本报告预测我国未来能源和电力的短缺将严重制约经济和社会的发展。我国可持续发展能源战略的核心是加快国家电气化的进程，尽可能提高电力在终端能源中的比例.报告还介绍了沿海地区发电一次能源多样化的趋势以及"西电东送"工程的作用和制约因素。

　　报告重点讲述了应对能源短缺的挑战，技术进步带来的机遇；分析了现代社会对电力新技术的需求和高技术与传统电力技术交叉、融合的发展趋势；介绍了电力高效、洁净地生产、传输、储存和使用的新技术及其市场前景；介绍了燃料电池、微型燃气轮机（Microturbine）等分布式电源、集成化电力设备、灵活的交流输电（FACTS）技术、灵活、可靠、智能配电系统（FRIENDS）、先进的表计系统与电力线路通信技术等。

　　1、电气化是实现可持续发展的的桥梁
　　人类步入二十一世纪时面临的重大挑战是实现经济和社会的可持续发展。而在实现可持续发展的条件下保证充足、可靠的电力供应又是议事日程上最紧迫的任务之一。

　　根据中国工程院的研究，由于我国人口众多、人均资源量极其有限、环境问题突出、能源效率低，要在实现可持续发展的前提下满足日益增长的能源和电力的需求，必须依靠技术创新，加速我国电气化的进程。美国国家工程院（NAE）评选出的20项 "20世纪最伟大的工程技术成就"中，电气化名列榜首。这是因为：电力的广泛应用使劳动生产率和人民生活水平发生了革命性的变化，造就了当今信息社会的繁荣，电已经成为
现代社会不可须臾离开的必需品。

　　面向未来， 专家们指出，为了实现可持续发展，应尽可能把一次能源转换为电能使用，尽可能提高电力在终端能源中的比例。这是因为：在保证相同的能源服务水平的前提下, 使用电力这种优质能源最清洁、方便、易于控制、效率较高。特别是对以煤炭等矿物燃料为主要能源的国家，如果将大量分散燃用的化石燃料高效、洁净地转换为电力使用，我们赖以生存的环境、产品质量和人们的生活质量就会大大改善。因此，电气化又被称为"通向可持续发展的桥梁"。

　　2 、美国加州能源危机的启示
　　美国加州由于长期依赖外部输入电力，加上电力改革措施的不当，导致电力危机,使电价飞涨、电力企业破产、缺电严重。

　　最近送交美国布什总统的"国家能源政策报告"在评论加州能源危机时指出："加州能源危机并非电力市场引入竞争的好处的试验，相反，它表明，如果电力供应不能与需求的增长保持同步，一个设计蹩脚的零售竞争计划会产生灾难性的后果。加州能源危机的核心是供应危机"。 这份"国家能源政策报告"的制定小组成员包括副总统切尼、国务 卿包维尔及12个政府部门的负责人，因此，报告具有很高的权威性。该报告预测，尽管能源效率提高，但美国至2020年能源需求将增加到127 X 10 14 Btu , 而国内能源生产只能供应 86 X 10 14 Btu，短缺达50 %。2020年前美国需要增加393，000 MW 的发电装机容量，需要新建1300 - 1900 个电厂，即每年有60 - 90 座电厂投运。该报告警告说，"在今后数年内，如果电力需求如预测的那样继续增长，如果美国政府未能实行一项增加能源供应能力的全面计划，则电力短缺的困难将会增加，其后果是付出更大的代
价，电力供应可靠性会更低"。

　　作为世界上头号能源消耗大国（其人均能耗为我国的10 倍），尚且在策划应对能源、电力短缺的危机，我国正处在工业化过程中，更应当对未来的能源、电力短缺的前景有清醒的认识。

　　统计数据表明，所有发达国家的人均国民生产总值达到5000－6000美元的目标之前，人均装机容量便已超过1kW了。2000年底，我国发电装机容量已达3.16亿千瓦，电力生产总量已居世界第二，而人均装机仅0.24千瓦，大大落后于世界平均水平，距离现代化国家应有的用电水平更远。目前有些地区电力相对过剩，是经济转轨过程的暂时现象,不能说明电力紧缺的危机已经过去。

