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全球能源互聯(lián)網志在高遠
不斷增長的能源需求、傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭、生態(tài)環(huán)境的持續(xù)惡化，一場將改變人類能源生產和消費方式的能源革命正在全球范圍內興起。這場革命的核心，是最大限度地開發(fā)利用以低碳和可再生為特征的新能源，大幅度提高能源利用效率，讓能源產業(yè)向高效、清潔、智能化方式轉變。由中國首倡的全球能源互聯(lián)網戰(zhàn)略構想，很好地契合了這一時代主題。
全球能源互聯(lián)網志在高遠 混合能源是關鍵技術
風能、太陽能資源，也和水能、化石能源一樣，分布并不均衡，例如在我國，80%以上的風能、太陽能分布在西部、北部地區(qū)，而70%以上電力需求集中在東中部地區(qū)，因此同樣需要大范圍資源配置技術。建設全球能源互聯(lián)網，為優(yōu)化全球新能源配置提供了有效途徑，也是新能源時代全球能源配置的必然選擇。
此外，局部電力系統(tǒng)難以滿足平抑大規(guī)模新能源發(fā)電出力隨機波動性的需求，只有以大電網為平臺，大范圍內實現(xiàn)多種能源類型電源的優(yōu)化控制，才能利用不同地域之間的時區(qū)差、季節(jié)差、資源稟賦差等因素，最大限度地實現(xiàn)全系統(tǒng)的電能實時平衡。從系統(tǒng)論的角度看，全球配置也是最優(yōu)選擇。
因此，全球能源互聯(lián)網戰(zhàn)略構想一經提出，很快獲得了多方支持與認同。我們很高興地看到，在中國倡議一周年之際，全球能源互聯(lián)網建設便已經邁向了戰(zhàn)略實施、共同行動階段。
未來，隨著新能源并網比例不斷提高，電力系統(tǒng)既要面對隨機波動的負荷需求，還要面對不確定的電源輸入，這就要求其結構形態(tài)、運行控制方式以及規(guī)劃建設與管理等方面都要進行革命性升級。這不是一夜之間就能實現(xiàn)的事，經過100多年的發(fā)展改進，目前龐大的電力系統(tǒng)已經是最復雜的人造系統(tǒng)工程，其革新過程不可能一蹴而就，只能逐漸演化。因此，實現(xiàn)以新能源為主導的全球能源互聯(lián)網，需要一個較長的過渡時期。
大變革：新能源電力系統(tǒng)
構建全球能源互聯(lián)網，現(xiàn)有電力系統(tǒng)需要進行深刻變革。
電力系統(tǒng)的基本功能，是保證電能的供需平衡。在以火電、水電、核電為主導的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，一次能源是可以儲存的，因而電能輸出是可控的，電力系統(tǒng)可以進行負荷預測與機組優(yōu)化調度，通過變更發(fā)電側功率來滿足用電側隨機波動的需求，從而保證電能的供需平衡與電網的安全穩(wěn)定。
而以風能、太陽能為代表的新能源發(fā)電，與傳統(tǒng)發(fā)電技術的最大區(qū)別就在于，一次能源是不可儲存的，進而風能、太陽能的隨機波動性決定了其發(fā)電功率的隨機波動性。當大規(guī)模新能源電源接入電網以后，就要求電力系統(tǒng)從原來的“一次能源可儲、二次能源可控”模式，升級為在隨機波動的負荷需求與隨機波動的電源之間實現(xiàn)電能供需平衡的新模式。
如果掌握了大規(guī)模儲能技術，可以在一定程度上化解上述矛盾，但目前的儲能技術尚無法實現(xiàn)電荷大容量、大功率存儲，所以需要從調整電力系統(tǒng)的結構形態(tài)與運行控制方式出發(fā)，用動態(tài)思維來解決。理想的新電力系統(tǒng)需要滿足三方面響應機制，即電源響應、電網響應、負荷響應，我們可以將滿足這些要求的電力系統(tǒng)稱為“新能源電力系統(tǒng)”。
電源響應就是要實現(xiàn)新能源發(fā)電功率的靈活控制。一方面，要研究精確的風能、太陽能功率預測方法、大規(guī)模新能源發(fā)電基地的功率分配策略，以及靈活的新能源發(fā)電單元功率控制技術。另一方面，也要意識新能源發(fā)電功率輸出的強隨機波動性本質上是由一次能源特性決定的，不可能徹底改變，因此必須有火電、水電等可控裝機進行多源互補。依靠互補特性，可以有效地突破大規(guī)模新能源電力并網導致的電源功率隨機波動問題。
電網結構與輸送極限是決定電網配置資源能力的兩個重要方面，電網響應即從調整這兩項內容著手。其一，是依靠先進的輸電方式，增強電網在大時空范圍內的輸送能力與資源優(yōu)化配置能力，合理運用大規(guī)模集中電站并網外送、基于可調負荷和儲能的就地消納、基于微網的分布式接入等多種方式，提高電力系統(tǒng)對新能源的接納規(guī)模。在這方面，特高壓技術的研發(fā)做出了積極嘗試，特高壓海底電纜、柔性直流輸電技術都是未來的探索方向。其二，需要基于新能源電源的時空特性與多種新型輸電方式的特征優(yōu)化電網結構，硬件上構建區(qū)域電網間解耦連接、分層分區(qū)的輸電網架，軟件上研發(fā)可以同時響應負荷和電源功率隨機波動性的電網結構漸進優(yōu)化理論方法。
