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直流電的發(fā)展 阮仕海 2012級(jí)軟件學(xué)院7班 學(xué)號(hào) 12330272 摘要 電是人類的一大發(fā)明，而直流電從其產(chǎn)生便遭受了很大的挫折，最終在交流電的背后沉默了一百多年。不過隨著21世紀(jì)能源危機(jī)的接近、新能源的發(fā)展以及高科技的興起，直流電相對(duì)交流電的優(yōu)勢(shì)變得越來越明顯，而直流電的發(fā)展也越來越吸引著人們的目光。一場被稱為“直流電復(fù)仇”的革命正在演繹，直流電發(fā)展前景一片光明，極有可能奪回曾經(jīng)失去的統(tǒng)治地位。當(dāng)然，直流電的發(fā)展的背后還必須攻克許多重要的技術(shù)難關(guān)。 關(guān)鍵詞 直流電；交流電；能源；變革；技術(shù)難關(guān)；應(yīng)用；前景 引言 毋庸置疑，在過去的一百多年里，交流電占據(jù)了絕對(duì)的統(tǒng)治地位，而造成這一現(xiàn)象的初衷，只是因?yàn)楫?dāng)時(shí)對(duì)直流電應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)發(fā)展跟不上，相對(duì)而言，交流電應(yīng)用則簡單得多了。但是，科技的發(fā)展日新月異，進(jìn)入21世紀(jì)，直流電方面的許多技術(shù)難關(guān)已經(jīng)攻克，技術(shù)日趨成熟，而且直流電本身就具備了許多交流電無可比擬的優(yōu)勢(shì)，再加之當(dāng)今人們對(duì)“節(jié)約資源，開發(fā)新能源”呼聲不斷，直流電便具備了天時(shí)、地利、人和的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，人類的關(guān)注焦點(diǎn)在轉(zhuǎn)移，直流電正在回歸。 1 直流電的過去和現(xiàn)狀 1.1 直流電的過去 在早期，工程師們主要致力于研究直流電，尤其到了18世紀(jì)，電的研究迅速發(fā)展起來。一百多年前，當(dāng)托馬斯?愛迪生發(fā)明電燈之后，直流電便是當(dāng)時(shí)最主要的傳輸方式。1889年的巴黎世博會(huì)選擇在晚上開幕，館內(nèi)館外共有一千多 1 個(gè)弧光燈大放異彩，使用電壓為60伏，亮度從幾百燭光到10000燭光不等，愛迪生公司詳盡演示了白熾燈生產(chǎn)的每個(gè)步驟和整個(gè)流程，從此電燈開始普及，電力產(chǎn)業(yè)開始起步，而且速度飛快。然而，在1893年的芝加哥世博會(huì)上，直流電一方是“世界發(fā)明大王”愛迪生和新組建的通用電氣公司，交流電一方是初露頭角的塞爾維亞移民科學(xué)家特斯拉和實(shí)力強(qiáng)大的威斯汀豪斯公司（即西屋電氣的前身），兩者競爭異常激烈，直流電也因此結(jié)束了一家獨(dú)大的歷史。 隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要，社會(huì)對(duì)電力的需求也急劇增大。由于用戶的電壓不能太高，因此要輸送一定的功率，就要加大電流（P=IU）。而電流愈大，輸電線路發(fā)熱就愈厲害，損失的功率就愈多，而且電流大，損失在輸電導(dǎo)線上的電壓也大，使用戶得到的電壓降低，離發(fā)電站愈遠(yuǎn)的用戶，得到的電壓也就愈低。為了減少輸電線路中電能的損失，只能提高電壓。在發(fā)電站將電壓升高，到用戶地區(qū)再把電壓降下來，這樣就能在低損耗的情況下，達(dá)到遠(yuǎn)距離送電的目的。而要改變電壓，只有采用交流輸電才行。直流輸電的弊端，限制了電力的應(yīng)用，促使人們探討用交流輸電的問題。 1903年，愛迪生為了能夠保住直流電作為全美配電標(biāo)準(zhǔn)的地位，甚至導(dǎo)演了一場電刑事件，即使用6600伏交流電，對(duì)一頭被認(rèn)為威脅人類的馬戲團(tuán)大象實(shí)施電刑處死，以此散步恐慌來證明交流電的危險(xiǎn)性。但事實(shí)證明了交流輸電的優(yōu)越性，愛迪生以失敗告終，曾經(jīng)風(fēng)靡一時(shí)的愛迪生通用電氣公司也被迫去掉了愛迪生的名字，改名為通用電氣公司。從此，交流電開始了長達(dá)百年的統(tǒng)治。 而總觀直流電衰落的原因，正如法克所說，“直流在一百多年前敗給交流就是由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件所限，一是遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)難點(diǎn)，二是當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體技術(shù)并未像目前一樣發(fā)展，三是直流的滅弧問題沒辦法解決?！?/p> 20世紀(jì)50
年代后，電力需 電網(wǎng)擴(kuò)大，交流輸電受到同步運(yùn)行穩(wěn)定性的限制，在一定條件下的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果表明，采用直流輸電更為合理，且比交流輸電有較好的經(jīng)濟(jì)效益和優(yōu)越的運(yùn)行特性，因而直流輸電重新受到人們的重視。 附：電的發(fā)展史上的重要事件 1729年，英國的格雷在研究琥珀的電效應(yīng)是否可傳遞給其他物體時(shí)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別：金屬可導(dǎo)電，絲綢不導(dǎo)電。 2 1733年，迪費(fèi)發(fā)現(xiàn)絕緣起來的金屬也可摩擦起電，得出所有物體都可摩擦起電的結(jié)論并且?guī)嗤姷奈矬w互相排斥；帶不同電的物體彼此吸引。 1745年，荷蘭萊頓的穆申布魯克發(fā)明了能保存電的萊頓瓶。 