智能電網(wǎng)是電網(wǎng)發(fā)展的終極目標

2013-10-22 10:27:34 中國科學報　點擊量：評論 (0)

經(jīng)歷了100多年的發(fā)展，電網(wǎng)的規(guī)模和結構形態(tài)發(fā)生了很大的變化，即從最初的局域小規(guī)模電網(wǎng)發(fā)展到區(qū)域中等規(guī)模電網(wǎng)，進而發(fā)展到今天的跨區(qū)互聯(lián)大電網(wǎng)。如今，電網(wǎng)已經(jīng)為人類供應了大約四分之一的終端能源，成為現(xiàn)代能源體系的重要組成部分，電力在終端能源消費結構中的比例已經(jīng)成為一個國家發(fā)達程度的標志之一。

　　未來電網(wǎng)將呈現(xiàn)以下重要發(fā)展趨勢：第一，可再生能源將成為電網(wǎng)中的主要一次能源來源。第二，電網(wǎng)的結構和運行模式將發(fā)生重大變化。第三，新材料技術將在電網(wǎng)中得到廣泛地應用。第四，物理電網(wǎng)將與信息系統(tǒng)高度融合。

　　廣義的電網(wǎng)是發(fā)電設備、輸配電設備和用電設備采用一定的結構和運行模式構建起來的統(tǒng)一整體。因此，自從有了發(fā)電機及其相應的供電系統(tǒng)，便有了電網(wǎng)。1882年，愛迪生公司在紐約建成世界上第一座正規(guī)的直流電站和相應的供電系統(tǒng)，可以認為是人類首個真正意義上的電網(wǎng)。然而，由于當時不能為直流電升壓，輸電距離和輸電容量受到極大的限制，于是，特斯拉于1887年發(fā)明了交流發(fā)電機和多相交流輸電技術。1897年，美國西屋公司在尼亞加拉水電站的首臺交流發(fā)電機投入運行并為35公里外的水牛城供電，從此確立了現(xiàn)代電網(wǎng)的基礎。

　　經(jīng)歷了100多年的發(fā)展，電網(wǎng)的基本形態(tài)沒有根本性的變化，即電網(wǎng)以銅、鋁等為基本導電材料、以傳統(tǒng)電力設備為基礎、以可調度能源(如化石能源、水力和核能等)作為電力的主要一次能源來源、以交流為運行模式的基本形態(tài)。然而，電網(wǎng)的規(guī)模和結構形態(tài)發(fā)生了很大的變化，即從最初的局域小規(guī)模電網(wǎng)發(fā)展到區(qū)域中等規(guī)模電網(wǎng)，進而發(fā)展到今天的跨區(qū)互聯(lián)大電網(wǎng)。例如，2012年，我國發(fā)電總裝機容量已經(jīng)接近12億千瓦，年總發(fā)電量接近5萬億度，我國電網(wǎng)已經(jīng)基本形成了“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”的總體格局，已經(jīng)覆蓋了全國大部分地區(qū)，成為世界最大的電網(wǎng)之一。如今，電網(wǎng)已經(jīng)為人類供應了大約四分之一的終端能源，成為現(xiàn)代能源體系的重要組成部分，電力在終端能源消費結構中的比例已經(jīng)成為一個國家發(fā)達程度的標志之一。

　　展望未來，我們認為，未來電網(wǎng)將呈現(xiàn)以下重要發(fā)展趨勢：

　　第一，可再生能源將成為電網(wǎng)中的主要一次能源來源。人類已經(jīng)認識到化石能源是不可持續(xù)的能源，有必要大力發(fā)展可再生能源來替代之。這是因為：(1)核能在本世紀中葉前難以成為主導能源。核裂變能的原料也屬于有限資源，且其利用存在安全風險，核廢料處理也比較復雜。由于核裂變能的利用還涉及到國際安全環(huán)境，當前的核裂變能技術出口是受到國際有關條約嚴格控制的。盡管核聚變能可滿足人類長期發(fā)展需求，但其應用前景尚不明朗，ITER(國際熱核聚變堆)計劃到本世紀中葉才能建成首個示范電站。(2)可再生能源是可持續(xù)發(fā)展的綠色能源，且可開采量足夠人類使用。