　　根据国内外研究机构的预测，广东等沿海地区，由于经济的快速增长，电力的需求增长幅度会更大，因此，面临大量的电源和输配电设施的建设任务。

　　"西电东送"是中央西部大开发战略的重要组成部分，是解决沿海能源资源不足的重要途径。加快"西电东送"的步伐无疑是必要的。但是，有人认为：应当用行政手段限制沿海地区电源的建设，以便给"西电东送"留出市场空间。这把在沿海地区建设新的电源与"西电东送"对立起来。实际上，建设新电源与"西电东送"是相辅相成的。

　　国家已决定在"十五"期间建设三峡- 惠州（3000MW）、安顺- 肇庆（3000MW）两条超高压直流输电线路，加上新近投运的天生桥- 广州的天广直流输电线路，预计送电能力可达7800 MW。再加上现有和新建的500 kV 交流输电线路， 共计送电能力可达10000 MW。这一计划的实现无疑会对缓解广东地区电力的短缺作出贡献。但是，这项工程并不能取代在广东新建电源。首先，要发挥 "西电东送"的效益，需要解决一系列涉及电网安全稳定的问题。电力系统的仿真研究表明，为提高静态电压稳定水平，减少落点在同一负荷区的多条直流输电线路的相互影响、提高广东电网接受西电东送的能力，必须加强受端电网的电压支撑。从短期的观点看问题，新建骨干电源，有利于加强西电东送的受端电网，有利于全网的安全稳定运行，从而有利于"西电东送"目标的顺利实现；从长远的观点看，东部电力的缺口太大，而"西电东送"由于输电技术和经济方面的制约因素，作用仍然有限，不可能取代沿海新建电源。

　　3 电力技术的发展趋势
　　新技术出现和技术发展的走向是由经济和社会发展的需要所决定的。由于可持续发展的要求，电能能高效、洁净地生产、传输、储存、分配和使用的技术将成为未来电力技术的主导发展方向。
未来发电、输电和配电的特征是：
1）高效洁净的发电系统 专家们预测未来的发电系统应当对环境实际上没有影响，即不仅不排放二氧化硫等有害气体，还具有"脱碳"（Sequestration）的功能；
2）高度可靠的输配电系统 随着电力系统规模的扩大、负荷密度和用户重要性的增加,电力系统事故的后果更严重，因此对输配电系统的可靠性要求不断提高；3）对环境友好的输配电系统 未来的输配电系统必须满足环境保护的要求，把线路和变电站可能产生的电磁干扰、静电感应、噪声、电磁场的生态效应、以及对景观的影响降低到最低限度。
4）提供可靠、优质、个性化服务的配电系统
随着计算机、微电子设备等敏感设备的广泛采用，用户对电能质量要求越来越高。例如生产大规模集成电路的工厂，即使是电压的瞬时下降或升高，均可导致严重的后果。未来输配电系统必须满足重要用户对电能质量的要求。
5）灵活开放的输配电系统

　　电力行业面临着"放松管制"（Deregulation）的改革。政策法令允许实行趸售托送，发电厂和电力用户可以根据协议通过电网售受电力。电网作为电力市场的物质载体，即发电厂和电力用户间电力交易的渠道，需要满足对电力潮流灵活调节控制的要求。由于大范围的电力交易，使线路的负载普遍增加。有的线路的负载已接近稳定极限。需要在强化电网、提高系统稳定性的同时提高电网的灵活性和开放性。

　　这些新技术有的是现有成熟技术的延伸；有的是近年研究成功，接近商业化的技术；有的则是面向未来长远需求正在研究中的新技术。总体来看，当今电力技术的发展显现出高技术与传统电力技术交叉、融合、集成的趋势

　　4 高技术与传统电力技术融合带来的机遇 　　近年来，由于在高技术领域信息技术、电子技术、材料技术的突飞猛进，为传统的电力系统的变革提供了技术基础。以下仅举数例加以说明。

