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我國(guó)能源生產(chǎn)和消費(fèi)面臨轉(zhuǎn)型,構(gòu)建新一代電力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)這一重大轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵步驟。新一代電力系統(tǒng)是其發(fā)展歷程的第三代,大幅提高非化石能源電力占比,形成非化石能源為主的電源結(jié)構(gòu)是其重要標(biāo)志,在智能電網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)上構(gòu)建更加智能化和多能互補(bǔ)的能源互聯(lián)網(wǎng)是其發(fā)展方向。根據(jù)當(dāng)前及未來(lái)電力系統(tǒng)發(fā)展面臨的主要問(wèn)題和關(guān)鍵因素分析,提出了新一代電力系統(tǒng)的主要技術(shù)特征：適應(yīng)高比例可再生能源接入、具有高比例電力電子裝備、支撐多能互補(bǔ)綜合能源網(wǎng),以及與信息通信技術(shù)進(jìn)一步深度融合。高效低成本太陽(yáng)能風(fēng)能發(fā)電技術(shù)、高效低成本長(zhǎng)壽命儲(chǔ)能技術(shù)、高可靠性低損耗電力電子技術(shù)、高強(qiáng)度低成本絕緣技術(shù)和超導(dǎo)輸電技術(shù),以及新一代人工智能技術(shù)等幾類技術(shù)整體突破將對(duì)新一代電力系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展具有決定性影響。上述技術(shù)特征內(nèi)涵和核心技術(shù)問(wèn)題的分析,有助于進(jìn)一步探討新一代電力系統(tǒng)研究和發(fā)展的方向。

0、引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和能源需求的大幅增長(zhǎng),能源發(fā)展面臨資源和環(huán)境的巨大挑戰(zhàn)。新形勢(shì)下,習(xí)近平主席于2014年6月提出推動(dòng)能源消費(fèi)革命、能源供給革命、能源技術(shù)革命和全方位加強(qiáng)國(guó)際合作的重大戰(zhàn)略思想;在中共十九大報(bào)告中進(jìn)一步提出推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命,構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系,為我國(guó)能源發(fā)展改革指明了方向。出于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的要求,在世界范圍內(nèi)與能源生產(chǎn)、消費(fèi)密切相關(guān)的溫室氣體排放也受到高度關(guān)注。2016年9月3日全國(guó)人大常委會(huì)批準(zhǔn)我國(guó)加入《巴黎氣候變化協(xié)定》,在該協(xié)定框架之下,我國(guó)提出了有雄心、有力度的國(guó)家自主貢獻(xiàn)4大目標(biāo)：1)到2030年中國(guó)單位GDP的二氧化碳排放,要比2005年下降60%到65%;2)到2030年非化石能源在一次能源消費(fèi)中的比重要提升到20%左右;3)到2030年左右,中國(guó)二氧化碳排放達(dá)到峰值,并且爭(zhēng)取早日達(dá)到峰值;4)增加森林蓄積量和增加碳匯,到2030年中國(guó)的森林蓄積量要比2005年增加45億m3[1]。這4大目標(biāo)既是我國(guó)對(duì)世界的承諾,也是我國(guó)實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)轉(zhuǎn)型的重要依據(jù)。其中非化石能源(主要包括水電、風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等可再生能源以及核能等)在一次能源消費(fèi)中比重是能源轉(zhuǎn)型的核心指標(biāo)。

根據(jù)上述情況,我國(guó)能源革命的主要目標(biāo)將是以可再生能源逐步替代化石能源,實(shí)現(xiàn)可再生能源等清潔能源在一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)中占更大份額,推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型,建設(shè)清潔低碳、安全高效的新一代能源系統(tǒng)。由于電力系統(tǒng)與可再生能源的生產(chǎn)、輸送和消費(fèi)密切相關(guān),電力系統(tǒng)在保證能源轉(zhuǎn)型核心指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)方面具有關(guān)鍵作用,因此,必須在技術(shù)發(fā)展和創(chuàng)新的基礎(chǔ)上,大力推動(dòng)電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型,建設(shè)作為新一代能源系統(tǒng)核心的新一代電力系統(tǒng)。

