西州近190万个家庭提供电力。
图1-8 美国“Grid 2030”计划中的超导直流骨干网构想
2007年，欧洲提出了超级直流电网（DESERTEC）的设想（见图1-5）。该构想计划在撒哈拉沙漠建立覆盖面积达17000km2的太阳能热发电站、光伏电站及风电厂，其产生的电力通过高压直流输电网送往欧洲及非洲国家，该构想可为欧洲大陆提供15%的电力。2008年，欧盟提出了“北海地区国家海上风电计划”，如图1-9所示。该计划旨在采用直流网络创建可连接跨越欧洲北部海域的风电厂和其他可再生能源的综合海上能源网络，可将北海地区丰富的可再生能源，如苏格兰的风电站、德国的太阳能阵列、比利时和丹麦的波浪能发电站以及挪威的水电站等联系在一起。北海海上直流电网将成为未来欧洲“超级电网”的重要组成部分。
图1-9 北海地区国家海上风电计划中的直流电网结构
2009年，中国科学院电工研究所在我国首先提出了用直流“构建全国统一的新能源电网、推进我国智能电网建设”的总体构想。2010年以来，中国科学院电工研究所就未来建设直流电网的合理性，以及我国未来广域直流电网架构以及多层次直流电网的结构等开展了研究。图1-10是中国科学院电工研究所提出的我国广域直流电网的结构，其目的是通过这个网络整合全国范围内的可再生能源，利用其互补性向各负荷中心提供能满足需求的稳定电源。同时，该直流电网还可以与周边国家和地区的电网互联，以实现更大范围内的资源互补利用，更好地保障供电的可靠性。2011年，中国科学院电工研究所已经着手进行分布式直流电网技术的研究，并将在2015年前建成首个分布式直流电网示范系统。中国科学院电工研究所还开展了超导直流输电技术的研究，2012年已经建成世界首条并网示范的高温超导直流输电电缆，电缆长度达到360m，可以输送10kA的电流，这也是世界上输送电流最大的高温直流超导电缆。图1-11是该直流超导电缆的运行现场。
图1-10 我国未来广域直流电网结构设想
图1-11 360m/10kA高温直流超导电缆运行现场
2012年，香山科学会议第436次学术讨论会上，国内电气工程领域众多院士和学者对于未来电网发展趋势共同达成一致：“为适应未来接纳大规模可再生能源电力和各种电源大范围电能传输、互补的需求，多端直流输电和直流输电网技术将会得到发展”。2012年，周孝信院士等撰写的咨询报告认为，“对未来电网发展模式影响最大的三项先进的前瞻性技术是多端直流输电技术、超导输电技术和储能技术。多端直流输电技术和超导输电技术对远期输电网模式具有重大影响，是超高压、特高压交直流混合输电网模式的未来替代技术方案”。因此，发展直流电网技术在国内也已经达成一定程度的共识。
当前，欧洲和美国、日本等发达国家和地区已经就直流配电网的建设着手制定标准和建立示范工程。可以预见，随着可再生能源所占比例越来越高，直流电网将会得到越来越广泛的应用，电网最终将实现由交流模式为主导向直流模式为主导的方向转变。这一革命性转变，将催生大量的科技创新机遇和一大批战略性新兴产业，是智能电网未来发展中最值得关注的重要发展趋势。