文·劉吉臻
編者按：9月26日，“全球能源互聯(lián)網(wǎng)高端論壇——中國倡議一周年紀(jì)念活動”在北京召開。我們延請中國工程院院士、華北電力大學(xué)校長劉吉臻，對全球能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀、未來前景進(jìn)行點(diǎn)評。在他看來，如今全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)開啟實(shí)戰(zhàn)模式，邁向了戰(zhàn)略實(shí)施、共同行動階段。在推進(jìn)過程中，應(yīng)把握混合能源時代的發(fā)展規(guī)律，不斷克服相關(guān)技術(shù)、體制挑戰(zhàn)，構(gòu)建新能源電力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形態(tài)、運(yùn)行控制方式以及規(guī)劃建設(shè)與管理等方面的深刻變革，才能保證實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略目標(biāo)。
面對不斷增長的能源需求、傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭、生態(tài)環(huán)境的持續(xù)惡化，一場將改變?nèi)祟惸茉瓷a(chǎn)和消費(fèi)方式的能源革命正在全球范圍內(nèi)興起。這場革命的核心，是最大限度地開發(fā)利用以低碳和可再生為特征的新能源，大幅度提高能源利用效率，讓能源產(chǎn)業(yè)向高效、清潔、智能化方式轉(zhuǎn)變。由中國首倡的全球能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略構(gòu)想，很好地契合了這一時代主題。
風(fēng)能、太陽能資源，也和水能、化石能源一樣，分布并不均衡，例如在我國，80%以上的風(fēng)能、太陽能分布在西部、北部地區(qū)，而70%以上電力需求集中在東中部地區(qū)，因此同樣需要大范圍資源配置技術(shù)。建設(shè)全球能源互聯(lián)網(wǎng)，為優(yōu)化全球新能源配置提供了有效途徑，也是新能源時代全球能源配置的必然選擇。
此外，局部電力系統(tǒng)難以滿足平抑大規(guī)模新能源發(fā)電出力隨機(jī)波動性的需求，只有以大電網(wǎng)為平臺，大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)多種能源類型電源的優(yōu)化控制，才能利用不同地域之間的時區(qū)差、季節(jié)差、資源稟賦差等因素，最大限度地實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的電能實(shí)時平衡。從系統(tǒng)論的角度看，全球配置也是最優(yōu)選擇。
因此，全球能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略構(gòu)想一經(jīng)提出，很快獲得了多方支持與認(rèn)同。我們很高興地看到，在中國倡議一周年之際，全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)便已經(jīng)邁向了戰(zhàn)略實(shí)施、共同行動階段。
未來，隨著新能源并網(wǎng)比例不斷提高，電力系統(tǒng)既要面對隨機(jī)波動的負(fù)荷需求，還要面對不確定的電源輸入，這就要求其結(jié)構(gòu)形態(tài)、運(yùn)行控制方式以及規(guī)劃建設(shè)與管理等方面都要進(jìn)行革命性升級。這不是一夜之間就能實(shí)現(xiàn)的事，經(jīng)過100多年的發(fā)展改進(jìn)，目前龐大的電力系統(tǒng)已經(jīng)是最復(fù)雜的人造系統(tǒng)工程，其革新過程不可能一蹴而就，只能逐漸演化。因此，實(shí)現(xiàn)以新能源為主導(dǎo)的全球能源互聯(lián)網(wǎng)，需要一個較長的過渡時期。
大變革：新能源電力系統(tǒng)
構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)，現(xiàn)有電力系統(tǒng)需要進(jìn)行深刻變革。
電力系統(tǒng)的基本功能，是保證電能的供需平衡。在以火電、水電、核電為主導(dǎo)的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，一次能源是可以儲存的，因而電能輸出是可控的，電力系統(tǒng)可以進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測與機(jī)組優(yōu)化調(diào)度，通過變更發(fā)電側(cè)功率來滿足用電側(cè)隨機(jī)波動的需求，從而保證電能的供需平衡與電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。
