對于電力價(jià)格奇高，電網(wǎng)服務(wù)參差不齊的地區(qū)，居民用戶和商家自己發(fā)電和利用儲能技術(shù)是一個很好的選擇，相關(guān)的報(bào)道也比比皆是。但對于全世界其他大部分地區(qū)，則應(yīng)該將各個地區(qū)的電網(wǎng)互連，形成一個全球性的超級電網(wǎng)。

超級電網(wǎng)的理念之所以如此引入矚目是因?yàn)楫?dāng)前電網(wǎng)面臨如下挑戰(zhàn)：能源需求隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大而迅猛增加，大量零碳可再生能源(風(fēng)能和太陽能)的快速擴(kuò)張以及不斷增長的電氣和物理攻擊下保證電網(wǎng)安全的需求。規(guī)模越小且越孤立的電網(wǎng)在維持電力實(shí)時供需平衡方面的能力就越差，電網(wǎng)的更新?lián)Q代迫在眉睫。

建設(shè)一個全球超級電網(wǎng)究竟需要什么?技術(shù)上來講，這將取決于全球高壓直流輸電系統(tǒng)(HVDC)的建設(shè)情況。事實(shí)上，構(gòu)成這一系統(tǒng)的大部分組件已經(jīng)存在。除此之外，各地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)營商需考慮如何籌集足夠的資金來建設(shè)一個超級電網(wǎng)，制定各地區(qū)電網(wǎng)間進(jìn)行電力交易的規(guī)則，以及制定相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)保證該超級電網(wǎng)安全可靠地運(yùn)行。

對于超級電網(wǎng)應(yīng)該采用哪種輸電技術(shù)可以追溯至電力工業(yè)起步之初，兩個偉大的發(fā)明家托馬斯?愛迪生(ThomasEdison)和尼古拉?特斯拉(NikolaTesla)之間展開的“交直流之戰(zhàn)”。1982年，愛迪生成功地運(yùn)營了第一座商業(yè)化的直流發(fā)電廠，但最終特斯拉的交流電技術(shù)主宰了如今的電網(wǎng)。

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(fā)終于取得成功。幾年內(nèi)，這里所生產(chǎn)的電能通過交流輸電線路可以傳輸?shù)?00公里外的紐約市，證明了交流電的優(yōu)越性。整個20世紀(jì)，世界上所有的電力系統(tǒng)幾乎都基于交流電技術(shù)。

交流電取得勝利的關(guān)鍵是交流電可以通過電磁感應(yīng)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(jìn)行地區(qū)性電力配送時則會降低電壓等級。在當(dāng)時，直流輸電無法做到這一點(diǎn)。但是，電力工程師也清楚地知道，電壓較高時，直流輸電系統(tǒng)的表現(xiàn)要優(yōu)于交流輸電系統(tǒng)，因?yàn)榕c交流電相比，直流傳輸?shù)碾娔軗p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(tǒng)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(tǒng)之間的關(guān)系)。同時，對電纜的需求也大大減少了，因?yàn)楫?dāng)直流電在通過電纜時，其內(nèi)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(dǎo)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(dǎo)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(shí)際運(yùn)行中，這意味著在輸電線路建設(shè)時交流輸電對基礎(chǔ)設(shè)施的需求更大。例如利用765kV交流輸電系統(tǒng)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(tǒng)的輸電走廊只需80米寬。

HVDC也能非常容易的實(shí)現(xiàn)兩個不同頻率電網(wǎng)間的電能傳輸。但與交流輸電線路相比，HVDC系統(tǒng)中換流器、電纜和斷路器等設(shè)施的造價(jià)更加昂貴，因此通常輸電距離大于500公里時HVDC技術(shù)才具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。隨著關(guān)鍵器件成本的降低，HVDC的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢會更加顯著。

鑒于直流輸電技術(shù)的這些優(yōu)勢，整個20世紀(jì)，電力工程師們不斷嘗試各種直流輸電技術(shù)。高壓直流輸電系統(tǒng)的關(guān)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(zhuǎn)換為直流電，通過直流線路將直流功率傳輸?shù)搅硪欢说膿Q流器再轉(zhuǎn)化為交流電。在1960年代，換流器主要采用汞弧閥技術(shù)，這種電子開關(guān)只能打開但不能關(guān)閉，大范圍使用受到限制。

1970年代出現(xiàn)了新一代的換流技術(shù)——水冷晶閥管，一種既能打開又能關(guān)閉的大型固態(tài)開關(guān)。1978年，世界首個采用晶閥管技術(shù)的直流輸電工程在NelsonRiver建成，將位于加拿大馬尼托巴省北部的水力發(fā)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(shù)在北美的發(fā)展十分有限，但在巴西、中國、印度、和西歐則取得了飛速發(fā)展。1990年代末，隨著半導(dǎo)體器件技術(shù)的進(jìn)步，絕緣柵雙極型晶體管(IGBTs)的出現(xiàn)使得HVDC技術(shù)得到了更廣泛的應(yīng)用，絕緣柵雙極型晶體管每周期的開斷可以切換多次，當(dāng)前最先進(jìn)的絕緣柵雙極型晶體管的打開(關(guān)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(tǒng)換流器依然在更高電壓、更高容量的輸電系統(tǒng)中應(yīng)用，但VSC便于直流線路整合到現(xiàn)有電網(wǎng)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3MW和10kV。5年后，該技術(shù)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-SoundCable工程之中，其輸送功率達(dá)到了330MW，但轉(zhuǎn)換中的電能損失依然較高，達(dá)到了2。5%。目前，最先進(jìn)的VSC已經(jīng)可以將損失降至1%。

此外，目前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)在一條HVDC線路上擁有多個終端(即多端直流輸電技術(shù))，除了直流輸電線路的兩端，線路的中間點(diǎn)也可以接入換流器，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)直流聯(lián)網(wǎng)，這使控制方法更加復(fù)雜，但也可能使電網(wǎng)更加強(qiáng)壯。