對于電力價格奇高，電網服務參差不齊的地區，居民用戶和商家自己發電和利用儲能技術是一個很好的選擇，相關的報道也比比皆是。但對于全世界其他大部分地區，則應該將各個地區的電網互連，形成一個全球性的超級電網。

　　超級電網的理念之所以如此引入矚目是因為當前電網面臨如下挑戰：能源需求隨著城市規模的不斷擴大而迅猛增加，大量零碳可再生能源（風能和太陽能）的快速擴張以及不斷增長的電氣和物理攻擊下保證電網安全的需求。規模越小且越孤立的電網在維持電力實時供需平衡方面的能力就越差，電網的更新換代迫在眉睫。

　　當前，遠距離大容量低損耗的輸電技術已經成熟，在整個大洲、甚至全球范圍內的實現電力的供需平衡已經成為可能。若某個國家發生電力中斷，幾千公里之外的電能可以彌補其發電功率的不足。類似的，如果一個平常依賴風能的地區突然沒有風，相鄰地區的電力能夠快速彌補風力下降帶來的電力缺口。或者如果一個地區正經歷暴雨，水電站則可以將這些能量儲存起來，并（以電能的方式）輸送至需要的地方。超級電網可以全部或幾乎全部接納當前電網中的電能，因此可以有效的減少向風電場支付補償費用讓其削減發電量的情況。（儲能技術可以緩解可再生能源波動性問題，但是大規模經濟性的儲能技術還未成熟。）

　　總之，超級電網可以將遠離人口中心的電能傳輸到負荷中心（譯者注：由于可再生能源發電依賴自然資源，很多大容量集中式可再生能源發電廠往往建設在偏遠地區）。例如， 人煙稀少的澳大利亞達爾文南部區域擁有充足的太陽能資源，據估計該地區一個養牛場面積大小的太陽能發電站足夠供應整個澳大利亞的電能需求，若通過海底電纜連接到東南亞，其富余的電能還可以輸送到印度尼西亞、巴布亞新幾內亞和新加坡。超級電網具有大范圍的潮流輸送和轉移能力，電網運營商可以大量減少旋轉備用容量配置以提升電網效率。

　　建設一個全球超級電網究竟需要什么？技術上來講，這將取決于全球高壓直流輸電系統（HVDC）的建設情況。事實上，構成這一系統的大部分組件已經存在。除此之外，各地區電網運營商需考慮如何籌集足夠的資金來建設一個超級電網，制定各地區電網間進行電力交易的規則，以及制定相應的技術標準保證該超級電網安全可靠地運行。

　　對于超級電網應該采用哪種輸電技術可以追溯至電力工業起步之初，兩個偉大的發明家托馬斯？愛迪生（Thomas Edison）和尼古拉？特斯拉（Nikola Tesla）之間展開的“交直流之戰”。1982年，愛迪生成功地運營了第一座商業化的直流發電廠，但最終特斯拉的交流電技術主宰了如今的電網。

　　1895年，特斯拉所夢寐以求的美國尼亞加拉大瀑布的水利資源開發終于取得成功。幾年內，這里所生產的電能通過交流輸電線路可以傳輸到 700公里外的紐約市，證明了交流電的優越性。整個20世紀，世界上所有的電力系統幾乎都基于交流電技術。

　　交流電取得勝利的關鍵是交流電可以通過電磁感應非常容易地升到更高的電壓，從而以更低的電流輸送很長的距離，從而最小化電阻帶來的輸電損耗，隨后在進行地區性電力配送時則會降低電壓等級。在當時，直流輸電無法做到這一點。但是，電力工程師也清楚地知道，電壓較高時，直流輸電系統的表現要優于交流輸電系統，因為與交流電相比，直流傳輸的電能損失要少得多。

　　那么減少的損失是多少？假定通過高壓直流傳輸一定量的電能：若電壓升高1倍，則電流將降為原交流系統的一半，可以減少4倍的電能損失（譯者注：此處是比較電壓升高后的直流輸電與原交流輸電系統之間的關系）。同時，對電纜的需求也大大減少了，因為當直流電在通過電纜時，其內部的電流密度是均勻分布的，而交流電在通過電纜時，邊緣的電流密度要大于導體中心的電流密度，甚至中心沒有電流通過。即便是同一尺寸的導線，交流輸電的阻抗更大，將有更多電能以熱能的形式損失掉。在實際運行中，這意味著在輸電線路建設時交流輸電對基礎設施的需求更大。例如利用765kV 交流輸電系統傳輸6000MW電能，需要三根單回輸電線，輸電走廊需要180米寬。與之相比，800kV直流輸電系統的輸電走廊只需80米寬。

