郑健超|未来电网是什么样子

        “未来的电网将更加可靠、对环境更加友好，更加有效、更加灵活和更加经济。”在第三届中国电力发展和技术创新院士论坛上，中国工程院院士郑健超向人们描述了未来电网的形态。他说，未来电网应该更加可靠，能够抵御各种自然灾害，防止人因失误的能力更强；它对环境更加友好，线路、变电站变得更紧凑，以大幅度降低占地需求，把电磁环境影响降低到公众可接受的程度；它将更加有效，即电力传输和转换效率、电网资源利用效率都将进一步提升；它将更加灵活，可让更多的可再生能源发电电源接入电网，可适应各种运行方式和用户多样化的需求；它将更加经济，造价低、经济上有竞争力。
        新型设备研发的方向取决于电网发展的趋势和需求。郑健超认为，随着特高压和智能电网加速建设，新一代电网的发展对电网设备的创新提出了重大需求，而新材料、新技术、新工艺、新器件的出现，为实现输配电设备的变革提 供了技术机遇。
        新一代电网设备与传统设备相比，技术性能有显著提升。“其工程应用将对电网的未来产生革命性的影响。”郑健超的介绍引起了人们极大的兴趣。
        可以装进手提箱的变压器
        变压器，是人们较为熟悉、能经常接触到的电网设备。目前，传统变压器靠机械的分级开关调压，不能连续快速调节电压，无法满足智能变电站的要求。由于结构和尺寸限制，传统变压器也无法安装在封闭电器之内。
        郑健超向大家展示了近年来的研究热点——固态变压器，又称智能万用变压器。它传输的功率密度比传统变压器大2个数量级，重量和尺寸却相应降低了2个数量级。郑院士对此作了一个形象的比喻，即可以实现“把笨重的传统配电变压器变成小巧的固态变压器装进手提箱”的目标。这为建设高度紧凑化、全封闭、电磁环境影响小的智能变电站创造了条件。
        除变压功能外，固态变压器还具有连续快速调压、变频、动态无功补偿、电能质量控制等功能，把原来多种设备的功能融合为一体。“这是未来智能电网最基础的设备。现在，大家对用交流还是直流有争议，如果以后采用了这样的设备，则由控制系统说了算，既可同步又可异步，这个问题就迎刃而解了。”郑院士指出，固态变压器将首先在配电网应用，包括高层楼宇供电、电力机车供电、电动车快速充电、风电光伏发电等间歇式电源直接接入最终用户等。这种设备以后还有可能进入输电网使用，将对同步/异步联网、系统稳定控制、大型风电站接入、动态无功控制产生重要影响。
        未来输电线路导体新选择
        从地球到月球架设一条“天梯”？这是郑健超在演讲中举的一个例子。未来输配电线路的研究目标之一，是采用超导材料或其他高电导率材料，降低输配电线路的能源损耗。碳纳米管导线就是其中一种材料。
         碳纳米管导线的抗拉强度比超高强度的钢材还高2个数量级，由碳纳米管组成的碳纤维理论强度为钢的100倍。直径1毫米的碳纤维足以承受20多吨的总重量。郑健超说，如果想从地球到月球架设一条“天梯”，即使用强度最高的钢材，其自重也会把导线拉断，而碳纳米管导线则可以胜任。此外，碳纳米管电导率可以做得比铜的电导率更高，而重量只是电阻相同的铜导线的1/6。因此，碳纳米管导线是未来输电线路导体的一种极好选择。在先进电池、储能设备的电极材料和各种电力、电子器件的接触材料等方面会有重大应用前景。
        电网建设推动科研创新与国产化进程
        郑健超表示，传统的电网设备，在工程应用上已有百年历史。而新材料、新技术、新器件的出现，为研发新一代电网设备创造了条件。电网建设的大规模发展，也为科研创新提供了更优良的土壤，加速了新一代电网设备的面世。
        比如，非超导故障电流限制器，郑健超介绍说，这种限制器在电网黑启动时如遇短路故障仍有限流功能，故障发生后1.0毫秒即进入限流状态，动作迅速可靠。通过特高压电网的建设实践，他们现在已设计出一种适用于超高压、特高压电网的自启动无源高速限流器，动作时间可压缩至60微秒，可靠性和响应时间均优于现有的超导限流器。
        “从220千伏到500千伏，再到现在的特高压，有很多技术创新问题在电压等级的跨越中得以解决。更重要的是加速了国产化的进程。”郑健超回忆起我国第一条500千伏葛洲坝—上海直流输电线路，设备、技术全部从国外引进。“如今，我们的交流特高压工程核心设备都是中国制造了。去年锦屏—苏南特高压直流工程投运，我们自主知识产权的换流阀研制成功而且应用性能非常好。”郑院士表示，国家电网公司花了很大的力气促进设备国产化，在建的几项特高压工程国产化程度更高，这对电网发展和科技创新来说都是大好事。