　　4．1 "硅片引起的第二次革命"和灵活交流输电技术
　　基于硅片的大规模集成电路是现代信息社会的基础，这被称为"硅片引起的第一次革命"；基于硅片的电力电子器件向高电压、大功率方向发展，将使电力系统发生重大变革，这被称为"硅片引起的第二次革命"。

　　灵活交流输电 (FACTS) 是基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压、相位实施灵活快速调节的输电技术。它可以用来对系统的有功和无功潮流进行灵活控制，以达到大幅度提高线路输送能力、阻尼系统振荡、提高系统稳定水平的目的。

　　电力电子器件的快速发展使灵活交流输电的设想成为现实。近十年来，可控整流器、可关断器件的开断能力不断提高。目前，100mm直径的晶闸管的耐压已达到6kV-10kV的水平，通过电流已达到6kA以上，6kV，6kA的可关断晶闸管元（GTO）件已有商品。单个电力电子器件的开断能力已达到30MW- 40MW的水平，使电子开关用于高电压、大功率的输配电一次系统成为可能。

　　灵活交流输电设备可分为：（1）串联型灵活交流输电设备，例如，可控串联补偿器（TCSC），即晶闸管控制的串联补偿器、静止同步串联补偿器（SSSC）即可关断器件控制的串联型同步电压源；（2）并联型的灵活交流输电设备，例如，静止同步补偿器（STATCOM），即可关断器件控制的并联型同步电压源；（3）混合型灵活交流输电设备，例如，统一潮流控制器（UPFC），即STATCOM和SSSC的组合；可转换静止补偿器（CSC
）等。

　　近年来，灵活交流输电技术已经在美国、日本、瑞典、巴西等国的重要的超高压输电工程中得到应用。有代表性的FACTS工程有：美国卡因塔230 kV可控串补工程；美国斯拉脱500kV可控串补工程；瑞典斯多德可控串补工程；美国TVA公司沙利文静止同步补偿器工程；美国AEP公司依乃兹统一潮流控制器工程等。

　　美国卡因塔230 kV可控串补工程投运后，使这条输电线路的输送能力突破了稳定极限，收到显著的经济效益，四年就收回投资。

　　1999年1月巴西在500 kV的联络线上安装了两套部分可控串补设备，成功地阻尼了南北电网联络线的低频振荡。

　　在新的电力电子器件的研究方面也取得重要进展，一方面正在研制经济性能好的器件，以便降低设备造价；另一方面，研制开断功率更大的高性能器件。最近，国外公司宣布研制成功以碳化硅（SiC）为基片的电力电子器件。基片的耐压和热容量可大幅度提高，而元件的损耗却大大降低，从而使元件的断开功率可望有数量级的飞跃。这预示用固态断路器取代传统机械的高压断路器（油开关、六氟化硫开关、真空开关等），使
数字化的电力系统成为可能。

　　4．2 集成化电力设备
　　变电站的站址和线路走廊成为稀缺资源。为了实现电气设备紧凑化、模块化的目标，出现了不同电气设备集成和强电设备和弱电设备集成的倾向。因为占地小、结构简单，可以减少变电站投资、缩短安装周期、减少环境影响。

　　由于绝缘材料、光纤测量技术和制造工艺的进步，现在已研究出包括断路器、隔离
开关、接地开关、电压及电流互感器、传感器及控制保护设备在内的紧凑化模块化的智
能开关设备，它可以视为GIS和敞开式设备以及控制设备的集成。这些设备有的称为
PASS，有的称为COMPASS，集成的程度有所差别，但设计思想是相同的。

　　绝缘材料的进步，特别是电缆技术的进步促进了发电机和变压器的集成。外国公司最近研制成功"电力发生器"（Power former），实质上是超高压发电机。由于电缆技术的进步，可以用电缆来代替原来发电机定子中的矩形截面的导线，使电机绝缘的耐压成数量级的提高。发电机出口的电压可以提高到400kV，不需要升压变压器就直接联接到架空线路。"电力发生器"的优点除了使升压变电站大大简化以外，还有电机散热性能好，短路电流小，便于检修等优点。