1747年，美國的富蘭克林根據(jù)實(shí)驗(yàn)提出電荷守恒定律，并且定義了正電和負(fù)電的術(shù)語。 1776年，普里斯特利發(fā)現(xiàn)帶電金屬容器內(nèi)表面沒有電荷，猜測(cè)電力與萬有引力有相似的規(guī)律。 1769年，魯賓孫通過作用在一個(gè)小球上電力和重力平衡的實(shí)驗(yàn)，第一次直接測(cè)定了兩個(gè)電荷相互作用力與距離二次方成反比。 1773年，卡文迪什推算出電力與距離的二次方成反比，他的這一實(shí)驗(yàn)是近代精確驗(yàn)證電力定律的雛形。 1785年，庫侖設(shè)計(jì)了精巧的扭秤實(shí)驗(yàn)，直接測(cè)定了兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷的相互作用力與它們之間的距離二次方成反比，與它們的電量乘積成正比。 1799年，伏打制造了第一個(gè)能產(chǎn)生持續(xù)電流的化學(xué)電池。 1820年，丹麥的自然哲學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)。 1822年，塞貝克發(fā)現(xiàn)熱電效應(yīng)。電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)開拓了電學(xué)研究的新紀(jì)元。 1825年，斯特金發(fā)明電磁鐵，為電的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了條件。 1831年，英國物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象。 1832年，法國人畢克西發(fā)明了手搖式直流電發(fā)電機(jī)，把電動(dòng)勢(shì)以直流電壓形式輸出。 1833年，高斯和韋伯制造了第一臺(tái)簡陋的單線電報(bào)。 1834年，楞次給出感應(yīng)電流方向的描述，而諾埃曼概括了他們的結(jié)果給出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的數(shù)學(xué)公式；俄羅斯的雅可比試制出了由電磁鐵構(gòu)成的直流電動(dòng)機(jī)。 1848年，基爾霍夫從能量的角度考查，橙清了電位差、電動(dòng)勢(shì)、電場強(qiáng)度等概念，使得歐姆理論與靜電學(xué)概念協(xié)調(diào)起來。在此基礎(chǔ)上，基爾霍夫解決了分支電路問題。 1866年，德國的西門子發(fā)明了可供實(shí)用的自勵(lì)式直流發(fā)電機(jī)。 1869年，比利時(shí)的格拉姆制成了環(huán)形電樞，發(fā)明了環(huán)形電樞發(fā)電機(jī)。 3 19世紀(jì)60年代，英國物理學(xué)家麥克斯韋得到了電磁場的普遍方程組——麥克斯韋方程組。 1882年，美國的戈登制造出了輸出功率447KW，高3米，重22噸的兩相式巨型發(fā)電機(jī)。 1889年，西屋公司在俄勒岡州建設(shè)了發(fā)電廠，1892年成功地將15000伏電壓送到了皮茨菲爾德。 1896年，洛倫茲提出電子論，將麥克斯韋方程組應(yīng)用到微觀領(lǐng)域，并把物質(zhì)的電磁性質(zhì)歸結(jié)為原子中電子的效應(yīng)；特斯拉的兩相交流發(fā)電機(jī)在尼亞拉發(fā)電廠開始勞動(dòng)營運(yùn)，3750KW，5000V的交流電一直送到40公里外的布法羅市。 1897年，西屋公司制成了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，設(shè)立專業(yè)公司致力于電動(dòng)機(jī)的普及。 19世紀(jì)末，實(shí)現(xiàn)了電能的遠(yuǎn)距離輸送；電動(dòng)機(jī)在生產(chǎn)和交通運(yùn)輸中得到廣泛使用，從而極大地改變了工業(yè)生產(chǎn)的面貌。 1.2 電力行業(yè)的現(xiàn)狀 目前在全球范圍內(nèi)，直流電的市場份額還不足20%。 如今的電網(wǎng)通用為交流式，發(fā)電方式主要有火電發(fā)電、水力發(fā)電、太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、核電、海水溫差發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電、潮汐發(fā)電、波浪發(fā)電，而在接入電網(wǎng)之前，所有形式的電流都必須首先轉(zhuǎn)換為交流電。大型的發(fā)電站主要還是交流發(fā)電，也有一些小型、輕型的直流發(fā)電方式。 以2011年中國的電力行業(yè)為例，全國全社會(huì)用電量46,928億千瓦時(shí)，其中，第一產(chǎn)業(yè)用電量1015億千瓦時(shí)，第二產(chǎn)業(yè)35,185億千瓦時(shí)，第三產(chǎn)業(yè)5,082億千瓦時(shí)；城鄉(xiāng)居民生活5,646億千瓦時(shí)，工業(yè)用電量34,633億千瓦時(shí)，其中輕、重工業(yè)用電量分別為5,830億千瓦時(shí)和28,803億千瓦時(shí)。在電力生產(chǎn)上，水電發(fā)電量6,626億千瓦時(shí)，占全部發(fā)電量的14.03%；火電發(fā)電量38,975億千瓦時(shí)，占全國發(fā)電量的82.54%；核電、并網(wǎng)風(fēng)電發(fā)電量分別為874億千瓦時(shí)和732億千瓦時(shí)，占全國發(fā)電量的比重分別比上年提高0.08和0.38個(gè)百分點(diǎn)。 五大發(fā)電集團(tuán)2011年情況對(duì)比 4
