新一代电力系统能源互联网与智能电网的特征

发表于 2019-01-14 15:23:43 收藏 已收藏
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新一代电力系统能源互联网与智能电网的特征

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随着工业化、城市化进程的不断加剧,资源的使用也在急速上升。我国传统能源资源总量与能源消费水平呈现明显的反差,石油、煤炭、天然气储量均在世界排名靠后,但能源消费总量却逐年加大,2017年我国一次能源消费居世界首位,全球占比达23.2%,而且消费结构以煤炭为主。为了让企业和社会获得可持续发展,为了给人们创造一个良好的生活环境,推进能源生产和消费革命的任务已经迫在眉睫。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,成为了我国能源转型与革命的核心战略目标。

电力系统的代际演化

新一代能源系统是以电力为中心,以电网为主干和平台,各种一次、二次能源的生产、传输、使用、存储和转换装置以及它们的信息、通信、控制和保护装置直接或间接的网络化信息物理系统。能源转型的核心是构建新一代电力系统。

回顾世界电力系统的发展历程,概括如下:

新一代电力系统能源互联网与智能电网的特征
 

新一代电力系统的四大特征

第三代电力系统是100多年来第一代、第二代电力系统的传承和发展,是新形势下推动能源转型发展、构成新一代能源系统核心的新一代电力系统。新一代电力系统主要有四大特征:

1.拥有高比例的可再生能源

我国新能源近些年呈现爆发式增长,2005~2017年风电装机容量增长近150倍,2010~2015年光伏增长100倍,2015年后每年装机量接近翻倍增长。未来可再生能源发电量占比仍将逐步提高,2040年超过50%,2050年达67%左右,逐步成为电力系统第一大主力电源。

2.拥有高比例的电力电子装备

随着风光快速发展,新能源大量替代传统火电,风电、太阳能,发电装机量持续增加,在总发电装机量的占比不断提高。预计2050年我国风光总装机占比将接近70%。电力电子装备在源端应用日益广泛,如直驱式风电机组变流器、光伏电站和分布式光伏逆变器、非水储能电站和分布式储能逆变器。

在输变电领域,大容量电力电子换流器直流输电的快速发展,2010年以来一共先后投入了13条特高压直流输电工程。在西电东输的带动下,将来的输电容量还要继续增大,电力电子装备在电力系统的比例会越来越高。

另外,变频负荷大量使用也是其中一个特点,这将依赖于现代电力电子换流与功率控制技术,据估计未来将有90%的电力需要经过电力变换后使用,含有电力变换中间接口装置的多样性、强非线性负荷数量将急剧增加。比如民用、工业、交通各方面,电动汽车等等都要使用电力电子装置。

3.实现多能互补的综合能源

电力系统要扩展范围,除了提供电力以外,在多种能源互补的情况下,还要做一个综合能源供应商,有两方面内容,一是源端基地建成综合能源电力系统,包括水电、风电、太阳能发电、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和就地消纳转化;二是终端消费综合能源电力系统,多种方式实现热、电、冷联供多能互补,提高能源利用效率。

4.实现信息物理融合的智能电力系统

网络的信息流和电力流有效结合,在能源互联网下信息系统和物理系统将渗透到每个设备。以电网为核心构建能源网,整合各种可再生能源、传统能源。以互联网思维和理念改造传统电力系统,以用户为中心构建能源电力共享平台,实现智能电力系统的开放、共享和高效。

新一代电力系统的关键技术

在新一代电力系统中,有很多新技术出现并迅速崛起,主要包括新能源发电技术、储能技术、电力电子技术、新型输电技术、电力系统稳定性分析与控制技术、人工智能技术。

1.高效、低成本的太阳能、风能发电技术

光伏和光热发电效率近年来不断提升,主要得益于新材料的开发、制造工艺的改善以及相应光伏电池转化效率的提升。另外,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元降到2.22元,逆变器从每瓦2元降到0.2元左右,光伏系统成本从每瓦60元降到5元左右,2018年光伏领跑基地最低中标电价已降低至0.31元/度。预计未来十年我国陆上风电度电成本将下降约30%左右。

2.高效、低成本、长寿命的储能技术

储能可以实现能源“断点续传”,支撑能源和信息的实时交互。从物理基础层来说,储能可消纳弃风弃光,助力可再生能源比例的提高;从价值实现层来说,创新的价差套利模式,可提高系统综合效益。

同时,电池储能技术发展迅速,2018年锂离子电池的技术进步和成本下降将首次触及循环寿命5000次,系统成本1.5元/Wh,已经逼近商业化应用的拐点;下一步将可能实现:循环次数大于15000次,能源效率大于90%,储能系统成本少于10元/Wh,度电成本少于0.2元的目标。储能的大规模应用是可期的。