　　4．3分布式发电装置
　　分布式发电装置（Distributed Generation）是指功率为数kW至MW的小型模块式的，与环境兼容的独立电源。这些电源由电力部门、电力用户或第三方所有，用以满足电力系统和用户的特定的要求，如调峰、为边远用户或商业区和居民区供电，节省输变电投资、提高供电可靠性等等。分布式电源主要是指微型燃气轮机（Micro-turbines）和燃料电池（Fuel Cell）。

　　由于公众对输电线路可能产生的电磁影响的忧虑，开辟新的线路走廊越来越困难。此外，由于电力市场自由化和降低电价的需要，直接安置在用户近旁的分布式发电装置便成为一种有竞争力的替代方案。分布式的电源可大大地提高供电可靠性，可在电网崩溃和意外灾害（例如地震、台风、暴风雪、恐怖分子袭击、战争）情况下维持重要用户的供电。此外，如何确保一些重要的集会和庆典供电安全是困扰我国供电部门的一个重要问题。如果有分布式的电源处于运行状态，则供电的可靠性会大大提高。

　　此外，发展电动车的电源是研究发展分布式的电源的重要推动力。

　　4．3．1 燃料电池
　　燃料电池是直接把燃料的化学能直接转换为电能的装置。是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式，被称为二十一世纪的分布式电源。燃料电池的工作原理颇似电解水的逆过程。通常，完整的燃料电池发电系统由电池堆、燃料供给系统、空气供给系统、冷却系统、电力电子换流器、保护与控制及仪表系统组成。其中，电池堆是核心。低温燃料电池还应配备燃料改质器（又称为燃料重整器）。高温燃料电池具有内重整功
能，无须配备重整器。

　　磷酸型燃料电池（PAFC）是目前技术成熟、已商业化的燃料电池。现在已能生产大容量加压型11MW的设备以及便携式250KW等各种设备。 第二代燃料电池的溶融碳酸盐电池（MCFC），工作在高温（600-700℃）下，重整反应可以在内部进行，可用于规模发电，现在正在进行MW级的验证试验。固体电解质燃料电池（SOFC）被称为第三代燃料电池。由于电解质是氧化锆等固体电解质，未来可用于煤基燃料发电。质子交换膜燃料电池则是最有希望的电动车电源。

　　燃料电池有以下的优点：
（1）有很高的效率，燃料电池的理论发电效率可达100 %。实际发电效率可达60 %。通过热电联产或联合循环综合利用热能，燃料电池的综合热效率可望达到80%以上。燃料电池发电效率与规模基本无关，小型设备也能得到高效率。（2）处于热备用状态的燃料电池跟随负荷变化的能力非常强，可以在一秒内跟随百分之五十的负荷变化；(3)噪音低； (4)可以实现实际上的零排放；(5)省水；（6）安装周期短，安装位置灵活，可省去新建输配电系统的投资。

　　4．3．2 关于燃料电池产业化
　　实现燃料电池大规模应用的障碍是造价高，它在经济性上要与常规发电方式竞争尚需时日。燃料电池商业化的技术关键涉及电池性能、寿命、大型化、和价格等项目，主要涉及新的电解质材料和催化剂。例如。磷酸燃料电池（PAFC）采用高浓度磷酸为电解质。高浓度磷酸在电池工作温度下腐蚀性很强，要求电池组成材料有良好的导电性能和耐腐蚀性。电极载体用碳，催化剂则采用铂系金属。为保持电极防水性，将部分碳颗粒
用防水性很好的聚四氟乙烯薄膜包埋，即以催化剂颗粒、载体碳粒和表面覆有聚四氟乙烯的碳颗粒为材料制备电极。成本是实现PAFC大规模应用的主要障碍之一。现在PC-25机组的设备费为3000美元/kW，比常规的火电设备费高出许多。研究的方向在于降低成本，通过开发廉价催化剂或减少催化剂用量，以及开发新的电解质以取代腐蚀性强的磷酸。

