交直流之爭(zhēng) 直流電能否東山再起

核心提示

電能是生產(chǎn)生活必不可少的能源。最初人們以直流方式輸電，但是這種方式不能滿足當(dāng)時(shí)供電的需要，為此科學(xué)家發(fā)明了交流發(fā)電、輸電的方法。隨著時(shí)間的推移和電力系統(tǒng)的變化，交流電自身的局限暴露出來(lái)，人們又再一次把目光轉(zhuǎn)向直流電。

近日，中科院發(fā)布了《科技發(fā)展新態(tài)勢(shì)與面向2020年的戰(zhàn)略選擇》研究報(bào)告，報(bào)告中提出未來(lái)5至10年電網(wǎng)可能實(shí)現(xiàn)從交流向直流的重大變革。這種變革有著什么樣的時(shí)代背景?兩種模式究竟孰優(yōu)孰劣?記者就此采訪了專家。

百年前愛(ài)迪生力挺直流電但交流電最終贏得市場(chǎng)

記者：李教授，據(jù)說(shuō)早在100多年前的19世紀(jì)末，科學(xué)界就曾上演過(guò)一場(chǎng)“交直流之爭(zhēng)”?

李國(guó)杰：是的。1831年英國(guó)科學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并在電磁感應(yīng)的基礎(chǔ)上制出了第一臺(tái)發(fā)電機(jī)。英國(guó)科學(xué)家麥克斯韋則用數(shù)學(xué)方程將法拉第發(fā)現(xiàn)的電、磁關(guān)系準(zhǔn)確表達(dá)出來(lái)。在麥克斯韋的成果上，德國(guó)科學(xué)家西門(mén)子發(fā)明了實(shí)用的交流發(fā)電機(jī)，而比利時(shí)工程師格拉姆發(fā)明了第一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)。

不同的發(fā)電方式，為后來(lái)電能輸送的“交直流之爭(zhēng)”埋下了伏筆。圍繞“究竟應(yīng)該使用交流輸電還是直流輸電”這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家們的態(tài)度劃分為截然不同的兩派：美國(guó)發(fā)明家愛(ài)迪生、英國(guó)物理學(xué)家開(kāi)爾文都極力主張采用直流輸電;而美國(guó)發(fā)明家威斯汀豪斯和英國(guó)物理學(xué)家費(fèi)朗蒂則主張采用交流輸電。

記者：為什么科學(xué)界會(huì)有這種旗幟鮮明的爭(zhēng)論?

李國(guó)杰：產(chǎn)生“交直流之爭(zhēng)”的最根本原因主要有兩方面。

首先，這是一場(chǎng)利益之爭(zhēng)。1882年愛(ài)迪生電氣照明公司在倫敦建立了第一座發(fā)電站，安裝了3臺(tái)愛(ài)迪生研制的“巨漢”號(hào)直流發(fā)電機(jī)。而且，該公司還生產(chǎn)直流發(fā)電機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)等直流發(fā)、用電設(shè)備。非常明顯，如果廣泛使用直流輸電方式，那么愛(ài)迪生的公司將會(huì)獲得市場(chǎng)及巨大的財(cái)富利潤(rùn)。因此，愛(ài)迪生反對(duì)交流輸電。

其次，這還是一場(chǎng)學(xué)術(shù)之爭(zhēng)。直流發(fā)電機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，直流電壓、電流、功率等電量也容易理解。而交流電是交變的電量，交流電壓、電流的瞬時(shí)值不是恒定的，由于愛(ài)迪生基本沒(méi)有接受過(guò)正規(guī)教育、缺乏理論知識(shí)，難以解決交流電涉及到的數(shù)學(xué)運(yùn)算，阻礙了他對(duì)交流電的理解，所以他反對(duì)交流電。

記者：可是我們知道，最后在這場(chǎng)爭(zhēng)論中，依然是交流電勝出了，這其中有哪些必然的原因?