而以風(fēng)能、太陽能為代表的新能源發(fā)電，與傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)的最大區(qū)別就在于，一次能源是不可儲存的，進(jìn)而風(fēng)能、太陽能的隨機(jī)波動性決定了其發(fā)電功率的隨機(jī)波動性。當(dāng)大規(guī)模新能源電源接入電網(wǎng)以后，就要求電力系統(tǒng)從原來的“一次能源可儲、二次能源可控”模式，升級為在隨機(jī)波動的負(fù)荷需求與隨機(jī)波動的電源之間實(shí)現(xiàn)電能供需平衡的新模式。
如果掌握了大規(guī)模儲能技術(shù)，可以在一定程度上化解上述矛盾，但目前的儲能技術(shù)尚無法實(shí)現(xiàn)電荷大容量、大功率存儲，所以需要從調(diào)整電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)與運(yùn)行控制方式出發(fā)，用動態(tài)思維來解決。理想的新電力系統(tǒng)需要滿足三方面響應(yīng)機(jī)制，即電源響應(yīng)、電網(wǎng)響應(yīng)、負(fù)荷響應(yīng)，我們可以將滿足這些要求的電力系統(tǒng)稱為“新能源電力系統(tǒng)”。
電源響應(yīng)就是要實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電功率的靈活控制。一方面，要研究精確的風(fēng)能、太陽能功率預(yù)測方法、大規(guī)模新能源發(fā)電基地的功率分配策略，以及靈活的新能源發(fā)電單元功率控制技術(shù)。另一方面，也要意識新能源發(fā)電功率輸出的強(qiáng)隨機(jī)波動性本質(zhì)上是由一次能源特性決定的，不可能徹底改變，因此必須有火電、水電等可控裝機(jī)進(jìn)行多源互補(bǔ)。依靠互補(bǔ)特性，可以有效地突破大規(guī)模新能源電力并網(wǎng)導(dǎo)致的電源功率隨機(jī)波動問題。
電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與輸送極限是決定電網(wǎng)配置資源能力的兩個重要方面，電網(wǎng)響應(yīng)即從調(diào)整這兩項(xiàng)內(nèi)容著手。其一，是依靠先進(jìn)的輸電方式，增強(qiáng)電網(wǎng)在大時空范圍內(nèi)的輸送能力與資源優(yōu)化配置能力，合理運(yùn)用大規(guī)模集中電站并網(wǎng)外送、基于可調(diào)負(fù)荷和儲能的就地消納、基于微網(wǎng)的分布式接入等多種方式，提高電力系統(tǒng)對新能源的接納規(guī)模。在這方面，特高壓技術(shù)的研發(fā)做出了積極嘗試，特高壓海底電纜、柔性直流輸電技術(shù)都是未來的探索方向。其二，需要基于新能源電源的時空特性與多種新型輸電方式的特征優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，硬件上構(gòu)建區(qū)域電網(wǎng)間解耦連接、分層分區(qū)的輸電網(wǎng)架，軟件上研發(fā)可以同時響應(yīng)負(fù)荷和電源功率隨機(jī)波動性的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)漸進(jìn)優(yōu)化理論方法。
隨著智能家居、電動汽車等設(shè)備的普及，負(fù)荷響應(yīng)對于提高新能源接納比例越來越重要。其實(shí)，目前的電力系統(tǒng)中已存在大量電網(wǎng)友好型的可平移負(fù)荷，要進(jìn)一步發(fā)掘這些用負(fù)荷響應(yīng)潛力，需要相關(guān)政策、價格機(jī)制、市場手段來引導(dǎo)用戶主動參與電網(wǎng)互動。同時，必要的技術(shù)條件可以在不改變用戶消費(fèi)習(xí)慣的前提下極大地提高負(fù)荷響應(yīng)比例。為實(shí)現(xiàn)人與電網(wǎng)和諧互動的用電方式，用電設(shè)備應(yīng)當(dāng)可以實(shí)時獲取并分析精確、可靠的電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息，并及時、正確地響應(yīng)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的改變。要做到這一點(diǎn)，在現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)、智能電表、柔性電力負(fù)荷控制等技術(shù)的基礎(chǔ)上，還需要有針對性地研發(fā)家庭控制網(wǎng)關(guān)、智能插座等電網(wǎng)友好裝置以及具有用電信息采集、處理、監(jiān)控、計(jì)費(fèi)、資源調(diào)度等功能的高級量測系統(tǒng)。