　　據(jù)統(tǒng)計分析，地球上接收的太陽能是人類目前能源需求總量的10000倍。地球上的風能總量也達到了目前人類能源需求總量的5倍，如果再算上水力資源、生物質能源、地熱能、海洋能，則可再生能源的總量更大。由此可見，可再生能源發(fā)展?jié)摿薮蟆?3)可再生能源目前已經(jīng)得到很大的發(fā)展。隨著技術不斷進步，可再生能源發(fā)電的單位成本呈逐年下降趨勢。根據(jù)歐洲、美國和日本等發(fā)達國家和地區(qū)的預計，到2020年，光伏發(fā)電基本上可以實現(xiàn)平價上網(wǎng)。(4)國際已經(jīng)有共識認為，可再生能源今后仍然會快速發(fā)展，且將逐漸成為主導能源。例如，2012年，國際能源署(IEA)發(fā)布的《2012年世界能源展望》，對2035年前的全球能源趨勢作出了預測：到2015年，可再生能源將成為全球第二大電力來源，并在2035年接近第一大電力來源—煤炭的發(fā)電量。歐共體聯(lián)合研究中心預測認為：到2050年可再生能源將占總能源需求的52%。由于可再生能源的主要利用方式是發(fā)電，因此，如果未來人類使用的能源將主要來自可再生能源，則電網(wǎng)中的一次能源也將主要來自可再生能源。

　　第二，電網(wǎng)的結構和運行模式將發(fā)生重大變化。現(xiàn)代電網(wǎng)存在結構不盡合理和交流電網(wǎng)的固有安全穩(wěn)定性等問題，亟待解決。隨著可再生能源越來越多地接入電網(wǎng)，將對電網(wǎng)帶來一系列新的嚴峻挑戰(zhàn)，這主要是由可再生能源具有不可調度性、波動性、分散性、發(fā)電方式多樣性和時空互補性等特點決定的。“結構決定功能、模式?jīng)Q定成敗”，因此從改變電網(wǎng)結構和運行模式入手，是解決電網(wǎng)現(xiàn)有問題和應對未來挑戰(zhàn)的重要手段之一。(1)從結構上講，由于未來電力資源與負荷資源的地理分布不匹配，以及可再生能源在廣域范圍具有良好的時空互補性，因而保持和發(fā)展一個規(guī)模適當?shù)拇箅娋W(wǎng)是十分必要的。同時，由于可再生能源具有分散性，就地利用資源的分布式發(fā)電和面向終端用戶的微型電網(wǎng)也將會大量出現(xiàn)，因此未來電網(wǎng)的結構將呈現(xiàn)大電網(wǎng)和微型電網(wǎng)并存的格局。其次，為了保障供電的安全可靠性，需要發(fā)展環(huán)形網(wǎng)絡。針對不同電壓等級，宜采用多層次的環(huán)狀結構網(wǎng)絡，并實現(xiàn)相鄰層次間和同層次不同區(qū)域環(huán)形電網(wǎng)間的互聯(lián)，以構造一個多層次網(wǎng)狀結構的網(wǎng)絡。(2)在運行模式上，需要發(fā)展直流電網(wǎng)模式或交直流混合電網(wǎng)模式。這是因為，直流輸電網(wǎng)不存在交流輸電網(wǎng)固有的穩(wěn)定問題，因此，采用直流輸電網(wǎng)，將從根本上解決交流電網(wǎng)所固有的安全穩(wěn)定性問題。從配電網(wǎng)和微電網(wǎng)層面來講，未來的直流負荷將占相當高的比重且分布式電源(如光伏發(fā)電或儲能)也將以直流為運行模式。與此同時，還需要采用“分層分區(qū)運行、總體協(xié)調互動”的模式，以充分實現(xiàn)廣域范圍內各種資源的優(yōu)化互補利用和區(qū)域電網(wǎng)間互為備用和支撐。電網(wǎng)結構和模式的改變將帶來大量的科技創(chuàng)新機遇，值得關注。（作者肖立業(yè)：中國科學院電工研究所所長）