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以互联网思维审视和改变传统电力系统

能源转型与新一代电力系统

党的“十九大”报告进一步提出推进能源生产和消费革命,构建清洁低碳、安全高效的能源体系,为我国能源发展改革指明了方向。当前,我国能源转型与革命的核心战略目标应是:大力推动能源转型,构建清洁低碳、安全高效的新一代能源系统,以实现最大限度地开发利用可再生能源、最高程度地提高能源利用效率,服务于国家“两个100年”建成社会主义现代化强国的经济社会发展战略目标,并为应对全球气候变化做出贡献。

中国科学院院士、中国电力科学研究院名誉院长周孝信

我国新一代能源系统的主要特征包括如下几个方面:实现可再生能源优先、因地制宜的多元能源结构;集中分布并举、相互协同的可靠能源生产和供应模式;各类能源综合利用,供需互动、节约高效的用能方式;面向全社会的平台性、商业性和用户服务性。新一代能源系统的关键指标为:非化石能源在一次能源消费中比重;能源系统总体利用效率;能源系统CO2排放总量;电能在终端能源消费中比重;非化石能源发电量在全部发电量中比重。

国家发展改革委、国家能源局于2016—2017年先后发布了《电力发展“十三五”规划》《能源发展“十三五”规划》和《能源生产和消费革命战略(2016~2030)》,其中明确提出了我国能源发展和电力发展的总体目标。到2020年,我国能源消费总量将实现50亿t标准煤以内,非化石能源占一次能源消费15%以上,天然气消费比重力争达到10%,煤炭消费比重降低到58%以下,全社会用电量预期为6.8~7.2万亿kW·h,全国发电装机达到20亿kW,非化石能源装机为7.7亿kW,占39%燃煤发电供电煤耗少于310g/kW·h,煤电发电装机控制在11亿kW,西电东送规模由1.3亿kW增加到2.7亿kW。《能源生产和消费革命战略(2016~2030)》中提出,2021~2030年,我国能源消费总量将控制在60亿t标准煤以内,非化石能源占比达到20%左右,新增能源需求主要依靠清洁能源满足,初步构建现代能源体系,非化石能源发电量占全部发电量的比重力争达到50%。预计2050年,能源消费总量基本稳定,非化石能源占比超过一半,现代能源体系基本建成。

图1 我国2010~2050年一次能源消费结构演化趋势

 

图2 我国2015~2050年能源系统CO2排放演化趋势

 

图3 我国2010~2050年能源系统效率演化趋势

图4 为我国2015~2050年终端消费电能占比演化趋势 

未来,我国一次能源消费总量和结构演化趋势将进一步实现低碳高效和电气化。图1为我国2010~2050年一次能源消费结构演化趋势,图2为我国2015~2050年能源系统CO2排放演化趋势,从图2中可以看出,目前我国CO2年排放总量还处于上升阶段,大概于2025年左右达峰值,此后持续下降。此外,我国能源系统总能效将不断提高,2050年整体效率预计超过45%,用电量稳步上升,终端消费中电能占比不断提高,2050年达43%。图3为我国2010~2050年能源系统效率演化趋势,图4为我国2015~2050年终端消费电能占比演化趋势。

总而言之,非化石能源在一次能源消费中占比是我国能源转型的主要指标,一次能源消费中非化石能源主要来自一次电力(可再生能源发电及核电等)。因此,大力开发利用可再生能源,形成以非化石能源为主的电源结构,构建新一代电力系统,是实现能源转型,建设新一代能源系统的主要途径。下表为2015~2018我国非化石能源在一次能源消费中占比情况。

表 2015~2018我国非化石能源在一次能源消费中占比情况

新一代电力系统的技术特征

1.高比例可再生能源电力系统

高比例可再生能源电力系统是构建新一代电力系统实现能源转型的核心。近年来,我国可再生能源产业实现了快速发展,各项技术不断突破,风光发电成本持续降低。近10年来,我国光伏组件价格从每瓦近50元左右降到2~2.2元左右,光伏逆变器价格从2元/W左右降到0.2元左右,整个光伏系统成本从每60元/W左右降到5元/W左右;2007年到2018年,光伏度电成本累计下降约90%,光伏领跑基地最低中标电价已降低至0.31元/kW·h(青海格尔木),低于当地0.3247元/kW·h的脱硫煤标杆电价;全球陆上风电加权平均LCOE成本近35年下降了85%,由1983年的0.4美元/kW·h下降至2017年的0.06美元/kW·h。

近几年,为满足可再生能源产业与技术发展的需要,更好地实现可在生能源发电的安全可靠接入与运行,化学电池储能应用快速发展。储能技术的应用主要实现的功能可分为以下三个方面:发展用户侧储能,依托用电高峰低谷电价差和容量电价政策,实现用电移峰填谷;建设电网侧储能,满足区域电网调峰、调频、调压、应急响应和黑启动等应用需求,配合特高压直流运行,提高受端电网安全稳定水平;运用电源侧储能,实现风光储电源协调互补,提高风光发电效益,有助电网消纳,实现常规火电与储能协调运行,提高快速调节辅助服务能力。目前,储能技术应用主要面临着技术突破和的商业运营模式两方面问题,还需要进一步研究。