本文從能源革命的戰(zhàn)略角度出發(fā),根據(jù)我國(guó)能源轉(zhuǎn)型中能源電力及其技術(shù)發(fā)展的總體趨勢(shì),探討了我國(guó)能源轉(zhuǎn)型和轉(zhuǎn)型中新一代電力系統(tǒng)的技術(shù)特征。1)探討了能源轉(zhuǎn)型對(duì)能源革命的重要意義及其內(nèi)涵;2)指出電力能源結(jié)構(gòu)演化對(duì)能源轉(zhuǎn)型具有重要意義;3)從高比例可再生能源電力系統(tǒng)、高比例電力電子裝備電力系統(tǒng)、多能互補(bǔ)的綜合能源電力系統(tǒng)、信息物理融合的智能電力系統(tǒng)與能源互聯(lián)網(wǎng),以及幾類技術(shù)整體突破的潛在決定性影響等角度分析了新一代電力系統(tǒng)的主要技術(shù)特征。

1、實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型是我國(guó)能源革命的關(guān)鍵

國(guó)家發(fā)展改革委和國(guó)家能源局2016年12月29日發(fā)布的《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略(2016—2030)》(以下簡(jiǎn)稱《戰(zhàn)略》)提出了我國(guó)能源革命中長(zhǎng)期的戰(zhàn)略目標(biāo)。其中,明確提出：1)到2020年,我國(guó)能源消費(fèi)總量控制在50億噸標(biāo)準(zhǔn)煤以內(nèi),非化石能源占比達(dá)到15%,天然氣占比力爭(zhēng)達(dá)到10%;2)2021到2030年,實(shí)現(xiàn)能源年消費(fèi)總量控制在60億噸標(biāo)準(zhǔn)煤以內(nèi),非化石能源占比達(dá)到20%左右,天然氣占比達(dá)到15%左右,非化石能源發(fā)電量占全部發(fā)電量的比重力爭(zhēng)達(dá)到50%;3)2050年,實(shí)現(xiàn)能源消費(fèi)總量基本穩(wěn)定,非化石能源超過(guò)一半。

可見(jiàn),非化石能源在一次能源消費(fèi)中占比的不斷提升,以及隨之帶來(lái)的能源轉(zhuǎn)型,是我國(guó)能源革命的關(guān)鍵。與此相應(yīng),《戰(zhàn)略》提出2030年非化石能源發(fā)電量占全部發(fā)電量的比重力爭(zhēng)達(dá)到50%,也是我國(guó)電力系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的重要指標(biāo),是構(gòu)建我國(guó)新一代電力系統(tǒng)必須考慮的基本要求。

基于我國(guó)能源發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo),綜合相關(guān)研究成果[2-12],能源轉(zhuǎn)型中我國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)演化趨勢(shì)的一種可能情景如圖1所示。

其中,2050年,50%的一次能源消費(fèi)將是非化石能源,預(yù)計(jì)2030年后石油消費(fèi)會(huì)逐年遞減,而天然氣消費(fèi)將逐年增加,但石油和和天然氣之和占能源消耗比重較為穩(wěn)定,大體維持在30%左右,因此在2050年一次能源消費(fèi)對(duì)煤炭的需求將會(huì)在20%左右。

2、能源轉(zhuǎn)型與電力能源結(jié)構(gòu)演化

非化石能源在一次能源消費(fèi)中占比是我國(guó)能源轉(zhuǎn)型的核心指標(biāo)。電力屬于二次能源,其來(lái)源與一次能源消費(fèi)密切相關(guān)。2015年我國(guó)非化石能源電量為1.5萬(wàn)億kW?h,采用供電煤耗法計(jì)算,取當(dāng)年火電平均供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗315g/(kW?h),折合一次能源4.725億tce(噸標(biāo)準(zhǔn)煤),占全年一次能源消費(fèi)總量43億tce的11%;與全國(guó)當(dāng)年非化石能源消費(fèi)占一次能源消費(fèi)的比例12%相差1個(gè)百分點(diǎn)。2016年我國(guó)非化石能源電量為1.7萬(wàn)億kW?h,當(dāng)年火電平均供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗312g/(kW?h),折合一次能源5.304億tce,占全年一次能源消費(fèi)總量43.6億tce的12.3%;與全國(guó)當(dāng)年非化石能源消費(fèi)占一次能源消費(fèi)的比例13.3%也是相差一個(gè)百分點(diǎn)?？梢?jiàn),通過(guò)接近90%的非化石能源轉(zhuǎn)化為電能,使一次能源消費(fèi)中非化石能源的消費(fèi)主要來(lái)自電力,有力推動(dòng)了我國(guó)非化石能源生產(chǎn)和消費(fèi)的發(fā)展,為國(guó)家能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型提供了最大的助力。因此,大幅提高非化石能源電力占比,形成非化石能源為主的電源結(jié)構(gòu),是實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的主要支撐,也是電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型、建設(shè)新一代電力系統(tǒng)的重要標(biāo)志。