這么龐大的電力資源幾乎全部采用交流方式輸送，只有在有必要的時(shí)候再把交流電轉(zhuǎn)換為直流電。而對(duì)于最消耗電力的電動(dòng)機(jī)，目前交流電動(dòng)機(jī)用于多數(shù)大型作業(yè)場合，隨處可見，而直流電動(dòng)機(jī)只是用于某些特定場合。 現(xiàn)在的直流輸電處于發(fā)展的初期, 應(yīng)用還不算普及, 成本高昂, 技術(shù)設(shè)備依賴外國大公司, 再者, 三相交流電仍然是標(biāo)準(zhǔn)的輸電方式, 直流輸送的電能最終還必須變換為三相交流電。 而直流電廣泛的應(yīng)用在于，現(xiàn)在越來越多的電子產(chǎn)品都在依靠直流電運(yùn)行，例如電腦、手機(jī)以及LED燈等等。目前，這些電子產(chǎn)品和電器均使用自帶整流器，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。 2 直流電的優(yōu)缺點(diǎn) 2.1 直流電的優(yōu)勢(shì) 一百多年前，直流電敗給了交流電，但絕不是直流電本身的問題，而在于外部原因，當(dāng)時(shí)的技術(shù)完全達(dá)不到可以廣泛應(yīng)用直流電的要求，直流輸電是當(dāng)時(shí)最難克服的問題，但就其本身而言，直流電天生就具有許多交流電無可比擬的優(yōu)勢(shì)。 輸電層面： 1、輸送相同功率時(shí)，直流輸電所用線材僅為交流輸電的2/3～l/2 。 直流輸電采用兩線制，以大地或海水作回線，與采用三線制三相交流輸電相比，在輸電線載面積相同和電流密度相同的條件下，即使不考慮趨膚效應(yīng)，也可以輸送相同的電功率，而輸電線和絕緣材料可節(jié)約1/3。同時(shí)，直流輸電桿塔結(jié)構(gòu)也比同容量的三相交流輸電簡單，線路走廊占地面積也少。 5 2、在電纜輸電線路中，直流輸電沒有電容電流產(chǎn)生，而交流輸電線路存在電容電流，引起損耗。 在一些特殊場合，必須用電纜輸電。例如高壓輸電線經(jīng)過大城市時(shí)，采用地下電纜；輸電線經(jīng)過海峽時(shí)，要用海底電纜。直流輸電沒有電容電流產(chǎn)生,可以使用地下輸電電纜,有效避免冰雪災(zāi)害和惡劣氣象條件的影響,可以極大的提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。（如2008年初春一場歷史罕見的冰雪災(zāi)害,造成大范圍線路損壞，停電、經(jīng)濟(jì)損失上千億元。如果用地下電纜直流輸電,就可避免這種災(zāi)難的發(fā)生。） 3、直流輸電時(shí)，其兩側(cè)交流系統(tǒng)不需同步運(yùn)行，而交流輸電必須同步運(yùn)行．交流遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，電流的相位在交流輸電系統(tǒng)的兩端會(huì)產(chǎn)生顯著的相位差；并網(wǎng)的各系統(tǒng)交流電的頻率雖然規(guī)定統(tǒng)一為50HZ，但實(shí)際上常產(chǎn)生波動(dòng)。這兩種因素引起交流系統(tǒng)不能同步運(yùn)行，需要用復(fù)雜龐大的補(bǔ)償系統(tǒng)和綜合性很強(qiáng)的技術(shù)加以調(diào)整，否則就可能在設(shè)備中形成強(qiáng)大的循環(huán)電流損壞設(shè)備，或造成不同步運(yùn)行的停電事故。在技術(shù)不發(fā)達(dá)的國家里，交流輸電距離一般不超過300km而直流輸電線路互連時(shí)，它兩端的交流電網(wǎng)可以用各自的頻率和相位運(yùn)行，不需進(jìn)行同步調(diào)整。 4、直流輸電能限制系統(tǒng)的短路電流，發(fā)生故障的損失比交流輸電小。用交流輸電線路連接兩個(gè)交流系統(tǒng)時(shí)，由于系統(tǒng)容量增加，將使短路電流增大，有可能超過原有斷路器的遮斷容量，這就要求更換大量的設(shè)備，增加大量的投資，而直流輸電時(shí)就不存在上述問題。在直流輸電線路中，各級(jí)是獨(dú)立調(diào)節(jié)和工作的，彼此沒有影響。所以，當(dāng)一極發(fā)生故障時(shí)，只需停運(yùn)故障極，另一極仍可輸送不少于一半功率的電能。但在交流輸電線路中，任一相發(fā)生永久性故障，必須全線停電。 5、直流輸電輸送容量大,輸送功率的大小和方向可以快速控制和調(diào)節(jié)。 6、直流輸電可分期建設(shè),分期投入運(yùn)行,先建一極,并與大地和海水構(gòu)成回路,待負(fù)荷增大后，再建另一極,相應(yīng)可以更快的收回投資成本,優(yōu)勢(shì)非常明顯。 7、直流輸電網(wǎng)不存在交流輸電網(wǎng)固有的穩(wěn)定問題?，F(xiàn)有交流大電網(wǎng)存在安全穩(wěn)定性問題，具有間歇性和波動(dòng)性特點(diǎn)的可再生能源大量接入電網(wǎng)后，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性、輸送能力的提升、雙向功率流動(dòng)與控制等都將面臨更大的挑 6 戰(zhàn)。如果仍然以交流模式為主導(dǎo)，則電網(wǎng)的不可預(yù)知性和安全穩(wěn)定性問題將會(huì)更加突出。 發(fā)電與用電方面： 附： 大功率直流發(fā)電機(jī)效益分析 ①可節(jié)省6億噸標(biāo)煤，（這里指全面替代現(xiàn)有發(fā)電裝置，用一噸煤按提高效率一倍計(jì)算）每噸標(biāo)煤按800元，可節(jié)省煤4800億元。 ②節(jié)省建造用材（鋼、銅、鋁），每10兆瓦用材按7.5噸計(jì)算，6.2億千瓦×7.5噸＝46.5萬噸，節(jié)省一半用材可發(fā)同樣的電能，用材只一半是23.3萬噸，每噸按1萬元計(jì)算，可節(jié)省用材233億元。 ③直流發(fā)電直接直流輸電可減少換流站建造，建換流站每兆瓦需100萬元。6.2億×100萬＝620億 ④輸電線路全面改造可節(jié)省三分之一線路建設(shè)，全國保守估計(jì)高壓線路30萬公里，每公里按一萬元建設(shè)，可節(jié)約10億元。 ⑤應(yīng)用該發(fā)電機(jī)組替代現(xiàn)有火電機(jī)組同比減少排放二氧化硫每年1200萬噸，每噸減少治理費(fèi)2000元，可節(jié)省240億元。 ⑥中、小型發(fā)電裝置應(yīng)用方面，只計(jì)算汽車發(fā)電機(jī)用材每臺(tái)可節(jié)省一半，用材按2公斤計(jì)算，全國2.5億輛車可節(jié)省5億公斤，每公斤按10元計(jì)算合50億元。 ⑦還有企業(yè)、民用發(fā)電裝置、農(nóng)用、軍用裝備發(fā)電裝置不計(jì)算在內(nèi)。 綜合效益可省5953億，這里指全面替代(在不改變?cè)瓌?dòng)力設(shè)施的基礎(chǔ)上，只需更換發(fā)電機(jī)就可以將整個(gè)電廠或電站改造成直流發(fā)電形式，以配合直流輸電)，如果國家分期分批逐步實(shí)現(xiàn)，在10年內(nèi)得到改善，每年保守估計(jì)有595.3億增值效益。 而在人類對(duì)電流應(yīng)用最廣泛的電動(dòng)機(jī)上，直流電動(dòng)機(jī)技術(shù)比較成熟，調(diào)速方便而且范圍大，能實(shí)現(xiàn)無級(jí)平滑調(diào)速，換向簡單，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，能適應(yīng)頻繁起動(dòng)的場合；而交流電機(jī)功率較大，但是調(diào)速相對(duì)比較麻煩，需要用到PWM技術(shù)，而且還牽涉到電源問題，一般蓄電池都是直流的，可移動(dòng)性較好，而交流電源比較固定，比如一般的電動(dòng)自行車就用直流電機(jī)，而工廠里的牽引電動(dòng)機(jī)則大多是交流的。直流電動(dòng)機(jī)還可以用于螺旋升降機(jī)的啟動(dòng)，也不失為一種比較理想的原 7 動(dòng)力。 2.2 直流電的缺陷 其實(shí)，直流電是天生優(yōu)越的，有的更多的只是技術(shù)問題，就是相對(duì)交流電而言直流技術(shù)要復(fù)雜得多。直流電不能通過變壓器等簡單的裝置實(shí)現(xiàn)升降壓，采用分壓的形式降壓又太浪費(fèi)電能，而交流電可以通過簡單的變壓器變壓就可以向不同額定電壓規(guī)格的電器供電；直流電換流裝置較昂貴，在輸送相同容量時(shí)，直流線路單位長度的造價(jià)比交流低，而直流輸電兩端換流設(shè)備造價(jià)比交流變壓站貴很多；直流電消耗無功功率多，一般每端換流站消耗無功功率約為輸送功率的40%～60%，需要無功補(bǔ)償；產(chǎn)生諧波影響，換流器在交流和直流側(cè)都產(chǎn)生諧波電壓和諧波電流，使電容器和發(fā)電機(jī)過熱、換流器的控制不穩(wěn)定，對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾；缺乏直流開關(guān)，直流無波形過零點(diǎn)，滅弧比較困難，目前把換流器的控制脈沖信號(hào)閉鎖，能起到部分開關(guān)功能的作用，但在多端供電式，就不能單獨(dú)切斷事故線路，而要切斷整個(gè)線路。 在電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用上，廣泛使用的大功率電動(dòng)機(jī)主要為交流式，而交流電動(dòng)機(jī)不能直接使用直流電供電，必須通過換向器或逆變器后才能使用，這就增加了附屬結(jié)構(gòu)，并且損壞率大大提高了。再者，由于直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)的工作原理不一樣，直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修也不便。 直流電動(dòng)機(jī) 直流電動(dòng)機(jī)工作原理
8 交流電動(dòng)機(jī) 交流電動(dòng)機(jī)工作原理 3 直流電的技術(shù)難關(guān) 直流電難以采用高壓輸電的方式，這是在電力開始廣泛應(yīng)用的時(shí)候遇到的 最大技術(shù)難題，而它的無法解決直接導(dǎo)致了一百多年前直流電大敗于交流電，從此沉寂百多年。 隨著科技的發(fā)展，直流升壓已經(jīng)成為可能，但是由于歷史的緣故，目前世界大部分的地方都在使用交流發(fā)電和交流輸電方式，所以要真正從交流電網(wǎng)轉(zhuǎn)型為直流電網(wǎng)，中間還需要一個(gè)過渡過程。在這個(gè)過渡時(shí)期，最典型的例子莫過于現(xiàn)在流行的高壓直流輸電系統(tǒng)。 在高壓直流輸電工程中，系統(tǒng)的基本工作原理是通過送端換流站，將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡绷麟娸斔偷绞芏藫Q流站，再由受端換流站將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娝腿虢涣飨到y(tǒng)。對(duì)高壓直流輸電線路的建設(shè)，有幾個(gè)方面尤其需要重視：1、電暈效應(yīng)。直流輸電線路在正常運(yùn)行情況下允許導(dǎo)線發(fā)生一定程度的電暈放電，由此將會(huì)產(chǎn)生電暈損失、電場效應(yīng)、無線電干擾和可聽噪聲等，導(dǎo)致直流輸電的運(yùn)行損耗和環(huán)境影響。2、絕緣配合。直流輸電工程的絕緣配合對(duì)工程的投資和運(yùn)行水平有極大影響。由于直流輸電的“靜電吸塵效應(yīng)”，絕緣子的積污和污閃特性與交流的有很大不同，由此引起的污穢放電比交流的更為嚴(yán)重，合理選擇直流線路的絕緣配合對(duì)于提高運(yùn)行水平非常重要。3、電磁環(huán)境影響。采用高壓直流輸電，對(duì)實(shí)現(xiàn)大范圍的資源優(yōu)化配置，提高輸電走廊的利用率和保護(hù)環(huán)境，無疑具有十分重要的意義。認(rèn)真研究高壓直流輸電的電磁環(huán)境影響，