2.高比例电力电子装备电力系统

当前,我国大量的新能源发电系统、储能系统接入电网以及特高压直流输电的快速发展,大容量直流密集馈入,这些都导致电力电子装备的大量应用,且未来电力电子装备的应用比例会逐渐升高,电力系统的安全稳定运行将面临巨大的挑战。2010年以来,我国已先后投运13个±800 kV及以上特高压直流工程。截止2019年1月,在运±800 kV直流输电线路总长为21 885 km。

3.多能互补的综合能源电力系统

所谓多能互补的综合能源电力系统,包括源端基地和终端消费综合能源电力系统。

源端基地综合能源电力系统:水电、风电、太阳能发电和灵活煤电等能源基地和储能通过直流输电网实现多能互补向中东部输电;电力供热制冷、产业耗电,多种途径就地消纳;电解制氢、制甲烷就地利用或通过天然气管道东送。

终端消费综合能源电力系统:基于各类清洁能源满足用户多元需求的区域综合能源系统和清洁能源微网;主动配电网架构下直接面向各类用户的分布式能源加各类储能和新能源微电网;基于天然气和清洁电力的分布式冷热电联产系统,为终端用户提供各种所需的能源形式,不仅仅是电。

另一方面,氢能生产储运和应用技术,P2G技术(Power to Gas)可再生能源电力制氢、甲烷(CH4)和甲醇(CH3OH),也是当前研究的热点问题,如图5所示。

图5 P2G系统示意图

4.信息物理融合的智慧能源电力系统

通过学习和运用当前的信息通信技术、互联网技术和新一代人工智能技术,来审视和改造当前我国的电力系统,使之成为更为互联网化、更好地满足用户需求的智慧能源电力系统。

能源互联网的内涵与认知

1.从智能电网到能源互联网

智能电网是信息技术与物理电网高度集成的智能电力系统;能源互联网是互联网思维理念和技术与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合的智能能源系统和能源产业发展新形态。总体上可以理解为:能源互联网=智能电网+多能互补→能源产业形态的“互联网化”,能源互联网是以智能电网为基础再发展、再扩展的,两者是一脉相承的。

2.能源互联网与能源物联网

用一个公式来概括,能源物联网=能源互联网+能源“万物互联”+数据驱动的智能化→支持能源系统更高水平的价值创造。能源互联网三个层级的基本框架如图6所示。

对于能源互联网核心目标的认识包括以下几个方面。

1)最大幅度提高能源综合利用效率。以电力为中心,多能源互联互通,提高一次和二次能源的综合利用效率。

2)最大限度开发利用可再生能源。互联网技术与智能电网为主干的能源网络深度融合,采用即插即用、能量路由器、大数据和云计算等技术,支持集中和分布式可再生能源的规模化系统接入。

3)为终端用户提供便捷可靠优质的综合能源服务。以用户为中心,催生能源服务的新业态和商业模式,拓展用户服务范围,提升服务水平。

4)推动技术装备产业发展。推动电力电子和微电子、储能及传感材料器件装备等新兴产业的发展。

以互联网思维审视传统电力系统

国家电网公司近期提出了建设“三型两网,世界一流”能源互联网企业的战略目标。

“三型”即枢纽型、平台型和共享型。枢纽型:体现了公司的产业属性,发挥电网的枢纽作用,保障能源安全可靠供应和清洁低碳发展;平台型:体现了公司的网络属性,搭建新平台,促进传统业务转型升级和新兴业务提速发展;共享型:体现了公司的社会属性,坚持共建共治共赢,发挥引领带动促进作用。

“两网”即坚强的智能电网和泛在电力物联网。坚强智能电网:提升资源配置能力和智能化水平,保障电力供应;泛在电力物联网:推动电力系统各个环节万物互联、人机交互,实现状态全面感知、信息高效处理,支撑管理创新、业务创新、业态创新和更高水平的价值创造,构成能源流、业务流、信息流三流合一的能源互联网。

1.传统电力系统的互联网特征

传统电力系统中各类一次能源发电和分散化布局的电源结构(骨干电源为主)通过大规模互联的输配电网络,连接千家万户使用,具有天然的网络化基本特征。此外,传统电力系统终端用户用电早已实现“即插即用”,具有典型的开放和分享的互联网特征。这是计算机信息系统多年奋斗才得以实现的理念(大规模科学计算用的网格计算、互联网和云计算)。

2.传统电力系统局限性

电力系统单一的电能生产、传输配送和使用的传统模式不能实现多能协同互补,以高效满足用户多种能源需求,综合能源服务能力和能源利用效率的提高受限;传统电力系统的用户服务目标单一,以用户为中心的服务理念和信息对称、双向互动的能力欠缺;传统电力系统的集中统一的管理、调度和控制系统不适应大量分布式新能源发电,及发电、用电与用能高效一体化系统接入等综合能源电力系统供需分散、系统扁平的发展趋势;传统电力系统集中模式的市场支持功能,不能适应分散化布局用户能源电力的市场化运作。

结束语

1)建设清洁低碳、安全高效的新一代能源系统,实现能源转型,是我国新一轮能源革命的核心目标。

2)大力开发利用可再生能源,形成以非化石能源为主的电源结构,构建新一代电力系统,是实现能源转型,建设新一代能源系统的主要途径。

3)以互联网思维理念和技术改造传统电力系统,建设能源互联网,是进一步发展智能电网、建设新一代能源和电力系统的关键步骤。