基于國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)的中長(zhǎng)期能源電力發(fā)展估算模型如圖2所示。模型基于2020—2050年各水平年全國(guó)一次能源消費(fèi)總量、非化石能源在一次能源消費(fèi)中占比等國(guó)家能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略目標(biāo),以及預(yù)測(cè)的全國(guó)人口數(shù)量、人均年用電量,水電及核電開(kāi)發(fā)總量等經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展目標(biāo),各類發(fā)電設(shè)備的年運(yùn)行小時(shí)、火電單位供電煤耗等技術(shù)參數(shù)的演化數(shù)據(jù),計(jì)算各水平年水能、核能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等非化石能源發(fā)電以及煤炭、天然氣等化石能源發(fā)電的裝機(jī)容量和年電量發(fā)展需求。

根據(jù)該模型對(duì)我國(guó)2020年至2050年發(fā)電裝機(jī)容量和發(fā)電量進(jìn)行估算。其中,2020年按一次能源消費(fèi)總量50億tce、非化石能源占比15%、總發(fā)電量為7萬(wàn)億kW?h考慮,可得煤電裝機(jī)占56%,發(fā)電量占62%,可見(jiàn)到2020年我國(guó)煤電依然是基礎(chǔ)性的能源;2030年按一次能源消費(fèi)總量是58億tce、非化石能源占比22%考慮,可得非化石能源發(fā)電裝機(jī)占比57.82%,年發(fā)電量占比49.23%,此時(shí)非化石能源電力將成為我國(guó)的主要電力能源。相關(guān)結(jié)果見(jiàn)圖3所示。

2035和2050年按照非化石能源占比分別為27.5%和50%考慮,在一次能源消費(fèi)總量于2030— 2035年達(dá)到峰值58億tce后趨于穩(wěn)定并略為下降的預(yù)期下,設(shè)定2050年為55億tce(見(jiàn)圖1)。估算結(jié)果表明,到2035年非化石能源電力裝機(jī)占比65.11%,年發(fā)電量占比55.72%。到2050年非化石能源電力裝機(jī)占比84.23%,年發(fā)電量占比78.16%,其中非水可再生能源(風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能等)的電力裝機(jī)占比71.75%,年發(fā)電量占比53.35%,可再生能源已成為我國(guó)電力的主力能源,如圖4所示。其中2050年我國(guó)發(fā)電裝機(jī)和發(fā)電量估算方案設(shè)定數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)上述模型的估算結(jié)果,可以得到2010年至2050年我國(guó)電力年發(fā)電量結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì),如圖5所示。

圖5所示結(jié)果為設(shè)定非化石能源消費(fèi)總量全部轉(zhuǎn)化為一次電力(水電、核電、非水可再生能源發(fā)電)的情景。若在保持其他條件不變的情況下,考慮非化石能源總量轉(zhuǎn)化為電力的比例由100%到70%之間變化,則我國(guó)2050年非化石能源總量轉(zhuǎn)化為電的比例與裝機(jī)預(yù)估容量情況如圖6所示。

根據(jù)上述初步預(yù)測(cè),消納不斷增加的可再生能源將會(huì)是我國(guó)新一代電力系統(tǒng)的主要建設(shè)目標(biāo)。由于可再生能源在裝機(jī)形式、系統(tǒng)運(yùn)行,以及能源消費(fèi)等方面較之傳統(tǒng)化石能源都有不同的特點(diǎn),因此勢(shì)必會(huì)使電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)、調(diào)控運(yùn)行,以及安全防護(hù)等方面發(fā)生新的深刻變化。