對(duì)于工程建設(shè) 9 滿足環(huán)境保護(hù)要求和降低造價(jià)至關(guān)重要。 交流電輸電在安全穩(wěn)定性方面的弊端日益明顯，同樣高壓直流輸電也面臨著嚴(yán)峻考驗(yàn)，這是至關(guān)重要的。直流系統(tǒng)中，關(guān)鍵技術(shù)在于直流斷路器技術(shù)，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障或檢修的時(shí)候，直流斷路器可以在不停電的情況下改變供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。直流斷路器的研制難點(diǎn)有3個(gè)方面：一是直流電流不像交流電流那樣有過零點(diǎn)，所以滅弧甚為困難；二是直流回路的電感很大，所采用的平波電抗器為300 mH左右，而交流回路的電感僅為幾十毫亨，加上開斷時(shí)的直流電流大，所以需由直流斷路器吸收的能量很大；三是過電壓高。 而令人振奮的是，2012年11月7日，全球領(lǐng)先的電力和自動(dòng)化集團(tuán)ABB宣布在直流斷路研發(fā)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。ABB開發(fā)的高壓直流斷路器將機(jī)械動(dòng)力學(xué)與電力電子設(shè)備相結(jié)合，可以在5毫秒之內(nèi)斷開一所大型發(fā)電站的輸出電流，其速度比人眨眼速度快30倍。這一技術(shù)突破解決了電力工程領(lǐng)域的百年難題，為打造更高效可靠的電力供應(yīng)系統(tǒng)鋪平了道路。 ABB集團(tuán)首席執(zhí)行官昊坤表示：“ABB在電力工程歷史上寫下了新的篇章。這一歷史性的技術(shù)突破將助力打造未來電網(wǎng)。覆蓋直流電網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)各個(gè)國家和大洲的互聯(lián)，平衡電力負(fù)載，并增強(qiáng)現(xiàn)有交流電網(wǎng)的輸電能力?！?而出于更加長遠(yuǎn)的考慮，直流電變革即將來臨，但是與之相關(guān)的難題也還
有很多，比如，現(xiàn)有家電多采用交流設(shè)計(jì)，直流設(shè)計(jì)還未大規(guī)模推廣；直流高 10 壓還無法做到直接入戶；直流能否實(shí)現(xiàn)互聯(lián)還是未知數(shù)；推廣輕型直流面臨一些體制限制等等。 4 直流電的應(yīng)用和發(fā)展前景 1、輕型直流輸電（HVDC Light） 輕型直流輸電即HDVC Light，是高可控性的直流輸電，之所以稱其為輕型，是因?yàn)槠涔β噬舷抟话銥?00MW，相對(duì)于普通HVDC來說，要Light很多。 HDVC Light技術(shù)是由ABB公司在上個(gè)世紀(jì)八、九十年代研發(fā)的一種新型輸電技術(shù)。HDVC Light輕型直流輸電技術(shù)，以電壓源型換流器（VSC）為核心，硬件上采用IGBT等可關(guān)斷器件，控制上采用脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）已達(dá)到具有極高可控性直流輸電的目的。輕型直流輸電系統(tǒng)原理見圖1： HVDC Light作為一項(xiàng)新技術(shù)，目前的工程應(yīng)用實(shí)例還不多。 主要投入實(shí)際運(yùn)行的HVDC Light工程
11 HVDC Light在電力市場的應(yīng)用主要在以下幾個(gè)方面： 1) 清潔可再生能源接入電網(wǎng)。 2) 非同步運(yùn)行的獨(dú)立電網(wǎng)之間需要交換較小容量的有功時(shí)可采用HVDC Light進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。 3) 向偏遠(yuǎn)小負(fù)荷地區(qū)供電。 4) 環(huán)境敏感區(qū)域（如城市中心）的應(yīng)用。 5) 滿足電力市場交易對(duì)輸電網(wǎng)絡(luò)的要求。 6) 構(gòu)成多端系統(tǒng)。 目前，亞洲首條輕型直流輸電示范工程——上海南匯風(fēng)電場輕型直流輸電工程成功投入試運(yùn)行，這是我國第一條擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，具有世界一流水平的輕型直流輸電線路，也是我國在大功率電力電子領(lǐng)域取得的又一重大創(chuàng)新成果。該示范工程輸送容量為20MW，直流電壓等級(jí)為±30kV，是國家電網(wǎng)公司的重大科技示范項(xiàng)目，標(biāo)志著國家電網(wǎng)公司成為繼ABB
、西門子之后的全球 12 第三家掌握該技術(shù)的公司。 2、電動(dòng)汽車 電動(dòng)汽車是指以車載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛。它使用存儲(chǔ)在電池中的電來發(fā)動(dòng)，這里的電池當(dāng)然屬于直流電源。 電動(dòng)汽車 工作原理：蓄電池——電流——電力調(diào)節(jié)器——電動(dòng)機(jī)——?jiǎng)恿鲃?dòng)系統(tǒng)——驅(qū)動(dòng)汽車行駛 相比傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車，電動(dòng)汽車具有許多突出的優(yōu)勢(shì)：無污染，噪聲低；能源效率高，多樣化；結(jié)構(gòu)簡單，維修方便；動(dòng)力本高續(xù)駛里程短；支持發(fā)展的電網(wǎng)技術(shù)等等。 目前，電動(dòng)汽車存在行駛距離、成本和充電時(shí)間等問題，而其中電池是電動(dòng)汽車發(fā)展的首要關(guān)鍵，汽車動(dòng)力電池難在“低成本要求”、“高容量要求”和“高安全要求”等三個(gè)要求上。盡管電動(dòng)汽車目前尚不具備大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展的條件，社會(huì)各界對(duì)電動(dòng)汽車都抱有極大的熱情，電動(dòng)汽車的發(fā)展前景主要取決于電池技術(shù)的突破，然而技術(shù)發(fā)明需要一個(gè)過程。 從中長期看，即使電池技術(shù)進(jìn)一步成熟，燃油汽車和電動(dòng)汽車兩條技術(shù)路線仍然是并行的，只是適用于不同的環(huán)境。電動(dòng)汽車適合城區(qū)短途運(yùn)輸，長途、大型客貨運(yùn)輸仍將主要依賴燃油汽車。此外，隨著電動(dòng)汽車的技術(shù)進(jìn)步，燃油機(jī)的效率也在不斷提高。在僅考慮終端能源消耗的情況下，采用煤電作為