　　HVDC也能非常容易的實現兩個不同頻率電網間的電能傳輸。但與交流輸電線路相比，HVDC系統中換流器、電纜和斷路器等設施的造價更加昂貴，因此通常輸電距離大于500公里時HVDC技術才具有經濟優勢。隨著關鍵器件成本的降低，HVDC的經濟優勢會更加顯著。

　　鑒于直流輸電技術的這些優勢，整個20世紀，電力工程師們不斷嘗試各種直流輸電技術。高壓直流輸電系統的關鍵組件是位于輸電線兩端的交直流換流器，它可以將交流電轉換為直流電，通過直流線路將直流功率傳輸到另一端的換流器再轉化為交流電。在1960年代，換流器主要采用汞弧閥技術，這種電子開關只能打開但不能關閉，大范圍使用受到限制。

　　1970年代出現了新一代的換流技術——水冷晶閥管，一種既能打開又能關閉的大型固態開關。1978年，世界首個采用晶閥管技術的直流輸電工程在Nelson River建成，將位于加拿大馬尼托巴省北部的水力發電站的電能通過該輸電線送至加拿大人口密集的南部。

　　之后，HVDC技術在北美的發展十分有限，但在巴西、中國、印度、和西歐則取得了飛速發展。1990年代末，隨著半導體器件技術的進步，絕緣柵雙極型晶體管（IGBTs）的出現使得HVDC技術得到了更廣泛的應用，絕緣柵雙極型晶體管每周期的開斷可以切換多次，當前最先進的絕緣柵雙極型晶體管的打開（關閉）只需十億分之一秒。

　　目前最廣泛使用的HVDC換流器是電壓源換流器（VSC）。雖然傳統換流器依然在更高電壓、更高容量的輸電系統中應用，但VSC便于直流線路整合到現有電網中。1997年3月世界上第一個采用VSC的直流輸電工程在瑞典的Hellsjon和Grangesberg投入使用，其輸送功率和電壓分別只有3 MW和10 kV。5年后，該技術又被用于長島海峽（位于美國紐約州和康涅狄格州之間）的Cross-Sound Cable 工程之中，其輸送功率達到了330MW，但轉換中的電能損失依然較高，達到了2.5%。目前，最先進的VSC已經可以將損失降至1%。

　　此外，目前已經能夠實現在一條HVDC線路上擁有多個終端（即多端直流輸電技術），除了直流輸電線路的兩端，線路的中間點也可以接入換流器，實現多點直流聯網，這使控制方法更加復雜，但也可能使電網更加強壯。

　　全球超級電網計劃的起步

　　Desertec項目：該項目在2009年首先由德國公司領頭的財團提出，旨在開發地中海和世界上其他沙漠區域的太陽能，再通過HVDC傳輸到人口密集的負荷中心。

　　Medgrid項目：類似于Desertec項目，該項目呼吁在北非開發20 GW太陽能電站，其中5GW電能將傳輸到歐洲。Medgrid電網將成為歐洲超級電網的骨干。

　　中國超級電網項目：為了將北方的太陽能和風能，以及南方的水能傳輸到東南部城市，中國已經安裝了世界上規模最大的高壓交直流網絡。現在正在建設13到20條新的HVDC線路繼續擴張電網規模。

　　Gobitec項目：同樣以Desertec項目為模板，Gobitec項目將在戈壁沙漠開發風能和太陽能，并通過HVDC網絡將電能從北部的伊爾庫茨克（俄羅斯）傳輸到南部的上海（中國）和首爾（韓國），以及東部的東京（日本）。

　　東南亞超級電網項目：該項目是通過建設海底HVDC電纜從澳大利亞北部海岸沿著印度尼西亞群島，連接到菲律賓、馬來西亞、中南半島和中國，目的是將澳大利亞北部豐富的太陽能傳輸到東南亞國家。

　　亞洲超級電網項目：該項目將在中國、日本、韓國和蒙古，甚至可能包括俄羅斯之間建立電網連接，以便更自由地在各國之間進行電力交易。日本軟銀的總裁孫正義是該項目堅定的支持者。

　　北歐電網項目：到2030年，北歐的風力和水力發電預計將大幅增長。雖然許多北歐國家的電網之間已經實現互聯，但北歐的電網還需進一步發展，以便向歐洲其他國家傳輸富余的電能。