3 新一代電力系統(tǒng)的主要技術(shù)特征

電力系統(tǒng)的發(fā)展可以分為三代,第一代電力系統(tǒng)的特點(diǎn)是小機(jī)組、低電壓、小電網(wǎng),是初級(jí)階段的電網(wǎng)發(fā)展模式。第二代電力系統(tǒng)的特點(diǎn)是大機(jī)組、超高壓、大電網(wǎng)。優(yōu)勢(shì)在于大機(jī)組、大電網(wǎng)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)性、大范圍的資源優(yōu)化配置能力,以及開(kāi)展電力市場(chǎng)的潛力。缺點(diǎn)是高度依賴化石能源,是不可持續(xù)的發(fā)展模式。第三代電力系統(tǒng)的特點(diǎn)是基于可再生能源和清潔能源、骨干電網(wǎng)與分布式電源結(jié)合、主干電網(wǎng)與局域網(wǎng)和微網(wǎng)結(jié)合,是可持續(xù)的綜合能源電力發(fā)展模式[13-21]。

第三代電力系統(tǒng)即新一代電力系統(tǒng),是百年來(lái)第一、二代電力系統(tǒng)的傳承和發(fā)展。從第一代電力系統(tǒng)到第三代電力系統(tǒng)發(fā)展的內(nèi)在動(dòng)力是電能供需的變化,對(duì)于第三代電力系統(tǒng)而言,其主要驅(qū)動(dòng)力是電源結(jié)構(gòu)的變化。這種變化是伴隨著能源轉(zhuǎn)型發(fā)生的,原因在于化石能源的有限資源、環(huán)境保護(hù)的要求日益嚴(yán)格,以及在信息通信技術(shù)(information communication technology,ICT)高速發(fā)展的推動(dòng)下,對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行和用戶服務(wù)自動(dòng)化、智能化水平的更高要求。因此,大規(guī)模利用清潔能源和智能化將是未來(lái)新一代電力系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。

近十年來(lái)電力系統(tǒng)的發(fā)展,特別是風(fēng)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電的快速發(fā)展,西電東送特高壓直流輸電的大規(guī)模建設(shè),用戶端分布式能源多能互補(bǔ)綜合能源和能源互聯(lián)網(wǎng)的興起,新一代電力系統(tǒng)的技術(shù)特征更加顯現(xiàn)：電力系統(tǒng)中高比例可再生能源,高比例電力電子裝備,多能互補(bǔ)綜合能源,物理信息深度融合的智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng),是新一代電力系統(tǒng)的主要技術(shù)特征。

3.1 高比例可再生能源電力系統(tǒng)

到2016年底,我國(guó)大陸并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到1.4846億kW,太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)達(dá)到7742萬(wàn)kW。新能源裝機(jī)容量占我國(guó)大陸總裝機(jī)容量13.7%,其中西部、北部省份風(fēng)電裝機(jī)占大陸開(kāi)發(fā)總量的80%,太陽(yáng)能光伏占50%,主要采取集中開(kāi)發(fā)模式;而分布式太陽(yáng)能光伏正在我國(guó)東部興起。2016年底,我國(guó)新能源裝機(jī)主要省份風(fēng)電加光伏裝機(jī)占 比[22]如圖7所示。

目前,我國(guó)電網(wǎng)可再生能源的高滲透率主要體現(xiàn)在西部和北部地區(qū)。以甘肅為例,截至2016年底,全省光伏和風(fēng)電裝機(jī)與全省總裝機(jī)之比達(dá)到41%,是一個(gè)很典型的高滲透率電網(wǎng)。

面對(duì)大量新能源的集中接入,首先要解決的技術(shù)問(wèn)題是大規(guī)模風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電接入弱電網(wǎng)的問(wèn)題。特別是在西北部,盡管有750kV交流輸電和諸多直流輸電通道,這些地區(qū)的電網(wǎng)依然是比較薄弱的,新能源發(fā)電消納問(wèn)題比較突出。具體來(lái)說(shuō),一是大規(guī)模風(fēng)電太陽(yáng)能波動(dòng)性電力接入弱電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題。通過(guò)可再生能源機(jī)組、電站和電站群的協(xié)調(diào)控制及與電網(wǎng)控制相配合,解決可再生能源發(fā)電功率波動(dòng)造成的電壓、頻率波動(dòng)和電能質(zhì)量問(wèn)題。二是風(fēng)電太陽(yáng)能發(fā)電波動(dòng)性、間歇性和不確定性的系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻,以及棄風(fēng)棄光問(wèn)題。

