摘要：面临能源革命的急迫与矛盾，从电能发展过程观察工业应用与其秉性联系，发掘直流电能的技术优势日益显现；全面分析了开拓直流输配电网是发展可再生能源，突破电力体制改革的有效途径，也是建设节能环保社会，建设美丽中国的科学抉择。
关键词： 改革 输电网 电动机 电能品性 技术 效率 经济性 分布式微电 直流供电网
“构建以安全、经济、清洁为特征的新型能源体系，已成为国民经济可持续发展的必然要求。”① 当前节能减排形势严峻，能源结构调整迫在眉前。然而，电力体制改革举步维艰。冰冻三尺非一日之寒，自然垄断、无序竞争贻误非浅，既有其历史根源，也有源自技术的制约。
“能源革命是能源生产和消耗方式的根本变革，是能源科技的根本变革，是能源体制机制的根本变革，也是人们对能源认识的根本变革。” 从能源科技入手，推进“消耗方式的根本变革”也许就是“根本变革”破冰扬帆之时。
一、迎接电力体制改革的思考
我国领先世界的直流高压输电工程技术已经得到了国内外电力界的公认。成功的经验指出，“直流输电具有快速响应特点，能有效提高系统稳定性”。“直流输电没有相位和功角，只要电压和网损等技术指标符合要求，就可以达到传输的目的”。“运行、管理简单方便，深受各部门欢迎”，这是施工单位的经验总结。②既然如此，至今除了几个远距离高压直流输电工程外，为什么没有走进中、低压输、配电系统呢③？难道直流技术仅仅只能“背靠背”解决交流输电的联网问题吗？难道只直流技术低端比高端还复杂不合算吗？还是直流电能本身的缺陷呢？笔者以为，应当追根逆源，寻求答案。
电力体制的改革不只限于管理方式的改变，更应注重基本技术层面的革新。让我们回顾电能发展史，透析交、直流电能的本征特性，结合现代电力电子科技新成就，扬长被短，调整传统思维模式，在电能的生产—输配—消耗链条中寻求最佳切入点，也许会对我们的“根本变革”有所启发。
二、电能应用的演变
人们早就发现了磁与电，到18世纪后才逐步认知电磁现象的本质并开启电气应用。1834年，第一台商用直流发电机在伦敦问世；1853年，第一台电梯的动力就是直流电动机；1882年，成功地进行了远距离直流输电；电报、电话、电灯相继应用；随着变压器的发明，交流输电术得到迅速发展。可见，电力走进工业是直流领先，随后交流电能被广泛用于各行各业，引领着电器工业的发展，而直流电力几乎退出历史舞台。
为什么直流电动机调速性能好，而交流感应电动机调速困难却后来居上呢？这应归结于机械整流子工艺复杂，制造、维修都麻烦，从而高额的生产费用阻碍了直流电的发展；而交流电生产成本较低，其电动机即感应式鼠笼电机结构简单，经济实惠，经久耐用。尽管其机械性能差一些，也正好满足早期工业粗放式发展的要求而倍受欢迎。
由于电能的灵活与便捷，使其他的水力、化石等能源尽量转化为电能来消耗。从而交流电能成了国民经济的血液，交流电网即为能源动脉。交流电动机有如全球工业的引擎，消耗着世界总发电量的一半以上。
二十世纪末，变频调速器开始工业应用，弥补了对交流感应电动机的调速要求，使之机机械性能驱于完美。机械整流子直流电动机被彻底淘汰退出历史舞台。
两个多世纪以来，电工技术理论、电力技术、电机电器制造、无线电通信以都得到了极大的发展。第三次能源革命实质上是交流电能技术的巨大成功。并且，近半个世纪来，半导体技术、大规模集成电路和电力电子器件也得到了飞速的进步，引领着电力消费方式多样化发展。
然而，由于大规模碳排放严重恶化了自然生态环境以及化石能源的消碣，给电气化文明社会敲响了警钟。先发达地区的经历教训，迫使国际社会改革能源体制、进行能源生产和消耗方式的根本变革。拉开了发展绿色的可再生能源，建设100℅可再生能源城市风起水生。
