新智能电网：21 世纪的技术，面向 21 世纪

_PopSci.com 欢迎杜克大学尼古拉斯环境学院院长 Bill Chameides 博士回归。Chameides 博士在 The Green Grok 博客上撰文，就环境科学引发热烈讨论，用通俗易懂的语言（希望还有些趣味）让您了解科学界的最新发现及其对您的影响。现在，PopSci.com 与 The Green Grok 合作，在 Grok 博客发布前一周为您带来独家新博文。快来阅读并参与讨论吧！_

首先，回顾上周的博文：19 世纪末，托马斯·爱迪生力推分布式电力输送系统。他的梦想并未完全实现。取而代之的是，乔治·威斯汀豪斯于 1891 年左右设计的系统得以成型，并构成了当今电网的结构：一个集中式系统。

当今电网：存在的问题

尽管它基于威斯汀豪斯的设想，但他可能也认不出我们目前的电网——这是一个由约 16,000 座发电厂组成的庞大系统，通过数十万条输电线路连接，每年向数百万用户输送电子。总而言之，我们每年消耗的电量超过 40 亿兆瓦时（参见图 1 此处，了解能源来源细分）。

我们习惯于按需供电。我们期望打开电灯开关就能立即获得照明。为了实现这一点，我们将电网组织成三个宽区域的同步电网：东部、西部和德克萨斯州电网（它很特别，我想）。

为何同步？为何不是全国统一？这一切都与恼人的交流电 (AC) 有关，在交流电中，电子来回移动。关键在于——您不能随意将不同的发电厂、风力涡轮机或区域电网连接在一起。为了使交流电网正常工作，其中的所有电子都必须在同一时间切换方向，否则电网就会崩溃，所有人都将断电。考虑到目前采用的技术，要实现全国范围内的同步是一项艰巨的任务。因此，我们独立同步这三个电网，然后通过高压直流 (HVDC) 干线将它们连接起来。

尽管它取得了巨大的成功，但许多人认为，一个计算机化、自适应的系统（所谓的“智能”或“智慧”电网）可以做得更好。我认为智能电网可以解决四个关键问题。

为何需要智能电网：四大改进

1. 可靠性——我们复杂的电网涉及无数开关和变电站，将发电厂与电力需求快速波动的家庭和企业连接起来。不幸的是，电网对电压的微小变化和/或电子改变方向的时间（即相位）高度敏感。
像暴风雪和雷暴这样相对微小的事件，可能导致局部停电——这不是陌生的经历。但当局部故障引发一系列故障时，停电可能会蔓延到整个州——想想 2003 年 8 月。

为了解决这些问题，智能电网将是“自愈”的，这意味着问题将在实时得到检测、隔离和修复，几乎无需人工干预。

2. 双向互动——电网本身的电流是单向的——电力从发电厂输送。电网不监测用户的实时使用情况（甚至不监测太阳能电池板或风力涡轮机的发电贡献）。为了确保有足够的电力满足所有需求，电力公司始终保持超额产能；这些额外的电力会被浪费掉，除非在需求高峰的罕见情况下。效率不高。智能电网将与家庭及其智能电器互动，实时调整电力供应和需求，以最大限度地提高效率，同时防止系统过载。

3. 灵活的输电系统——当前的电网是为以燃煤电厂为代表的发电设施设计的：始终以或接近满负荷运行。这是威斯汀豪斯的系统。但它基于一个能源资源丰富的世界观，在这种世界观中，低效率和浪费是可以接受的。这种世界观不再适用。日益枯竭的化石燃料供应和全球变暖的担忧要求我们使用可再生能源，如风能和太阳能，这些资源往往是

在空间上分布的，所以与煤炭或天然气不同，电力必须在资源所在地生产；并且
间歇性的，所以需要储能系统来支持它们持续满足消费者不间断的电力需求。

将更多的可再生能源纳入我们目前的能源结构（参见饼图）需要一个混合电网，该电网结合了集中式和分布式系统的最佳特性。

这样一个灵活的电网将使用智能系统来处理各种电力来源和储能系统，同时保持稳定性。

4. 国家电子超级高速公路——最后，我们的输电系统必须能够高效地将电力输送到全国各地。为什么？考虑风能。中西部拥有大量的这种潜在资源，但人口集中在东西海岸。我们需要一种方法，以最少的电阻损耗将这些能源输送到人们手中。因此，我们必须用一条横跨全国的单条高压输电线路取代过时的干线（连接我们的区域电网），沿途设置节点，允许独立的子电网或发电站接入。为了最大限度地减少电阻损耗，这条新的输电线路很可能是一条高压直流 (HVDC) 线路。

好主意，但是……

说（或写博文）得聪明比实际（或行动）得聪明要容易。建设智能电网面临挑战。
一个问题是资金。据估计，未来十年到二十年，智能电网的成本将在 650 亿美元左右。刺激计划中的 110 亿美元充其量只是一个开始。

然后是管辖权问题。