我國(guó)2016年棄風(fēng)總量達(dá)到497億kW?h,棄風(fēng)率20%,其中甘肅棄風(fēng)率高達(dá)43%,新疆棄風(fēng)率也達(dá)到38%;2017年我國(guó)棄風(fēng)電量比2016年同比減少78億kW?h,但總量依然高達(dá)419億kW?h[23]。

根據(jù)我國(guó)電網(wǎng)的實(shí)際情況,目前對(duì)于棄風(fēng)棄光可考慮的技術(shù)措施主要包括：1)靈活電源和儲(chǔ)能調(diào)節(jié),例如三北地區(qū)燃煤發(fā)電比例達(dá)到65%~90%,而靈活電源(如抽水蓄能)比例僅有0.5%~1.2%,為了應(yīng)對(duì)棄風(fēng)棄光,需要對(duì)煤電進(jìn)行靈活性改造并建設(shè)蓄能電站;2)因地制宜就地消納,包括高載能產(chǎn)業(yè)布局、區(qū)域供熱、余電制氫和甲烷等;3)電網(wǎng)互聯(lián)風(fēng)光水多能互補(bǔ);4)太陽(yáng)能熱發(fā)電;5)輸電通道建設(shè)[24-28]。

除了上述措施外,隨著電網(wǎng)和電力技術(shù)的發(fā)展還可以探索新的途徑以降低棄風(fēng)和棄光率。

3.2 高比例電力電子裝備電力系統(tǒng)

新一代電力系統(tǒng)中將會(huì)有大量的電力電子設(shè)備,其中最重要的是近年來(lái)高速發(fā)展的直流輸電系統(tǒng)。2016年末,我國(guó)有29項(xiàng)直流輸電工程運(yùn)行,其中包括7項(xiàng)特高壓直流、4項(xiàng)背靠背直流、4項(xiàng)柔性直流(VSC-HVDC)。2017年還建成了錫盟至泰州、酒泉至湖南、晉北至南京、扎魯特至青州等特高壓直流工程,具體情況如圖8所示。

其中,華東和華南作為我國(guó)兩大負(fù)荷集中區(qū)也是直流輸電工程建設(shè)的重點(diǎn),截止2017年末,各有10條直流輸電落點(diǎn)在這兩個(gè)區(qū)域,相應(yīng)的系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)問(wèn)題如：多直流饋入受端電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐應(yīng)對(duì)多饋入直流相失敗,交直流混合系統(tǒng)送受端系統(tǒng)穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制等新問(wèn)題需要研究解決。

此外,隨著未來(lái)西部可再生能源開(kāi)發(fā)力度的加大和西電東送需求的增加,在我國(guó)西部通過(guò)水電、風(fēng)電、光伏、具備靈活調(diào)節(jié)能力的清潔煤電等各種能源跨地區(qū)、跨流域的優(yōu)化補(bǔ)償調(diào)節(jié),進(jìn)一步整合以可再生能源為主的清潔電力,實(shí)現(xiàn)向中東部負(fù)荷中心高效遠(yuǎn)距離輸送的目標(biāo)。為此本文作者之前提出的在現(xiàn)有西電東送單項(xiàng)直流輸電工程的基礎(chǔ)上建設(shè)直流輸電網(wǎng),形成以西部源端直流輸電網(wǎng)為基礎(chǔ)向中東部負(fù)荷中心輸電的主干輸電網(wǎng)模式的設(shè)想[4]有可能成為現(xiàn)實(shí)。

2017年末開(kāi)始建設(shè)的張北至北京4端柔性直流(VSC-HVDC)電網(wǎng)試驗(yàn)示范工程(如圖9所示),將為我國(guó)未來(lái)的直流電網(wǎng)建設(shè)積累經(jīng)驗(yàn)。

另一方面,伴隨可再生能源的發(fā)展,大量風(fēng)電光伏電力電子變換器接入電網(wǎng),例如直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組變流器、光伏電站和分布式光伏逆變器、非水儲(chǔ)能電站和分布式儲(chǔ)能逆變器等。除了集中式接入的大型風(fēng)電光伏外,還有越來(lái)越多的小容量、分布式風(fēng)電光伏系統(tǒng)投運(yùn)。目前,由于西部集中式風(fēng)電光伏受到棄風(fēng)、棄光的影響,發(fā)展暫時(shí)遇到障礙;分布式風(fēng)電和光伏在中東部地區(qū)得到較大發(fā)展;正在推行的光伏扶貧政策,也大大增加了接入電力系統(tǒng)的電力電子設(shè)備數(shù)量。