这就是当前的第四次能源革命吧。
三、交、直流电能的品性
1、交、直流电的性质：
1）数学描述：顾名思义，交流电是交变的周期性时间函数，有幅值、频率、相位三个主要参数。严谨地看则是由一系列高次谐波组成。但电力工程上只采取基波，其他次谐波便成为不利因数；而直流电是稳定的。一定的标称电压值为恒定的常数，其波形为一条平直的水平线。
2）电路阻抗（稳态）：交流电路的阻抗由欧姆电阻、感抗、容抗合成，形成了电流对其电压的相位移动造成功率因数低下及谐振现象等；对于高频或长线而言，它还是一个因边界而异的分布参数。而直流电路只有欧姆电阻而已。
3）交变电磁场 交流电路的磁场属性带来了磁路饱和、集肤效应、波形畸变等有害现象，其综合效应都是增大损耗，降低效率，并形成噪声、电磁干忧，恶化环境；直流电一旦产成，不存在上述弊病，可谓清洁安全。
2、质量参数及可融合性
1）交流电能质量三要素：频率、电压、谐波；直流仅电压值而已。
2）直流电路为线性，简易方便；交流电路基本为非线性，不言而喻。
3）可融合性：交流电要求电压、频率、相位完全一致，才能互相兼容即并联运行，否则，导致系统不稳定直至烧毁；直流电只要标称电压相同，同名端以致即可并联流通。
4）三相交流要求三相平衡，无论是三相电机还是三相电路连同三相负荷，都必须达到三相平衡。否则，内部环流造成有功率损失。
3、技术、经济性能比较
1）监于前述，交流电路的高次谐波、功率因数、集肤效应、磁路饱和等多变量，其综合效果都是导致交流电能的损耗增加，其生产—传输—消费全过程复杂化、专业性强、控制难度大，从而设备投资大，运行费用高。这是经济效益不确定的微、小电源难以入围的。
2）直流电的生产由于其整流过程而成本较高，然而续后的运作过程则简便得多，如直流电压即使有些波动和毛刺控制处理也较为简单容易。其运行过程中的检测、计量、管理、调度、维护等技术简约，投入少；技术、经济性能相对要好得多。
3）电能传输：三相交流须要三、四根导线；而直流只要两根甚至一根都可以了，既节省材料又节约空间。
4）交流电入网门槛高，造成局域网、分布式微电能源入网困难；直流电网“不受同步运行稳定性问题的约束”， “运行、管理简单方便，深受各部门欢迎”。
综合起来看，直流电的纯正秉性带来了技术上的简明，经济上的节省；这在理论上或是现有工程实例都已得到了充分的验证。
四、现代电力消耗新动向
1、生活用电上升快
据有关统计，发达国家的生活用电量已接近总电量的20﹪，我国目前虽低，但随着城镇化进程，随着改革红利的普遍惠及，我国的生活用电量也会大幅上升的。
2、照明、电热、制冷、电视、电脑等现为单相交流供电，实为直流电载荷。现有这种交流电直流消费模式，事实上是一种惯性思维浪费。
新式电能载荷几乎全都适用直流供电，如最有希望的照明器件LED将会迅速发展，它用的就是低压直流电。如果还通过交流整流模式送电，岂不浪费更多了吗。
3、交通运输电能，不管高速列车、磁悬浮列车或电动汽车都是直流负载。可以肯定，以煤、油为动力的机车即将淘汰完毕，即使长途汽车也将逐渐被电动汽车取代。估计，仅此一项电能将达总量的30﹪。
4、前面谈到感应式鼠笼电动机是用电大户，那不都用交流电吗！？真是时代不同了，它们已经大都改吃直流电了！不信吗。前面不是说过“由于变频调速器的成熟应用，弥补了对交流感应电动机的调速要求于完美”。现在连水泵风机都装上了变频器，冰箱空调也装上了变频器，还有什么动力设备没装变频器呢，否则只有被淘汰了。