能源來源的電動(dòng)汽車與燃油汽車的能源效率和碳排放相差無幾，若考慮儲(chǔ)運(yùn)、 13 轉(zhuǎn)換等過程的損耗，電動(dòng)汽車的表現(xiàn)要更差。電動(dòng)汽車的商業(yè)化建立在新能源的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)之上，只有電動(dòng)汽車的動(dòng)力完全來自清潔能源時(shí)，其節(jié)能和環(huán)保優(yōu)勢(shì)才能得到充分體現(xiàn)。有專家樂觀估計(jì)，2020年電動(dòng)汽車在中國汽車市場的份額將超過15%。 另外，汽車充電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)模式，在充電設(shè)施推進(jìn)過程中，亟待突破的難題就是充電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)布點(diǎn)問題。電力部門依托現(xiàn)有的停車場設(shè)施，因地制宜地建設(shè)微電網(wǎng)、分布式、綜合化的可充、可換全功能充電站，可避免充電模式存在的兩個(gè)短板：一是充電時(shí)間長，二是停車環(huán)境有限。 3、蓄電池 蓄電池是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的一種裝置，是按可再充電設(shè)計(jì)的電池，通過可逆的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)再充電，通常是指鉛酸蓄電池，它是電池中的一種，屬于二次電池。 工作原理：充電時(shí)利用外部的電能使內(nèi)部活性物質(zhì)再生，把電能儲(chǔ)存為化學(xué)能，需要放電時(shí)再次把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能輸出。 蓄電池 鉛酸蓄電池產(chǎn)品主要有下列幾種，其用途分布如下：
起動(dòng)型蓄電池：主要用于汽車、摩托車、拖拉機(jī)、柴油機(jī)等起動(dòng)和照明；
固定型蓄電池：主要用于通訊、發(fā)電廠、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為保護(hù)、自動(dòng)控制的備用電源； 牽引型蓄電池：主要用于各種蓄電池車、叉車、鏟車等動(dòng)力電源； 14 鐵路用蓄電池：主要用于鐵路內(nèi)燃機(jī)車、電力機(jī)車、
客車起動(dòng)、照明之動(dòng)力；
儲(chǔ)能用蓄電池：主要用于風(fēng)力、太陽能等發(fā)電用電能儲(chǔ)存。 蓄電池的應(yīng)用 蓄電池發(fā)展方向 15
蓄電池應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展
4、微電網(wǎng) 微電網(wǎng)，是指由分布式電源、儲(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關(guān)負(fù)荷和監(jiān)控、保護(hù)裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng)，既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以孤立運(yùn)行。 16 微電網(wǎng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 開發(fā)和延伸微電網(wǎng)能夠促進(jìn)分布式電源與可再生能源的大規(guī)模接入，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷多種能源形式的高可靠供給，是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式配電網(wǎng)的一種有效方式，是傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)的過渡。
17 國外對(duì)于微電網(wǎng)的研究起步較早，在關(guān)鍵技術(shù)方面已取得一些突破，并在小規(guī)模微電網(wǎng)中得到驗(yàn)證。其中美國、歐洲、日本及加拿大等建設(shè)了一批示范工程，為微電網(wǎng)的發(fā)展提供了一些經(jīng)驗(yàn)借鑒，成為微電網(wǎng)領(lǐng)域領(lǐng)先國家。目前，國外正在推動(dòng)微電網(wǎng)向更高電壓等級(jí)、更大容量發(fā)展。