隨著大量不同類型、不同電壓等級(jí)的電力電子設(shè)備接入電網(wǎng),我國(guó)電力系統(tǒng)電力電子化的趨勢(shì)逐步顯現(xiàn),給系統(tǒng)運(yùn)行安全、系統(tǒng)分析控制、仿真建模計(jì)算等方面也帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)[29-33],主要包括：

1)防止直流輸電受端故障閉鎖引起交直流輸電系統(tǒng)大范圍功率轉(zhuǎn)移、連鎖故障。例如,若華東電網(wǎng)發(fā)生事故造成多回直流閉鎖,大量的功率將會(huì)經(jīng)由交流特高壓線路發(fā)生轉(zhuǎn)移,造成整個(gè)系統(tǒng)送受端大范圍功率電壓波動(dòng),對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成巨大威脅(如圖10所示的仿真波形)。

2)受端多饋入直流換相失敗再啟動(dòng)引起的電壓穩(wěn)定問(wèn)題。受端多個(gè)直流換流站同時(shí)換相失敗后的再起動(dòng)過(guò)程中,受端換流器將從電力系統(tǒng)吸收大量無(wú)功功率,有可能引發(fā)受端系統(tǒng)電壓長(zhǎng)時(shí)間不能恢復(fù)正常,甚至電壓崩潰(如圖11所示的仿真波形)。

3)系統(tǒng)慣性減小造成頻率波動(dòng)和頻率穩(wěn)定問(wèn)題。這主要是由于大量直流換流器接入系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)交流發(fā)電機(jī),導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)慣性減小;一旦系統(tǒng)有功率波動(dòng),其電壓和頻率的波動(dòng)速度將會(huì)加

快、范圍也會(huì)變大。雖然目前已研究采用精準(zhǔn)切負(fù)荷、使用調(diào)相機(jī)等方法,但這一問(wèn)題對(duì)調(diào)度運(yùn)行的威脅依然存在。如2015年,一回饋入華東電網(wǎng)的特高壓直流雙極閉鎖,瞬時(shí)損失功率5400MW,系統(tǒng)頻率快速跌至49.56Hz,近10年來(lái)首次跌破49.8Hz,頻率越限長(zhǎng)達(dá)數(shù)百秒,實(shí)測(cè)曲線如圖12所示。

4)隨著風(fēng)電等接入系統(tǒng)電力電子設(shè)備的增加,電力電子設(shè)備之間、電力電子設(shè)備與交流電網(wǎng)之間相互作用引發(fā)1kHz的寬頻振蕩。如2015年7月我國(guó)西北電網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)逆變器與發(fā)電廠軸系相互作用產(chǎn)生次同步諧振事故,線路電流中次同步分量的頻率變化范圍為17~23Hz。同時(shí),電流中還能檢測(cè)到77~83Hz的超同步頻率分量(如圖13所示的事故前電網(wǎng)接線)。

由于電力電子設(shè)備激發(fā)的次同步振蕩或高頻振蕩的分析、仿真和控制將成為非常重要的問(wèn)題。

上述問(wèn)題給現(xiàn)有的電網(wǎng)仿真和系統(tǒng)分析帶來(lái)了新的挑戰(zhàn),未來(lái)更多、更復(fù)雜的電力電子裝備大規(guī)模接入電網(wǎng)將會(huì)使系統(tǒng)特性更難掌控。因此,需要在系統(tǒng)特性研究、建模仿真技術(shù),以及控制措施等方面開(kāi)展更多的工作,確保我國(guó)交直流混聯(lián)大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 多能互補(bǔ)的綜合能源電力系統(tǒng)

新一代電力系統(tǒng)伴隨我國(guó)能源轉(zhuǎn)型而產(chǎn)生,將不再是孤立的電力生產(chǎn)和消費(fèi)系統(tǒng),而是新一代能源系統(tǒng)的主要組成部分,是新形勢(shì)下智能電網(wǎng)概念向綜合能源系統(tǒng)的擴(kuò)展。根據(jù)我國(guó)綜合能源利用的實(shí)際情況,可以分為兩種類型[34-38]：