　　北海海上電網項目：類似于北歐電網項目，計劃開發北海和波羅的海的風能并傳輸到其他地方。

　　Ice Link項目：該項目是一個60年前就萌發的想法，通過蘇格蘭將冰島的電網與歐洲的電網相連。歐洲越來越高的電價以及更高的可再生能源目標，使得該項目越來越有吸引力。

　　巴西超級電網項目：為了充分利用內陸的水資源，巴西正在建設的超級電網，包括高壓交流輸電線路和600kV的直流輸電線路，其中還包括沿著長達2385公里長馬德拉河（Rio Madeira）的世界上最長的輸電線路。

　　氫-電能源超級網絡項目：設想中的氫-電能源超級網絡將是一個橫跨整個大洲的地下HVDC傳輸網絡，其能量來源將是以氫為燃料的先進核反應堆。由超導電纜制成的傳輸線路將在輸電的同時傳輸氫能以冷卻導線。氫能還將在白天提供能源儲備來平衡能量消耗高峰。多余的氫能可以在當地的電力市場出售或用于其它商業用途。

　　大西洋風能互聯項目：該項目的輸電線路橫跨新澤西州和佛吉尼亞州（位于美國的中大西洋地區），通過海上輸電線路連接由聯邦政府指定的風能開發區域的風電場。

　　全球超級電網還需要能夠快速響應的大容量斷路器，能夠承受超過60千安培的短路電流并在毫秒內對檢測到的故障做出響應。三年前瑞士ABB公司推出的混合式斷路器的性能已經十分接近這個目標。今年初，西門子宣布已成功地在四川溪洛渡—浙江金華的HVDC線路上測試了5 千安培斷路器。阿爾斯通也推出了類似性能的斷路器原型。但依然還需要做很多努力降低這些斷路器的成本和尺寸，并提升它們的性能。

　　長遠來看，高溫超導材料逐步代替銅或鋁電纜將加快全球超級電網的部署，因為超導材料能夠以接近零的能量損耗傳輸更多的電能。盡管超導材料需要冷卻到液氮溫度（低于77 開爾文），但制冷產生的成本還不到傳統的交流和直流架空輸電線路電能損失的一半。此外與傳統電纜相比，超導直流電纜的線路走廊更窄。目前，已經有好幾個工程成功測試了短距離超導電纜傳輸，比如韓國濟州島上的500米、80 kV直流線路工程。但是，與傳統電纜相比，當前超導電纜的制造成本依然高很多。

　　另一個有前途的領域涉及了非硅材料的先進電力電子器件。硅具有資源豐富、成本低廉、加工簡單、以及室溫運行等特點，因此它成為了半導體器件的首選材料。但針對HVDC網絡中功率切換要求，碳化硅、氮化鎵等新型材料具有更好的前景。與傳統硅相比，這些寬帶隙半導體材料能夠工作在更好的溫度，支持更高的電流和電壓，電阻也更小。如果，這些寬帶隙半導體材料能夠實現商業化，將能夠在減少成本的同時，增強HVDC換流器的功能。

　　那么，我們應該從哪里開始建設全球超級電網？顯然，在電網技術，尤其是HVDC的發展和部署已經處于世界領先地位的中國作為超級電網的建設起點，將是一個不錯的選擇。中國已經開始開發其北部非常豐富的太陽能和風能資源，以及南部豐富的水能資源。為了將約1300GW的電能傳輸到東部和南部的人口和工業中心，中國已經建設了全世界規模最大的HVAC和HVDC電網，并計劃在未來五年建造13到20條特高壓直流輸電線路（UHVDC，800-1100 kV）。這些項目的投資金額十分巨大：2014年中國對此類項目的投資額達到了650億美元，預計未來五年的資金投入規模會繼續維持在這一高位。國際能源署（IEA）估計， 到2040年中國需要花費超過4萬億美元徹底改變電力傳輸和配送的方式。中國電力科學研究院的負責可再生能源和智能電網技術的副院長姚良忠說，他的團隊正在研究連接中國、歐洲、中東和北非的洲際輸電網的可行性。

　　歐洲是另一個全球電網建設可能的起點。自2008年以來，歐洲委員會（European Commission）一直在呼吁建設泛歐洲超級電網計劃。該計劃由代表34個歐洲國家的41個電網運營商的歐洲電力傳輸系統運營商（European Network of Transmission SystemOperators for Electricity，ENTSO-E）牽頭。