李國(guó)杰：雖然大發(fā)明家愛(ài)迪生力挺直流電，但是在技術(shù)不成熟的時(shí)代，直流電有著十分明顯的缺點(diǎn)，這最終造成了它的失利。

電工學(xué)知識(shí)告訴我們，輸電距離越遠(yuǎn)則損耗越大、線路引起的電壓壓降也越大。1882年愛(ài)迪生在紐約珍珠街電站輸電線路全長(zhǎng)只有1.5公里，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際的電力輸送需要。為了將電能送到更遠(yuǎn)的地方，就需要升高電壓。由于當(dāng)時(shí)發(fā)電機(jī)輸出電壓較低，直流輸電只有通過(guò)串聯(lián)發(fā)電機(jī)輸出電壓的方法將電壓升高，到了用電方也需要用串聯(lián)的方法使用，這些都構(gòu)成了直流發(fā)電系統(tǒng)可靠性大大降低。

而另一方面，1883年，法國(guó)科學(xué)家戈拉爾和英國(guó)科學(xué)家吉布斯發(fā)明了實(shí)用價(jià)值的變壓器。1885年，美國(guó)科學(xué)家威斯汀豪斯制成現(xiàn)代實(shí)用性能的變壓器。變壓器將交流電進(jìn)行升壓、降壓變換。交流變壓器的發(fā)明，使得交流輸電電壓更高、輸送距離更遠(yuǎn)，這使交流輸電徹底勝出，交流電隨后在全世界范圍內(nèi)被迅速推廣。

19世紀(jì)末，交流輸電地位的確立，成為電力系統(tǒng)大發(fā)展的起點(diǎn)。

百年間電力技術(shù)日新月異直流電優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯

記者：在今天用電環(huán)境下，交直流都各自擁有什么樣的優(yōu)缺點(diǎn)呢?

李國(guó)杰：交流輸電優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需整流、逆變轉(zhuǎn)換，工程簡(jiǎn)單。但遠(yuǎn)距離交流輸電可能引起系統(tǒng)振蕩，由于不能對(duì)交流系統(tǒng)故障進(jìn)行快速隔離，交流電網(wǎng)局部故障可能引起大面積交流系統(tǒng)崩潰。另外，交流輸電還存在以下不足：海底電纜采取交流輸電時(shí)由于電容效應(yīng)需要進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償;兩個(gè)不同頻率的交流電不能連接在一起;交流系統(tǒng)需要采取無(wú)功補(bǔ)償?shù)却胧┮蕴岣呦到y(tǒng)的穩(wěn)定性。

而直流輸電優(yōu)點(diǎn)則是直流輸電只需2根電纜，因此電纜成本省了1/3，對(duì)于500千伏輸電，超過(guò)300公里用直流輸電更加經(jīng)濟(jì)。而且直流輸電還能有效地對(duì)電網(wǎng)故障進(jìn)行隔離，防止故障擴(kuò)散;2個(gè)不同頻率的交流系統(tǒng)可以通過(guò)背靠背直流相連接;采用直流電纜無(wú)需進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償;同樣電壓等級(jí)，直流輸電能輸送更大功率，電纜損耗小。不過(guò)它的缺點(diǎn)是直流換流站(整流、逆變)故障將影響系統(tǒng)的運(yùn)行，換流站造價(jià)高、占地面積大。

在我國(guó)電力系統(tǒng)處于交直流共同發(fā)展的階段，“西電東送、交直流混合運(yùn)行”是目前我國(guó)電網(wǎng)的一大特點(diǎn)。

記者：時(shí)至今日，很多研究者認(rèn)為，不遠(yuǎn)的未來(lái)，直流電會(huì)東山再起，這是為什么呢?

李國(guó)杰：交流系統(tǒng)的日益發(fā)展與復(fù)雜化，使之不可避免地出現(xiàn)大面積停電的事故。如2003年北美大停電、2012年印度大停電等，對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等影響非常之大。而與之相對(duì)的，大功率電力電子技術(shù)的發(fā)展與成熟使得直流輸電受到青睞，遠(yuǎn)距離大功率輸送促