1)源端基地綜合能源電力系統(tǒng)。我國(guó)西部地區(qū)各類可再生能源豐富,未來(lái)發(fā)電裝機(jī)潛力巨大,但是受限于輸電走廊和技術(shù)因素,西電東送的能力很難超過(guò)6億kW,大量的電能除盡可能多地就地消納外,還必須轉(zhuǎn)化為其他形式的能源便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸。因此,需要在我國(guó)西北部建立源端綜合能源電力系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)水電、風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電、清潔煤電等能源基地和儲(chǔ)能通過(guò)直流輸電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)向中東部輸電;電力通過(guò)供熱制冷、產(chǎn)業(yè)耗電等多種途徑就地消納;電解制氫、制甲烷等就地利用或通過(guò)天然氣管道東送。

2)終端消費(fèi)綜合能源電力系統(tǒng)。此類系統(tǒng)主要存在于我國(guó)東部地區(qū),建設(shè)目標(biāo)是提高能源利用效率、降低能源消耗總量。目前我國(guó)能源電力生產(chǎn)主要通過(guò)熱發(fā)電,相應(yīng)的效率只有30%~40%,因此有必要建立綜合能源電力系統(tǒng),提高能源綜合利用效率。該系統(tǒng)主要包括基于各類清潔能源滿足用戶多元需求的區(qū)域綜合能源系統(tǒng);主動(dòng)配電網(wǎng)架構(gòu)下直接面向各類用戶的分布式能源加各類儲(chǔ)能和清潔能源微電網(wǎng)。其中基于天然氣和清潔電力的分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)如圖14所示,面向用戶的綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)如圖15所示。

3.4 物理信息深度融合的智能電力系統(tǒng)和能源互聯(lián)網(wǎng)

隨著ICT的進(jìn)步,各類能源系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在逐步融合進(jìn)而形成能源互聯(lián)網(wǎng)[15,39],使得能源與信息間的聯(lián)系和互動(dòng)達(dá)到前所未有的新高度。如果用互聯(lián)網(wǎng)思維審視傳統(tǒng)電力系統(tǒng),可以看出后者中各類集中和分散布局的電源通過(guò)大規(guī)?；ヂ?lián)的輸配電網(wǎng)絡(luò)連接千家萬(wàn)戶,具有天然的網(wǎng)絡(luò)化基本特征。事實(shí)上,傳統(tǒng)電力系統(tǒng)終端用戶用電早已實(shí)現(xiàn)“即插即用”,電力用戶不需要知道它所用的電是哪個(gè)電廠發(fā)出的,只需根據(jù)需要從網(wǎng)上取電,具有典型的開(kāi)放和共享的互聯(lián)網(wǎng)特征。另一方面,從互聯(lián)網(wǎng)思維看傳統(tǒng)電力系統(tǒng),后者還是缺乏靈活調(diào)節(jié)和儲(chǔ)能資源,不適應(yīng)高比例集中和分布式可再生能源電力的接入,不具備多種能源相互轉(zhuǎn)化的功能,不支持多種一次和二次能源相互轉(zhuǎn)化和互補(bǔ),綜合能源利用效率和可再生能源利用程度提高受到限制。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的集中統(tǒng)一的管理、調(diào)度、控制系統(tǒng)不適應(yīng)大量分布式發(fā)電,以及發(fā)電用電、用能高效一體化系統(tǒng)接入的發(fā)展趨勢(shì)。

在智能電網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)上,物理信息深度融合的智能電力系統(tǒng)與多種能源生產(chǎn)和消費(fèi)網(wǎng)絡(luò)如交通網(wǎng)、熱力網(wǎng)、燃料網(wǎng)等廣泛互聯(lián)(如圖16所示),所形成的能源互聯(lián)網(wǎng)具有如下3個(gè)層次的涵義：

1)以電力系統(tǒng)為核心和紐帶,多種能源互聯(lián)互通的能源網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)多能協(xié)同互補(bǔ),滿足終端用戶多種能源需求,大幅提高能源綜合利用效率。

2)能源系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深度融合的信息物理系統(tǒng)。以互聯(lián)思維和技術(shù)改造傳統(tǒng)電力系統(tǒng),廣泛應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算,大幅提升能源電力系統(tǒng)的靈活性、適應(yīng)性、智能化和運(yùn)營(yíng)管理水平,大幅提高接收波動(dòng)性可再生能源的能力,助力能源轉(zhuǎn)型。

