電網第二次智能化的新挑戰中國實現智能電網至少需要20年時間

2018-01-02 15:19:57 來源:能源評論作者:王偉　點擊量：評論 (0)

高比例可再生能源兩點論 ——訪中國工程院院士余貽鑫高比例可再生能源新時代黨的十九大報告提出，要加快生態文明體制改革，建設美麗中國，您認為，能源電力行業，如何在能源革命進程中落實這一號召?余貽鑫：建設

高比例可再生能源“兩點論” ——訪中國工程院院士余貽鑫

高比例可再生能源新時代

黨的十九大報告提出，要加快生態文明體制改革，建設美麗中國，您認為，能源電力行業，如何在能源革命進程中落實這一號召?

余貽鑫：建設美麗中國、推進能源革命，需要高比例可再生風能和太陽能發電。習近平主席2015年在巴黎氣候大會上宣布，2030年中國單位GDP二氧化碳排放要比2005年下降60%~65%。根據國家發改委能源研究所、美國勞倫斯伯克利國家實驗室、落基山研究所、能源基金會等機構的研究(《重塑能源：中國》)，預計：2050年我國電力占整個終端能源消費的比例將提高到41%以上，2050年電能的總發電量約10.8萬億kWh(基于能源利用效率大幅度提升的假設);2050年煤電在我國電能構成中的占比將降低至12.4%;可再生能源發電量占比將達到68%以上，非化石能源發電量達到82%，其中風電和太陽能發電量的比例達到47.3%以上(風電為24.7%，太陽能發電為22.6%)。

對于我國可再生能源資源的家底，您怎么看?

余貽鑫：眾所周知，德國是利用太陽能很先進的國家，而我國的太陽能資源條件要比德國好很多。中國76%國土面積上的風能，以及幾乎百分百國土面積的太陽能都具有開發的潛力，僅太陽能資源一項，就可以遠遠滿足我國遠景(2050年)用電需求，而且不論是東部地區還是西部地區太陽能資源都十分富裕。以京津地區為例，即使不考慮技術進步使得光電轉換效率提高的影響，按照光伏年利用小時數取1100小時計算，只需鋪蓋我國國土面積的1.0%左右就可產生2050年全社會總用電量10.8×1012kWh。對于分布式光伏而言，可利用土地和建筑屋頂或墻面也是重要的資源條件。我國擁有世界最大量的建筑，太陽能與建筑結合及一體化，可以充分利用建筑以及太陽能資源，降低成本，具有規模發展的廣闊前景。預計2020年分布式建筑光伏最大可裝機容量達7.5億千瓦，2050年達10億千瓦。中國不能用于耕作的沙漠和灘涂，總面積為128萬平方公里，其中戈壁面積為57萬平方公里，有充足的土地資源發展太陽能發電。此外農田和魚塘的上方空間也是可以利用的，如農光互補、漁光互補等。與此同時，國際上已在探索利用路面鋪設太陽能光伏，而我國現有人均城市道路的面積已達15平方米。應該注意的是伴隨著我國大規模的快速城鎮化進程，預計2030年全國城鎮建筑面積可達400億平方米，相當于未來20年內再造一個中國。一方面，這樣大規模的城鎮建設，是無法直接采用當前西方發達國家的用能模式的，必須大力開展全方位節能模式和節能技術創新，這就為分布式太陽能光伏的發展提供了難得的機遇;另一方面也為太陽能光伏的發展提供了土地和空間資源。

與大多數新技術類似，可再生能源發展也面臨成本過高的挑戰，您認為未來趨勢是什么?

余貽鑫：隨著技術的進步，這些問題都會逐漸解決。以光伏為例，由于材料科學和電子技術的發展，從1977年到2013年，光伏的價格下降到之前的1%，而且光伏的價格還在以每年10%甚至更快的速度下降。在國際上，2016年3美分/kWh的風電和5美分/kWh的光伏電力已成為新常態。在我國，目前太陽能光伏發電的成本大概為0.45元/kWh甚至更低，光伏發電和電網平價已經或者即將來臨。

除了成本之外，風能和太陽能還有間歇性、多變性和不確定性，以及儲能價格相對高昂的痛點，這個難題如何破解?