此外，與傳統(tǒng)發(fā)電廠/站相比，新能源發(fā)電設(shè)備運(yùn)行環(huán)境惡劣、工況多變的客觀條件導(dǎo)致其出現(xiàn)故障的概率增大，從而增加了電力系統(tǒng)發(fā)生事故的風(fēng)險，因此先進(jìn)的電網(wǎng)控制與安全防御技術(shù)也是決定新能源接納極限的重要因素。傳統(tǒng)的電網(wǎng)保護(hù)與安全防御系統(tǒng)采用的是“以保守性換取可靠性”的策略，即采取離線仿真方式按最惡劣的情況設(shè)定保護(hù)控制策略，這極大地限制了電網(wǎng)優(yōu)化配置資源的能力。智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)正在改變這種局面，各種傳感器的大量應(yīng)用與監(jiān)測平臺的建設(shè)，讓電力系統(tǒng)信息化程度顯著提高，系統(tǒng)安全防御將可以從常規(guī)的故障控制，轉(zhuǎn)變?yōu)獒槍ο到y(tǒng)實(shí)時狀態(tài)的評估、預(yù)警、保護(hù)與安全控制體系，這將會更加適合新能源電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。
在上述特性都具備的前提下，電力系統(tǒng)才可能具備完全的新能源接納能力，風(fēng)能、太陽能發(fā)電也才能真正進(jìn)入大發(fā)展時期。
大突破：混合能源關(guān)鍵技術(shù)
建設(shè)全球能源互聯(lián)網(wǎng)，需要突破性的關(guān)鍵技術(shù)支撐。
在過去15年中，新能源經(jīng)歷了一個快速發(fā)展時期。2015年，全球風(fēng)能和太陽能發(fā)電裝機(jī)容量分別達(dá)到了4.33億千瓦和2.27億千瓦，2000~2015年間分別增長了23倍、175倍，年均增長率為24%、41%。我國更是后來居上，風(fēng)能、太陽能發(fā)電裝機(jī)容量在15年間分別增長了280倍、1400倍，在2015年分別達(dá)到了1.28億千瓦和0.42億千瓦，均居世界第一位。
新能源的爆炸式增長，在加速能源革命進(jìn)度的同時，也不可避免地帶來了一些問題，眾所周知，我國風(fēng)能、太陽能發(fā)電遇到的最大瓶頸，即是消納難題。這當(dāng)然有體制、機(jī)制因素的阻礙，但現(xiàn)有電力系統(tǒng)的技術(shù)制約也是一個不容忽視的客觀因素。
面對這種局面，冷靜、客觀地評估未來發(fā)展趨勢變得很有必要。首先必須承認(rèn)，傳統(tǒng)化石能源在現(xiàn)階段仍然占主導(dǎo)地位，即使到2030年我國碳排放達(dá)到峰值，預(yù)計(jì)火力發(fā)電仍將占全國發(fā)電量的60%。在未來很長一段時期內(nèi)，都將是一個化石能源發(fā)電、水電、核電、新能源發(fā)電并存的“混合能源時代”，這一歷史時期至少將持續(xù)50~100年。其次也要看到，新能源是構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)的根本，也是能源革命的發(fā)展方向，合理的增長速度是必要的。
為新能源發(fā)展排憂解難，體制障礙不少，比如缺乏電源、電網(wǎng)統(tǒng)籌規(guī)劃，新能源發(fā)展與電網(wǎng)、調(diào)峰電源建設(shè)不協(xié)調(diào)、不配套；新能源大范圍配置的市場機(jī)制和政策保障不健全等等，這些都需要在今后逐步加以解決。
然而，未來真正的瓶頸必定是技術(shù)問題。新能源電力系統(tǒng)描述起來容易，但真正做起來，目前的技術(shù)儲備遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
比如要通過多種能源電源互補(bǔ)平抑波動性，需要互補(bǔ)電源具備一定的響應(yīng)速度，同時還能保證其本身大范圍變負(fù)荷運(yùn)行時的經(jīng)濟(jì)性。在日本及部分歐洲發(fā)達(dá)國家，水電占比高，是主要的調(diào)峰手段；在美國，燃?xì)?油發(fā)電裝機(jī)容量占比在45%以上，是調(diào)峰的首要選擇。而在我國，燃煤火力發(fā)電占主導(dǎo)地位，目前新能源的規(guī)模化發(fā)展必然要依賴于火電機(jī)組的快速深度調(diào)峰。但目前的火力機(jī)組可調(diào)范圍窄、調(diào)節(jié)速度慢問題突出，而且在大范圍變負(fù)荷運(yùn)行的情況下會導(dǎo)致其經(jīng)濟(jì)性、安全性、環(huán)保性顯著下降。要想讓其滿足平抑新能源波動性的需求，首先需要構(gòu)建發(fā)電過程參數(shù)快速檢測與狀態(tài)精細(xì)表征理論與方法，為實(shí)現(xiàn)發(fā)電過程的快速、精確控制奠定基礎(chǔ)；其次，需要發(fā)掘火電機(jī)組的蓄能環(huán)節(jié)，建立能量存儲/釋放過程的動態(tài)模型，分析其用于機(jī)組變負(fù)荷控制的可行性，以提高機(jī)組的變負(fù)荷控制速率，最終形成大型火電機(jī)組快速深度變負(fù)荷控制策略。未來，智能發(fā)電技術(shù)可以讓智能發(fā)電廠將不僅是獨(dú)立的發(fā)電單元，而是一個能夠隨時感知外部信息，與電網(wǎng)以及其他發(fā)電單元乃至用戶友好互動的電源。
我們深知，在混合能源時代，要讓新能源電力由補(bǔ)充能源發(fā)展為替代能源，并最終成為主導(dǎo)能源，還有許多難關(guān)需要攻克。而無論是對于全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，還是面對新一輪技術(shù)革命的大潮，我們都應(yīng)該志在高遠(yuǎn)，以敢為天下先的氣概，去引領(lǐng)新時代的發(fā)展。
（作者系中國工程院院士、華北電力大學(xué)校長）