3.高可靠性、低损耗的电力电子技术和新型输电技术

电力电子技术的发展,提高了能源传输与分配的安全性、可控性,推动能源互联。一代器件决定一代电力电子技术,未来新一代半导体技术——宽禁带半导体技术的研发推广应用,将极大推动电网中电力电子装备的升级换代,它的效率高,耐高温、耐高压,促进直流输配电网的形成和发展,对于新能源接入电网也将带来极大改善。

4.新一代电力系统运行稳定性分析与控制技术

当大量的电力电子装备和新能源接入电网之后,电网特性将发生重大变化。需要解决的问题也复杂起来,比如输电受端故障闭锁引起的交直流输电系统大范围功率转移、连锁故障的分析和控制;又比如系统惯性减少造成的频率波动和频率稳定的分析和控制;还有受端多馈入直流换相失败再启动引起电压稳定问题分析、仿真和控制;以及随着风电VSC等电力电子设备的增加,电力电子设备之间及与交流电网之间相互作用产生1-kHz宽频震荡现象;弱交流互联下VSC-HDVC并网小信号稳定机理分析与控制;由于西电东输引发的对仿真分析的需求,过去数十年间,电网运行分析工作经历了由省、区域电网独立分析向全网一体化分析模式转变的历程,仿真手段也经历了从单纯的机电暂态仿真逐步向机电-电磁混合仿真以及全电磁仿真发展的过程,需要新一代的电力系统仿真平台做技术支撑。

5.安全、高效、低成本的氢能生产储运和应用技术

国家战略需求是实现能源清洁、可持续的供给,为解决未来以风光电为主的新能源电力系统运行难题,一种创新思路是:以氢为桥梁,构建高效、可靠、清洁的风-光-氢能源系统。采用这种技术,当前存在的弃风、弃光难题将得到根本解决。利用可再生能源电力高效低成本生产氢能并实现安全高效应用,还面临一系列生产、储运和应用的技术难题,需要国家和企业层面集中力量研究解决。

6.新一代人工智能技术

新一代能源系统应该是能够实现信息实时交互、网络连接互动、多种能源协同、需求实时响应,实现能源生产、传输、消费的自动、自主、自治目标的信息物理系统。面对系统的不确定性、随机性、复杂性,新一代人工智能技术在数据信息的全面感知、可靠传输、智能处理,机器学习等支持算法,面向能源电力应用的人工智能平台等方面,需要开展大量的研究开发工作。

从智能电网到能源互联网

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,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。传统电力系统终端用户用电早已实现“即插即用”,电力用户根据需要从网上取电,具有典型的开放和分享的互联网特征。

但是,传统电力系统不支持用户分布式电源的即插即用,无法实现用户与电网之间能源和信息的双向流动。而且,不适应多种形式能源的协同互补,提高能源利用率的能力受限。所以,传统电力系统不能适应分散化布局用户能源电力的市场化,为能源电力用户服务的能力受限。

能源互联网的出现,给传统电力系统提出了完整的解决方案。能源互联网,是以可再生能源为优先,电力能源为基础,各种能源协同、供给与消费协同、集中式与分布式协同、大众参与的新型生态化能源系统。利用能源互联网,可提高可再生能源比重,促进互联网与能源系统的深度融合,实现多元能源的有效互补和高效利用。

其实,在能源互联网概念提出之前,电力领域就有了智能电网的概念。所谓智能电网,是指包括智能电表、智能电器、可再生能源和节能资源在内的多种运行操作和能源调控措施的电网。电力生产和分配的调控是智能电网的重要方面。

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,而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。因此,可以这样说,能源互联网就是智能电网加多能互补。

新一代电力系统与能源互联网

新一代电力系统继承了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,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。新一代电力系统发展了传统电力系统终端用户用电的“即插即用”,支持用户分布式发电上网,实现能源信息双向流动,具备完整的开放、分享的互联网特征。

新一代电力系统不仅继承和发展了传统电力系统,还对传统电力系统进行了提升与开拓。

新一代电力系统在源端能源基地和终端消费网络支持多种形式能源的协同互补,大大提升了能源的综合利用效率,有效提升可再生能源的消纳能力。此外,新一代电力系统在智能电网的基础上,与信息技术深度融合,通过多能互补,形成能源互联网,为高比例可再生能源接入系统的调动控制、运行优化和市场化运作提供有力支撑,并进一步拓展了为用户提供综合能源服务的功能。

新一代电力系统、能源互联网、智能电网,这三者的关系还需要靠实践去证实,在实践中不断总结和完善,形成面向新一代能源系统的综合理论体系,这是我们面临的一项重要任务。

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