余貽鑫：風能和太陽很難單獨運行，需要采用一些功率補償或者平滑的措施，其中包括：大電網的吸納、需求側管理、分布式小型燃油燃氣發電、儲能，乃至綜合能源系統等。為此，需要一個功能合理的現代電網，來集成它們，并提高能源脫碳、轉化與利用過程的效率，這個電網就是智能電網。

我國現實的挑戰是，電網中用于功率平滑的可調容量很低。從全球來看，中國的可調容量只是美國的1/8，德國的1/4。所以在開發風電和光伏時，我國西北地區采取了風光火打捆的模式，利用火電機組的調節容量。這樣做一方面降低了火電機組的熱效率和年運行小時數，另一方面由于火電機組的可調節的范圍在其額定容量的50%~100%間，必然伴生大量的火電，這不是我們所希望的。但是相當長一段時間內，我國還是需要依賴火電機組作為調節容量的，應該開展增大火電機組調節范圍的研發工作，使其可以在20%~100%范圍內進行調節。與此同時，我們應該加速抽水蓄能的開發，因為它是目前最便宜的儲能方式。由于國際上有關電動汽車儲能的研究投入力度很大，分布式儲能價格也會逐漸減低。

大量分布式可再生能源和用戶側能量管理系統的接入提高了電力系統終端(如配電網、微網、工廠、建筑和家庭)的供需不確定性。需要強調的是，供給側與需求側的不確定性共同構成了未來電網運行所面臨的最大挑戰。解決該問題的關鍵在于實現不確定性的就地(終端)解決，未來電網必須將責任分攤到終端承擔。

電網第二次智能化新挑戰

實際上，電網的智能化一直在推進中，您認為其終點在哪里?人工智能與深度學習技術，會給智能電網發展帶來什么影響?

余貽鑫：智能電網的特征包括智能化、高效、包容、激勵、機遇、重視質量、抗擾能力、環保等，智能化只是這些特征之一。

電網的第一次智能化發生在1970年代，在輸電系統的(數以千計的)變電站中安裝了遠方終端單元(RTU)，每2-10秒收集一次實時數據，并把它們送到能量管理系統 (EMS)控制中心，控制中心里的計算機使用復雜的軟件對系統中的發電機和輸電線進行實時的監視、分析和控制。對于輸電來說，這個電網是相當智能的，只是電力消費者完全不了解它。當時通信與信息技術成本較高，這種模式難以推廣到配用電系統。然而，目前通信與信息技術的成本已大幅下降，為其向配電和用電領域推廣應用準備好了條件。與此同時，環境壓力與能源轉型，以及數字化社會對電網可靠性、韌性(抵御災害和攻擊的能力)、電能質量和節能降損的要求日益嚴格，成了電網第二次智能化的原動力。毋容置疑的是，由于環境壓力與能源轉型這一原動力的出現，電網第二次智能化的強勁程度遠高于電網的第一次智能化。而且由于現在的配電網絡是按單向潮流設計的，不具備有效集成大量分布式電源的技術潛能。所以電網第二次智能化的重點發展領域在配用電側，借以集成高比例的分布式電源和加強電力公司與用戶的互動。

智能電網的進一步發展是智能能源網(又稱能源互聯網或綜合能源系統)，其實施需要幾十年，它將伴隨能源轉型的全過程。

20多年前，電力系統領域就開展了人工智能方法(如專家系統和人工神經網絡等)在電力系統中應用的研究，也涉及人工智能中的眾多數學方法，由于現在計算機能力的大幅度提升，它會成功地應用到智能電網的更多方面，特別是會在EMS中得到很好的應用。至于深度學習技術，我的課題組已把它應用到“非侵入式負荷分解裝置”中，它利用用戶出口處的電壓和電流信號，識別戶內各種電器實時的用電(有功和無功)功率，這種精細到戶內設備的用電信息在電力公司優化電網的規劃、運行與管理，電力用戶節省耗電量和電費，及全社會把提高生態文明意識付諸實踐等方面具有重要意義。