又现在的变频器是按照交流电源来做的，如果采用直流电源的活，那么，变频器做得更要节能、更小、更经济。这就是电力电子技术进步的红利！
5、当今，大量电子设备的投入，特别是变频器的使用，生成了大量的高次谐波，使得原有的交流网路是难以维持，亟待动态补偿。从而出现了低压电网普遍面临动态补赏的技术改造问题。
直流电能在生产环节一次性处理好高次谐波及无功补赏之后，就可收到一劳永逸之效。尽管操作过程也会出现谐波起伏，凭网路自有的平波及储能设备即可自行消化，比起前者也要灵活经济得多。
6、适应节能型社会的要求，对于制动能量的回收日益重视。但是，大家看到现有的交流电网十分挑剔，致使回馈到电网难以实现。从而使得有关能源回收的法规和技术措施流于形式而已。
如果采用直流网路，不仅可以充分利用回馈技术，还可简化回馈设施，进一步提高能源效益。
7、近年实践证明，直流适宜于水下输电②。在有色金属和绝缘材料相同的条件下，两根芯线的直流电缆输送功率Pd比三根芯线输送的交流电Pa要大多；当采用双极线路时，如果一线出现故障，可以以大地或水路代替，从而还可继续输送一半的功率，这就大大提高了直流电网运行的可靠性；
8、直流电能可以随时存取，又能与化学能源交换，这是网络“削峰填谷”的技术保障。光伏、电动车既是纯直流负荷又是储能站，正好与低压直流母线之间直投直供，实现无变流环节的双向流动，到达电能供、需互补的良性循环，获取最佳的经济效益。
9、电力电子技术的发展与应用，进一步凸显了直流电能的经济性能。例如电子换流器已成功取代机械整流子，从而解决了直流电能生产成本的技术问题。我国的电力电子器件已经取得跨越式的发展，能够批量供应10000A、8500V的整流管和2400A、6500V的IGBT管，这在中低压范畴内，已经完全能够满足需求。
由上可见，现代科技正驱向直流电的简约性，体现出电力消费方式正向直流方向转移。电力变流技术为直流电能体系奠定了物质基础。反之，直流电能又将帮助提高能量利用率，推动第四次能源革命，促进我国生态文明、节能环保型社会建设。
为此，应大力研制高压大功率晶闸管、直流断流器和储能器件，建设世界第一流电气能源体系，为我国民经济迈向世界第一而努力。
五、发挥直流电能优势，开发直流电网，推进电力体制改革
前面已经论证了直流电能之简捷、高效、经济与清洁安全性能，完全适应节能环保社会要求，可以推进能源结构调整，为发展可再生能源提供了技术物资基础：
1、直流低压输配（110~220V）网络适应光伏电源直投直供，无须中间变频与整流设备，既降低成本又提高能量利用效率；
2、直流网路稳定可靠，运行、管理、简单方便。便于收集分布微电电能，适宜风电、小水电、光伏等小微电源上网，双向互利；
3、鉴于直流水下电缆的经济可靠性能，很适合规划我国南方水乡并高密度的受端网络，将带来十分经济可观的社会效益；
4、结合“十二五” 规划的城镇化建设，推广直流输配供电网络，是促进清洁、低碳、可再生能源持续发展④的有效途径，也是推动我国能源体制机制革命的科学决择。
----------------------------------------------
①《中国能源》2013第10期《推动我国能源生产和消费革命初析》
②《高压直流设备基础》中国南方电网超高压输电公司 编
③2013-12-25，本文已修改完毕。晚上7点半CCTV1新闻节目报道了“世界首条直流多端柔性电网”，待知详情。此处暂时这样不改了。
④笔者以为：核能不应算作再生能源，核泄漏是最大的污染，契尔络贝尔和福岛核站的教训可见。况且，核能载体用过之后也无法再生。
京公网安备 11010602130025号