要機(jī)構(gòu)。2011 年8 月，國網(wǎng)電科院微電網(wǎng)技術(shù)體系研究項(xiàng)目通過驗(yàn)收。該項(xiàng)目首次提出了我國微電網(wǎng)技術(shù)體系，涵蓋微電網(wǎng)核心技術(shù)框架、電網(wǎng)應(yīng)對(duì)微電網(wǎng)的策略、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和政策等，制定了我國微電網(wǎng)發(fā)展線路和技術(shù)路線圖，對(duì)我國微電網(wǎng)不同發(fā)展階段提出了積極的意見和建議。 5、電子產(chǎn)品、數(shù)據(jù)中心 任何使用晶體管的設(shè)備都要靠直流電，高科技的產(chǎn)品更驗(yàn)證了這點(diǎn)。PC、iPhone和純平電視機(jī)等這類依靠直流輸電的數(shù)碼消費(fèi)設(shè)備占到今天電力消耗總量的五分之一。目前，這些電子產(chǎn)品和電器均使用自帶整流器，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，而之所以將交流電轉(zhuǎn)換為直流電是為了節(jié)能。如果利用更大型的整流器在電力進(jìn)入每座建筑物之前對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這將是一個(gè)更為高效的解決方案。ABB集團(tuán)預(yù)計(jì)，在建筑樓宇中使用直流電而非交流電可節(jié)省成本約10%至20%。英特爾估計(jì)，在美國的直流中型數(shù)據(jù)中心每年可以節(jié)約的電能價(jià)值達(dá)120萬美元。 管理互聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)中心成為直流電的另一個(gè)驅(qū)動(dòng)力，使用直流能夠比傳統(tǒng)的交流電配置節(jié)約15%的能耗。通常，數(shù)據(jù)中心每周7天24小時(shí)不間斷運(yùn)行，每平方米單位面積的耗電水平比普通辦公室高15倍，能耗可高達(dá)普通辦公室的100倍。當(dāng)前，大型計(jì)算機(jī)站消耗的電力占全球耗電量的1.3%，以后還會(huì)更多?，F(xiàn)在的模式是要把交流電進(jìn)行轉(zhuǎn)換。為了節(jié)能，一些公司自發(fā)地安裝大型中央變壓器，向服務(wù)器站傳輸380伏的直流電，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的在每臺(tái)計(jì)算機(jī)上都裝上變壓器的模式。試想一下，如此麻煩的程序，能否直接建成一座直流數(shù)據(jù)中心？答案是可行的，日本電信巨頭NTT就在位于東京西南的厚木市建成了一座使用直流電的數(shù)據(jù)中心。 6、船載直流電網(wǎng) 18 ABB船載直流電網(wǎng)是高能效的配電、自動(dòng)化電力推進(jìn)系統(tǒng)，能顯著降低能耗和排放達(dá)20%，減少船載電氣設(shè)備所需空間達(dá)30%，并且適用于廣泛的船舶系列。 不同于傳統(tǒng)的電力推進(jìn)系統(tǒng)，ABB通過船載直流電網(wǎng)的直流連接和輸配電，可以大幅降低船舶電能消耗并且優(yōu)化推進(jìn)性能。在船載直流電網(wǎng)應(yīng)用中，隨著發(fā)電機(jī)組不再以固定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速即可根據(jù)工作狀況不同而調(diào)整到最佳能源消耗點(diǎn)運(yùn)行。同時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)電力推進(jìn)系統(tǒng)，直流電網(wǎng)的應(yīng)用可以省去推進(jìn)變壓器和主配電板，從而減少船上設(shè)備總重量以及安裝空間達(dá)30%左右，能夠?yàn)樨涊喓痛笮陀洼喌却疤峁└嗟膬?chǔ)貨空間，擴(kuò)大工作區(qū)域，更靈活的配置安裝船舶系統(tǒng)設(shè)備。而且，船載直流網(wǎng)還能實(shí)現(xiàn)直流能源的接入——如太陽能板、燃料電池和儲(chǔ)能電池直接連接船用直流電力系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)更大的能源節(jié)省。 ABB船載直流電網(wǎng)可廣泛應(yīng)用于配有低壓船載電力系統(tǒng)的船舶，如海洋工程船、拖船、渡輪和游艇。第一條應(yīng)用全套船載直流電網(wǎng)系統(tǒng)的是隸屬于船東Myklebusthaug的一條平臺(tái)供應(yīng)船，如今正在挪威Kleven船廠建造。 7、太陽能光伏發(fā)電的直流應(yīng)用 太陽能光伏發(fā)電是利用光伏電池板直接將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電方式，通常由太陽能光伏電池組件、功率控制器、逆變器、蓄電池以及負(fù)載等部件組成。太陽能光伏模組接受陽光，產(chǎn)生直流電流；功率控制器防止光伏電池組件對(duì)蓄電池過充電以及對(duì)負(fù)載過放電；逆變器將光伏電池產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的交流電，使光伏系統(tǒng)發(fā)出的電可以直接并入電網(wǎng)。因此，當(dāng)前太陽能光伏發(fā)電的過程，通常是直流電轉(zhuǎn)化為交流電的運(yùn)作過程。 19
然而，太陽能光伏發(fā)電在很多方面也能夠以直流方式直接應(yīng)用。
1、 太陽能光伏發(fā)電在高速公路上的應(yīng)用 高速公路因其獨(dú)有的特點(diǎn)而成為太陽能光伏利用的良好目標(biāo)領(lǐng)域。太陽能光伏發(fā)電得到的電力可以暫時(shí)儲(chǔ)存在蓄電池之中，而無需轉(zhuǎn)換為交流電，直接給高速公路上的照明系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)供電。 2、 太陽能光伏在家電產(chǎn)品中的應(yīng)用 光伏家電產(chǎn)品通常會(huì)具有這樣一些特點(diǎn)：首先，為了供電的安全穩(wěn)定性，太陽能供電系統(tǒng)通常都會(huì)配備蓄電池，所以光伏家電一般都帶有蓄電池部分。對(duì)于較小的負(fù)載如太陽能庭院燈，可以使用鎳氫或者鎳鎘電池，對(duì)于較大的負(fù)載如太陽能光伏彩電系統(tǒng)則可以使用鉛酸蓄電池。