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綜合能源服務、能源互聯網、新一代電力系統三者關系

新一代電力系統在源端能源基地和終端消費網絡支持多種形式能源的協同互補,大大提升了能源的綜合利用效率,有效提升可再生能源的消納能力。此外,新一代電力系統在智能電網的基礎上,與信息技術深度融合,通過多能互補,形成能源互聯網,為高比例可再生能源接入系統的調動控制、運行優化和市場化運作提供有力支撐,并進一步拓展了為用戶提供綜合能源服務的功能。

新一代電力系統的四大特征

01、擁有高比例的可再生能源

我國新能源近些年呈現爆發式增長,2005~2017年風電裝機容量增長近150倍,2010~2015年光伏增長100倍,2015年后每年裝機量接近翻倍增長。未來可再生能源發電量占比仍將逐步提高,2040年超過50%,2050年達67%左右,逐步成為電力系統第一大主力電源。

02、擁有高比例的電力電子裝備

隨著風光快速發展,新能源大量替代傳統火電,風電、太陽能,發電裝機量持續增加,在總發電裝機量的占比不斷提高。預計2050年我國風光總裝機占比將接近70%。電力電子裝備在源端應用日益廣泛,如直驅式風電機組變流器、光伏電站和分布式光伏逆變器、非水儲能電站和分布式儲能逆變器。

在輸變電領域,大容量電力電子換流器直流輸電的快速發展,2010年以來一共先后投入了13條特高壓直流輸電工程。在西電東輸的帶動下,將來的輸電容量還要繼續增大,電力電子裝備在電力系統的比例會越來越高。

另外,變頻負荷大量使用也是其中一個特點,這將依賴于現代電力電子換流與功率控制技術,據估計未來將有90%的電力需要經過電力變換后使用,含有電力變換中間接口裝置的多樣性、強非線性負荷數量將急劇增加。比如民用、工業、交通各方面,電動汽車等等都要使用電力電子裝置。

03、實現多能互補的綜合能源

電力系統要擴展范圍,除了提供電力以外,在多種能源互補的情況下,還要做一個綜合能源供應商,有兩方面內容,一是源端基地建成綜合能源電力系統,包括水電、風電、太陽能發電、靈活煤電等能源基地和儲能,通過直流輸電網實現多能互補向中東部輸電和就地消納轉化;二是終端消費綜合能源電力系統,多種方式實現熱、電、冷聯供多能互補,提高能源利用效率。

04、實現信息物理融合的智能電力系統

網絡的信息流和電力流有效結合,在能源互聯網下信息系統和物理系統將滲透到每個設備。以電網為核心構建能源網,整合各種可再生能源、傳統能源。以互聯網思維和理念改造傳統電力系統,以用戶為中心構建能源電力共享平臺,實現智能電力系統的開放、共享和高效。

新一代電力系統的關鍵技術

01、高效、低成本的太陽能、風能發電技術

光伏和光熱發電效率近年來不斷提升,主要得益于新材料的開發、制造工藝的改善以及相應光伏電池轉化效率的提升。另外,風光發電成本持續降低,近10年來我國光伏組件價格從每瓦近50元降到2.22元,逆變器從每瓦2元降到0.2元左右,光伏系統成本從每瓦60元降到5元左右,2018年光伏領跑基地最低中標電價已降低至0.31/度。預計未來十年我國陸上風電度電成本將下降約30%左右。

02、高效、低成本、長壽命的儲能技術

儲能可以實現能源斷點續傳,支撐能源和信息的實時交互。從物理基礎層來說,儲能可消納棄風棄光,助力可再生能源比例的提高;從價值實現層來說,創新的價差套利模式,可提高系統綜合效益。

03、高可靠性、低損耗的電力電子技術和新型輸電技術

電力電子技術的發展,提高了能源傳輸與分配的安全性、可控性,推動能源互聯。一代器件決定一代電力電子技術,未來新一代半導體技術——寬禁帶半導體技術的研發推廣應用,將極大推動電網中電力電子裝備的升級換代,它的效率高,耐高溫、耐高壓,促進直流輸配電網的形成和發展,對于新能源接入電網也將帶來極大改善。