隨著智能家居、電動汽車等設備的普及，負荷響應對于提高新能源接納比例越來越重要。其實，目前的電力系統(tǒng)中已存在大量電網友好型的可平移負荷，要進一步發(fā)掘這些用負荷響應潛力，需要相關政策、價格機制、市場手段來引導用戶主動參與電網互動。同時，必要的技術條件可以在不改變用戶消費習慣的前提下極大地提高負荷響應比例。為實現(xiàn)人與電網和諧互動的用電方式，用電設備應當可以實時獲取并分析精確、可靠的電網數(shù)據(jù)信息，并及時、正確地響應電網運行狀態(tài)的改變。要做到這一點，在現(xiàn)有通信網絡、智能電表、柔性電力負荷控制等技術的基礎上，還需要有針對性地研發(fā)家庭控制網關、智能插座等電網友好裝置以及具有用電信息采集、處理、監(jiān)控、計費、資源調度等功能的高級量測系統(tǒng)。
此外，與傳統(tǒng)發(fā)電廠/站相比，新能源發(fā)電設備運行環(huán)境惡劣、工況多變的客觀條件導致其出現(xiàn)故障的概率增大，從而增加了電力系統(tǒng)發(fā)生事故的風險，因此先進的電網控制與安全防御技術也是決定新能源接納極限的重要因素。傳統(tǒng)的電網保護與安全防御系統(tǒng)采用的是“以保守性換取可靠性”的策略，即采取離線仿真方式按最惡劣的情況設定保護控制策略，這極大地限制了電網優(yōu)化配置資源的能力。智能電網建設的推進正在改變這種局面，各種傳感器的大量應用與監(jiān)測平臺的建設，讓電力系統(tǒng)信息化程度顯著提高，系統(tǒng)安全防御將可以從常規(guī)的故障控制，轉變?yōu)獒槍ο到y(tǒng)實時狀態(tài)的評估、預警、保護與安全控制體系，這將會更加適合新能源電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。
在上述特性都具備的前提下，電力系統(tǒng)才可能具備完全的新能源接納能力，風能、太陽能發(fā)電也才能真正進入大發(fā)展時期。
大突破：混合能源關鍵技術
建設全球能源互聯(lián)網，需要突破性的關鍵技術支撐。
在過去15年中，新能源經歷了一個快速發(fā)展時期。2015年，全球風能和太陽能發(fā)電裝機容量分別達到了4.33億千瓦和2.27億千瓦，2000~2015年間分別增長了23倍、175倍，年均增長率為24%、41%。我國更是后來居上，風能、太陽能發(fā)電裝機容量在15年間分別增長了280倍、1400倍，在2015年分別達到了1.28億千瓦和0.42億千瓦，均居世界第一位。
新能源的爆炸式增長，在加速能源革命進度的同時，也不可避免地帶來了一些問題，眾所周知，我國風能、太陽能發(fā)電遇到的最大瓶頸，即是消納難題。這當然有體制、機制因素的阻礙，但現(xiàn)有電力系統(tǒng)的技術制約也是一個不容忽視的客觀因素。
面對這種局面，冷靜、客觀地評估未來發(fā)展趨勢變得很有必要。首先必須承認，傳統(tǒng)化石能源在現(xiàn)階段仍然占主導地位，即使到2030年我國碳排放達到峰值，預計火力發(fā)電仍將占全國發(fā)電量的60%。在未來很長一段時期內，都將是一個化石能源發(fā)電、水電、核電、新能源發(fā)電并存的“混合能源時代”，這一歷史時期至少將持續(xù)50~100年。其次也要看到，新能源是構建全球能源互聯(lián)網的根本，也是能源革命的發(fā)展方向，合理的增長速度是必要的。
為新能源發(fā)展排憂解難，體制障礙不少，比如缺乏電源、電網統(tǒng)籌規(guī)劃，新能源發(fā)展與電網、調峰電源建設不協(xié)調、不配套；新能源大范圍配置的市場機制和政策保障不健全等等，這些都需要在今后逐步加以解決。
然而，未來真正的瓶頸必定是技術問題。新能源電力系統(tǒng)描述起來容易，但真正做起來，目前的技術儲備遠遠不夠。
比如要通過多種能源電源互補平抑波動性，需要互補電源具備一定的響應速度，同時還能保證其本身大范圍變負荷運行時的經濟性。在日本及部分歐洲發(fā)達國家，水電占比高，是主要的調峰手段；在美國，燃氣/油發(fā)電裝機容量占比在45%以上，是調峰的首要選擇。而在我國，燃煤火力發(fā)電占主導地位，目前新能源的規(guī)模化發(fā)展必然要依賴于火電機組的快速深度調峰。但目前的火力機組可調范圍窄、調節(jié)速度慢問題突出，而且在大范圍變負荷運行的情況下會導致其經濟性、安全性、環(huán)保性顯著下降。要想讓其滿足平抑新能源波動性的需求，首先需要構建發(fā)電過程參數(shù)快速檢測與狀態(tài)精細表征理論與方法，為實現(xiàn)發(fā)電過程的快速、精確控制奠定基礎；其次，需要發(fā)掘火電機組的蓄能環(huán)節(jié)，建立能量存儲/釋放過程的動態(tài)模型，分析其用于機組變負荷控制的可行性，以提高機組的變負荷控制速率，最終形成大型火電機組快速深度變負荷控制策略。未來，智能發(fā)電技術可以讓智能發(fā)電廠將不僅是獨立的發(fā)電單元，而是一個能夠隨時感知外部信息，與電網以及其他發(fā)電單元乃至用戶友好互動的電源。
我們深知，在混合能源時代，要讓新能源電力由補充能源發(fā)展為替代能源，并最終成為主導能源，還有許多難關需要攻克。而無論是對于全球能源互聯(lián)網發(fā)展，還是面對新一輪技術革命的大潮，我們都應該志在高遠，以敢為天下先的氣概，去引領新時代的發(fā)展。
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