光伏家電產(chǎn)品通常用電功率以及用電量較小，功率通常都在300W以下，如果用電負(fù)荷功率太大就會(huì)大大增加蓄電池和組件的用量，導(dǎo)致光伏家電的成本上升，降低了光伏家電產(chǎn)品的性價(jià)比。常見的太陽能庭院燈，太陽能手機(jī)充電器等都是直流光伏家電，其結(jié)構(gòu)比較簡單，基本原理圖如下： 20 3、 太陽能光伏發(fā)電在農(nóng)業(yè)溫室補(bǔ)光系統(tǒng)中的應(yīng)用 利用人工手段，通過科學(xué)的手段控制和改變溫室內(nèi)部的小環(huán)境來生產(chǎn)反季節(jié)蔬菜和高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的農(nóng)產(chǎn)品，如通過LED 植物燈照射植物，增加產(chǎn)量和改善品質(zhì)，種植從平面向多層立體種植發(fā)展，這些都將成為未來的農(nóng)業(yè)和工業(yè)結(jié)合發(fā)展的方向。但是按照常規(guī)方式，控制和改變溫室內(nèi)部小環(huán)境需要耗費(fèi)大量能源，增加了農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，影響植物工廠的推廣。如果將太陽能發(fā)電應(yīng)用到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植中，直接采用太陽能電池產(chǎn)模組產(chǎn)生的能量，既高效地利用了太陽能產(chǎn)生的能量，又有效地降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本。 通過將非晶硅透光式薄膜太陽能電池安裝在溫室的頂部，非晶硅透光式太陽能電池可以使部分太陽光線透過（主要是紅光透過，還有部分的藍(lán)光透過），蔬菜就可以在太陽能光伏溫室內(nèi)進(jìn)行光合作用，同時(shí)多層的植物工廠將直接使用電池板產(chǎn)生的電能，即屋頂太陽能電池模組產(chǎn)生的直流電滿足蔬菜進(jìn)行補(bǔ)光、營養(yǎng)液循環(huán)等活動(dòng)。
21 直接利用太陽能光伏直流電補(bǔ)光具有重大意義：1）減少能量損失，主要有三個(gè)方面，一是直流電逆變?yōu)榻涣麟娺^程中的能量損失；二是蓄電池在沖放電過程中的能量損失；三是交流電在輸送過程中的能量損失。2）減少系統(tǒng)成本，太陽能光伏發(fā)電直接應(yīng)用植物補(bǔ)光系統(tǒng)，省去了逆變器、控制器和蓄電池等設(shè)備，節(jié)省了使用成本。3）適合植物成長。太陽能電池產(chǎn)生的直流電大小是隨著每日不同時(shí)間太陽光強(qiáng)變化而變化的，清晨和傍晚太陽能光照強(qiáng)度較低時(shí)，產(chǎn)生的直流電也較小，LED 植物燈的光照強(qiáng)度也較低，12：00至14：00 之間，光照強(qiáng)度達(dá)到最大值，產(chǎn)生的直流電也達(dá)到最大值，LED 植物燈的光照強(qiáng)度也最高，如此適合植物的生長規(guī)律。
22 參考文獻(xiàn) [1] 張娜， 《直流電“復(fù)仇”》， 《能源》2013年第一期 [2] 徐彥文， 《從發(fā)電到供電全面使用直流電可能性的探討》， 忻州師范學(xué)院學(xué)報(bào)第25卷第5期， 2009.10 [3] 杜容熠， 《太陽能光伏發(fā)電在農(nóng)業(yè)溫室補(bǔ)光系統(tǒng)中直流電的直接應(yīng)用》， 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技2010年第22期 [4] 《我國電力行業(yè)現(xiàn)狀及前景分析》， 鋼聯(lián)財(cái)經(jīng)2012.09 [5] 王晨光， 《直流發(fā)電機(jī)》 [6] 《特高壓直流電輸電需要哪些關(guān)鍵技術(shù)問題》， 中國電力新聞網(wǎng)2011.12 [7] 《ABB解決百年電力難題——新技術(shù)成就未來直流電網(wǎng)》， 中國日?qǐng)?bào)網(wǎng)2012.11 [8] 賀重陽， 《微電網(wǎng)應(yīng)用前景廣泛》， 前瞻網(wǎng)2012.06 [9] 《ABB船載直流電網(wǎng)技術(shù)榮獲創(chuàng)新技術(shù)獎(jiǎng)》， 中國自動(dòng)化網(wǎng)2013.04 [10] 百度百科，《直流電》 http://baike.baidu.com/view/56381.htm 《交流電》 http://baike.baidu.com/view/56394.htm 《直流電動(dòng)機(jī)》 http://baike.baidu.com/view/1081361.htm 《交流電動(dòng)機(jī)》 http://baike.baidu.com/view/1771954.htm 《輕型直流輸電》 http://baike.baidu.com/view/7479614.htm 《電動(dòng)汽車》 http://baike.baidu.com/view/22369.htm 《蓄電池》 http://baike.baidu.com/view/54521.htm 《微電網(wǎng)》 http://baike.baidu.com/view/2831882.htm 百度文庫， 《電動(dòng)汽車國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展》 http://wenku.baidu.com/view/9079cc96daef5ef7ba0d3c8a.html 23 《蓄電池發(fā)展方向》 http://wenku.baidu.com/view/32ad5559ad02de80d4d840f5.html 24 分享：貪婪的蠻藤谷鱷魚 > [直流電]直流電的發(fā)展 |
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