04、新一代電力系統運行穩定性分析與控制技術

當大量的電力電子裝備和新能源接入電網之后,電網特性將發生重大變化。需要解決的問題也復雜起來,比如輸電受端故障閉鎖引起的交直流輸電系統大范圍功率轉移、連鎖故障的分析和控制;又比如系統慣性減少造成的頻率波動和頻率穩定的分析和控制;還有受端多饋入直流換相失敗再啟動引起電壓穩定問題分析、仿真和控制;以及隨著風電VSC等電力電子設備的增加,電力電子設備之間及與交流電網之間相互作用產生1-kHz寬頻震蕩現象;弱交流互聯下VSC-HDVC并網小信號穩定機理分析與控制;由于西電東輸引發的對仿真分析的需求,過去數十年間,電網運行分析工作經歷了由省、區域電網獨立分析向全網一體化分析模式轉變的歷程,仿真手段也經歷了從單純的機電暫態仿真逐步向機電-電磁混合仿真以及全電磁仿真發展的過程,需要新一代的電力系統仿真平臺做技術支撐。

05、安全、高效、低成本的氫能生產儲運和應用技術

國家戰略需求是實現能源清潔、可持續的供給,為解決未來以風光電為主的新能源電力系統運行難題,一種創新思路是:以氫為橋梁,構建高效、可靠、清潔的風--氫能源系統。采用這種技術,當前存在的棄風、棄光難題將得到根本解決。利用可再生能源電力高效低成本生產氫能并實現安全高效應用,還面臨一系列生產、儲運和應用的技術難題,需要國家和企業層面集中力量研究解決。

06、新一代人工智能技術

新一代能源系統應該是能夠實現信息實時交互、網絡連接互動、多種能源協同、需求實時響應,實現能源生產、傳輸、消費的自動、自主、自治目標的信息物理系統。面對系統的不確定性、隨機性、復雜性,新一代人工智能技術在數據信息的全面感知、可靠傳輸、智能處理,機器學習等支持算法,面向能源電力應用的人工智能平臺等方面,需要開展大量的研究開發工作。

從智能電網到能源互聯網

傳統電力系統中各類一次能源發電和分散化布局的電源結構,通過大規?;ヂ摰妮斉潆娋W絡,連接千家萬戶使用,具有天然的網絡化基本特征。傳統電力系統終端用戶用電早已實現即插即用,電力用戶根據需要從網上取電,具有典型的開放和分享的互聯網特征。

但是,傳統電力系統不支持用戶分布式電源的即插即用,無法實現用戶與電網之間能源和信息的雙向流動。而且,不適應多種形式能源的協同互補,提高能源利用率的能力受限。所以,傳統電力系統不能適應分散化布局用戶能源電力的市場化,為能源電力用戶服務的能力受限。

能源互聯網的出現,給傳統電力系統提出了完整的解決方案。能源互聯網,是以可再生能源為優先,電力能源為基礎,各種能源協同、供給與消費協同、集中式與分布式協同、大眾參與的新型生態化能源系統。利用能源互聯網,可提高可再生能源比重,促進互聯網與能源系統的深度融合,實現多元能源的有效互補和高效利用。

智能電網是信息技術與物理電網高度集成的智能電力系統,而能源互聯網是互聯網思維理念和技術與能源生產、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的智能能源系統和能源產業發展新形態。因此,可以這樣說,能源互聯網就是智能電網加多能互補。

新一代電力系統與能源互聯網

新一代電力系統不僅繼承和發展了傳統電力系統,還對傳統電力系統進行了提升與開拓。新一代電力系統在源端能源基地和終端消費網絡支持多種形式能源的協同互補,大大提升了能源的綜合利用效率,有效提升可再生能源的消納能力。此外,新一代電力系統在智能電網的基礎上,與信息技術深度融合,通過多能互補,形成能源互聯網,為高比例可再生能源接入系統的調動控制、運行優化和市場化運作提供有力支撐,并進一步拓展了為用戶提供綜合能源服務的功能。

新一代電力系統、能源互聯網、智能電網,這三者的關系還需要靠實踐去證實,在實踐中不斷總結和完善,形成面向新一代能源系統的綜合理論體系,這是我們面臨的一項重要任務。

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