智能電網是電網發展的終極目標

2013-10-22 10:27:34 中國科學報　點擊量：評論 (0)

經歷了100多年的發展，電網的規模和結構形態發生了很大的變化，即從最初的局域小規模電網發展到區域中等規模電網，進而發展到今天的跨區互聯大電網。如今，電網已經為人類供應了大約四分之一的終端能源，

經歷了100多年的發展，電網的規模和結構形態發生了很大的變化，即從最初的局域小規模電網發展到區域中等規模電網，進而發展到今天的跨區互聯大電網。如今，電網已經為人類供應了大約四分之一的終端能源，成為現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成為一個國家發達程度的標志之一。

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

　　廣義的電網是發電設備、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一整體。因此，自從有了發電機及其相應的供電系統，便有了電網。1882年，愛迪生公司在紐約建成世界上第一座正規的直流電站和相應的供電系統，可以認為是人類首個真正意義上的電網。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年發明了交流發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電機投入運行并為35公里外的水牛城供電，從此確立了現代電網的基礎。

　　經歷了100多年的發展，電網的基本形態沒有根本性的變化，即電網以銅、鋁等為基本導電材料、以傳統電力設備為基礎、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。然而，電網的規模和結構形態發生了很大的變化，即從最初的局域小規模電網發展到區域中等規模電網，進而發展到今天的跨區互聯大電網。例如，2012年，我國發電總裝機容量已經接近12億千瓦，年總發電量接近5萬億度，我國電網已經基本形成了“西電東送、南北互供、全國聯網”的總體格局，已經覆蓋了全國大部分地區，成為世界最大的電網之一。如今，電網已經為人類供應了大約四分之一的終端能源，成為現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成為一個國家發達程度的標志之一。

　　展望未來，我們認為，未來電網將呈現以下重要發展趨勢：

　　第一，可再生能源將成為電網中的主要一次能源來源。人類已經認識到化石能源是不可持續的能源，有必要大力發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發展的綠色能源，且可開采量足夠人類使用。

　　據統計分析，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，可再生能源發展潛力巨大。(3)可再生能源目前已經得到很大的發展。隨著技術不斷進步，可再生能源發電的單位成本呈逐年下降趨勢。根據歐洲、美國和日本等發達國家和地區的預計，到2020年，光伏發電基本上可以實現平價上網。(4)國際已經有共識認為，可再生能源今后仍然會快速發展，且將逐漸成為主導能源。例如，2012年，國際能源署(IEA)發布的《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—煤炭的發電量。歐共體聯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，則電網中的一次能源也將主要來自可再生能源。

　　第二，電網的結構和運行模式將發生重大變化?，F代電網存在結構不盡合理和交流電網的固有安全穩定性等問題，亟待解決。隨著可再生能源越來越多地接入電網，將對電網帶來一系列新的嚴峻挑戰，這主要是由可再生能源具有不可調度性、波動性、分散性、發電方式多樣性和時空互補性等特點決定的。“結構決定功能、模式決定成敗”，因此從改變電網結構和運行模式入手，是解決電網現有問題和應對未來挑戰的重要手段之一。(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，因而保持和發展一個規模適當的大電網是十分必要的。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電和面向終端用戶的微型電網也將會大量出現，因此未來電網的結構將呈現大電網和微型電網并存的格局。其次，為了保障供電的安全可靠性，需要發展環形網絡。針對不同電壓等級，宜采用多層次的環狀結構網絡，并實現相鄰層次間和同層次不同區域環形電網間的互聯，以構造一個多層次網狀結構的網絡。(2)在運行模式上，需要發展直流電網模式或交直流混合電網模式。這是因為，直流輸電網不存在交流輸電網固有的穩定問題，因此，采用直流輸電網，將從根本上解決交流電網所固有的安全穩定性問題。從配電網和微電網層面來講，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“分層分區運行、總體協調互動”的模式，以充分實現廣域范圍內各種資源的優化互補利用和區域電網間互為備用和支撐。電網結構和模式的改變將帶來大量的科技創新機遇，值得關注。（作者肖立業：中國科學院電工研究所所長）