　　熔融碳酸盐电池（MCFC）在高温条件下液体电解质的损失和腐蚀渗漏降低了电池的寿命，使MCFC的大型化及实用化受到限制。需要解决电池构成材料的腐蚀；电极细孔构造变化使电池性能下降等问题。

　　固体氧化物燃料电池（SOFC）使用固体电解质且工作温度很高,对构成材料及其加工有特殊要求。为了得到高温下化学性稳定和致密性（不通过气体）的电解质，在氧化锆中加入Y2O3成生钇稳定氧化锆。为了降低工作温度应尽可能减少电解质薄膜厚度。通常采用熔射法、烧结法和电化学蒸发涂层法制备电解质薄膜。实用的电解质膜的厚度为0.03-0.05mm。比较先进的已达到0.01mm。这样薄的电解质陶瓷材料除应当有足够的机械强度外，必须具有高度的气体致密性，否则将丧失燃料电池的性能。燃料极使用镍锆等耐热金属陶瓷，镍还用作燃料重整的催化剂，空气极在运行中处在高温氧化中，难以使用一般金属。铂的稳定性好，但费用昂贵，需要寻找替代材料，可用电子导电陶瓷。为了降低工作温度，另外一个重要的研究方向是寻找低温的质子导电的电解质。工作温度倘能降低到700 0 C 以下，SOFC 的造价就可以大幅度降低。

　　4．3．3 微型燃气轮机
　　微型燃气轮机（micro turbine）,是功率为几kW 至几十kW，转速为96000 rpm，以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机，工作温度500 O C 左右，其发电效率可达 30 %。目前国外已有产品出售。如Capstone 公司生产的微型燃气轮机发电效率28 %，功率75千瓦，可以连续运行6000小时无须检修。其技术关键是提高超小型燃气轮机的效率、高速轴承、永磁电机材料、加工技术等。

　　4．4 灵活、可靠、智能配电系统
　　灵活、可靠、智能配电系统（FRIENDS）是一种灵活、可靠性高、可提供多品质电力的电能流通系统。它相当于用户附近的一个电力改质中心。改质中心产生多种品质的电能，通过静止开关可与高压侧配电线和低压侧配电线灵活地连接。另一方面通过连结的光缆网，改质中心还进行信息处理和交换。它的重要功能是：(1) 通过电力电子开关和分散信息处理，构成灵活的供电系统，能应付平常、事故和作业停电等各种情况；(2) 利用分布式电源和电能贮存设备，做到基本不停电的，高可靠性供电；(3) 用户可自由选择电力品质、种类和供电者；（4）改善双向信息服务和用户服务；（5）可以实现用户侧控制。

　　4．5 配电管理系统
　　配电管理系统是配电技术中更新最快的一个领域，其内容通常包括：SCADA系统、馈线自动化系统、地理信息和设备管理系统GIS、故障报修应答系统、负荷管理系统、自动抄表系统等。这些系统通常有不同的组合，并可与离线的管理信息系统集成。未来的配电自动化系统发展的趋势是：发展建立在开放式计算机平台上的综合配电自动化系统，以实现配电系统的数据采集监视、无功自动调节、故障隔离、设备管理、负荷控制、用电管理等功能。同时，还可以与其他离线的管理系统和信息系统交换共享信息资源。

　　4．6 先进表计系统和电力线通信系统
　　先进仪表(Advanced metering)是未来配电的重要组成部分。现代电能表计系统除电能计量的功能外，还具有负荷调查（实现所谓的"不打扰的调查"）、实时电价、电价区间指示、电能质量监控的功能，此外还具有双向通信、用户访问、自诊断及警报、误差软件补偿功等重要的功能。许多公司正在研究电力线通信（Power line Telecommunication ）,即用配电线路传送多媒体信息。主要是着眼利用电力线通道的宝贵资源。已经有一些公司声称取得了成功，但由于配电网的拓扑结构极其复杂，要获得高质量的多媒体信息传送，还有许多技术困难有待克服。