　　泛歐洲超級電網計劃是建設一個連接歐洲國家與包括哈薩克斯坦、北非和土耳其在內的周邊地區的HVDC網絡。德國卡塞爾大學的Gregor Czish研究發現，基于泛歐洲超級電網，歐洲大部分的能源需求可以由風力發電提供，只需部署少量的生物質發電作為補充。一個名叫超級電網聯盟（Friends of the Supergrid）的工業團體也一直在呼吁推動實現這一雄心勃勃的計劃所需要的技術、監管和融資業務。

　　SiemensFrench Connection：最近竣工的法國與西班牙之間的HVDC互聯線路使得兩國之間的電能傳輸容量達到了原來的兩倍，線路兩端都有圖中所示的換流站，將高壓的交流電轉為直流電，也可以將直流轉為交流電。

　　到目前為止，歐洲許多關鍵的HVDC線路的互聯已經基本完成或者已經達到計劃中較晚期的階段，包括能源豐富的德國北部和能源匱乏的德國南部電網的連接（該項目金額達100億歐元），還有兩個連接德國和挪威、挪威和丹麥的HVDC線路，以及新近竣工的法國和西班牙的互聯線路。

　　可以確定的是，全球超級電網的建設還需要相當多的基礎設施：據筆者的估計，根據規劃中的項目和某些地區所假定的冗余程度，大約需要10萬公里的HVDC線路和115座電能換流站。其中，有幾個換流站是“超級換流站”，例如新墨西哥州Tres Amigas項目中的換流站。Tres Amigas項目計劃連接北美的三個主要電網（西部電網、東部電網和德克薩斯州電網），還提供一些富余電能儲存容量。全球電網需要將全球任何地方的相似的區域性電網相連接。（見“全球超級電網計劃的起步”，列出了亞洲、歐洲以及其它地方所提出的超級電網計劃）

　　目前，全球超級電網面臨的最大障礙是如何籌集資金。由于項目的宏大規模和復雜程度，很難針對需要的資金給出一個確定的數字，但超級電網的支持者認為其帶來的收益將遠超過成本支出。2013年，在Renewable Energy雜志上由Spyros Chatzivasileiadis， Damien Ernst， 以及 G？ran Andersson發表的一篇文章，回顧了超級電網的已有研究以及已經竣工的各個工程，評估了建造一條5500公里（該長度足夠連接紐約和葡萄牙的波爾圖），800 kV，3GW海底HVDC電纜所需要的代價。（目前，800kV電壓等級的海底電纜還無法實現商業化）。該文的作者們總結到：電纜本身將花費大約115萬歐元/公里～180萬歐元/公里，兩個終端的換流器將花費3億歐元。假定傳輸中的電能損失為3%，電纜的服役年限是40年，研究者們估計通過該電纜傳輸的電能價格在0.0166-0.0251歐元/千瓦時（0.0189-0.0286美元/千瓦時）之間。相對應的，美國居民支付的輸電價格約為 0.011美元/千瓦時（不含發電成本）。由于運營商能夠從最便宜的地方購電，因此由HVDC輸送的電能價格要比當前的電能價格低很多。

　　世界各國組織和資助建設全球超級電網的前提是各國對可再生能源（或核能）的態度達成共識。如果對溫室氣體排放征稅能夠達成全球性的共識，將會給向零碳能源轉型提供金融激勵，從而加速推進全球超級電網的建設。超級電網建設的起步階段將主要依賴于政府資助，而一旦這個階段完成之后，碳稅將幫助吸引更多的私人投資者。

　　除了財政之外，政府和電網運營商間需建立相應的電能自由交易的規則。通過一個統一的電能批發市場，或者分割成多個區域性市場，超級電網的運營會更有效率。

　　此外，還需考慮如何更好地將現有的電網和未來的超級電網進行融合。如前文所述，中國和歐洲都在規劃HVDC輸電網絡，但美國的輸電規劃很大程度上依然是州等級的規劃，部分原因是各個州控制著土地使用并監管著私營的電力公用事業企業。超級電網連接點位置的選擇、如何部署HVDC網絡，電壓等級、使用架空電纜還是海底電纜系統等技術的選擇或項目的組織，都需要反復推敲才能確定。

　　最后還需注意的一點是，全球超級電網能夠安全、可靠和穩定的運行還需要各參與方在決定輸電線路、換流站和發電機參數的一些技術規格上達成一致。

　　必須承認，全球超級電網的建設需要投入大量的資金，也肯定會需要幾十年的時間才能完成。但這種全球性的互聯合作已經在國際運輸和電信行業有成功的先例，另一方面，比起什么都不做或繼續嚴重依賴化石能源為主的、低效的、互相隔離的電網，全球超級電網付出的代價顯然更少。