3)以用戶為中心的能源電力運(yùn)營(yíng)商業(yè)模式和服務(wù)業(yè)態(tài)。向用戶提供便捷互動(dòng)的能源、電力、信息綜合服務(wù),在滿足各種用能需求的同時(shí),為用戶創(chuàng)造更多的價(jià)值,助力能源市場(chǎng)化和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

因此,促進(jìn)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)與信息互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步廣泛融合,以互聯(lián)網(wǎng)思維和技術(shù)改造傳統(tǒng)電力系統(tǒng),建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng),是構(gòu)建新一代能源系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟,也是新一代電力系統(tǒng)的發(fā)展方向。事實(shí)上,新一代電力系統(tǒng)是新一代能源系統(tǒng)的核心,能源互聯(lián)網(wǎng)的理念目標(biāo)和系統(tǒng)架構(gòu)與新一代能源系統(tǒng)高度契合,能源互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)以電力為核心載體,智能電網(wǎng)提供主要基礎(chǔ)平臺(tái)從而可以最大限度地滿足消費(fèi)者的需求。

3.5 技術(shù)突破的決定性影響

電力系統(tǒng)的發(fā)展與相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步密不可分,對(duì)于新一代電力系統(tǒng)而言,以下方面的技術(shù)發(fā)展可能對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生顛覆性影響[40-54]。

1)高效低成本太陽(yáng)能、風(fēng)能發(fā)電和電網(wǎng)友好技術(shù)。此類技術(shù)的大規(guī)模開(kāi)發(fā)應(yīng)用,將顛覆傳統(tǒng)發(fā)電方式,告別化石能源主導(dǎo)電力生產(chǎn)的時(shí)代,實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命。事實(shí)上,自2000年以來(lái)隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,大型地面光伏全生命周期平準(zhǔn)化度電成本(levelized cost of energy,LCOE)已下降了85%,同時(shí)根據(jù)美國(guó)能源部(DOE)預(yù)計(jì),光伏發(fā)電成本2030年前將降至3美分/(kW?h)。由于同火電、水電、核電機(jī)組相比,新能源建設(shè)周期短,50MW風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)周期約為幾個(gè)月,MW級(jí)光伏電站建設(shè)周期不到半年,因此在成本大幅降低的情況下,新能源裝機(jī)占比將可迅速提高。

2)高效低成本長(zhǎng)壽命儲(chǔ)能技術(shù)。此類技術(shù)的規(guī)?；瘡V泛應(yīng)用,將顛覆傳統(tǒng)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式,開(kāi)啟全新的電力生產(chǎn)分配新模式,為未來(lái)實(shí)現(xiàn)高比例乃至100%可再生能源的新一代電力系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。2015年磷酸鐵鋰電池成本價(jià)約3000元/(kW?h),2020年預(yù)計(jì)達(dá)到1000元/(kW?h);2016年鋰離子電池儲(chǔ)能的綜合成本接近0.65元/(kW?h),預(yù)計(jì)2030年達(dá)到0.12元/(kW?h),儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的顯著下降將解決新能源發(fā)電波動(dòng)問(wèn)題。此外,預(yù)計(jì)到2030年,以鋰空氣電池為代表的超高比能電池,比能量有望達(dá)到8~10kW?h/kg(汽油熱值5.94kW?h/kg),此類 超高比能儲(chǔ)能技術(shù)將有望改變電網(wǎng)發(fā)/輸/配/用電的形態(tài)。

3)高可靠性低損耗電力電子技術(shù)。此類技術(shù)的推廣應(yīng)用,將逐步取代傳統(tǒng)交流輸電主導(dǎo)的輸配電網(wǎng),形成直流輸配電網(wǎng)和交直流混合輸配電網(wǎng)新模式。一方面,SiC和GaN等寬禁帶電力電子器件的發(fā)展,將推動(dòng)高壓直流輸電和直流電網(wǎng)具有更大容量、更高效率和更高可靠性,以其為基礎(chǔ)的高壓直流斷路器也是直流電網(wǎng)的主要組成部分;另一方面,采用新型電力電子元件的交流FACTS裝置和交直流能量路由器直接接入電網(wǎng),具有更高功率體積比和更低損耗,適用于構(gòu)建直流配電網(wǎng)或作為微電網(wǎng)功率轉(zhuǎn)換裝置,將給中低壓主動(dòng)配網(wǎng)和微電網(wǎng)帶來(lái)革命性變化。

4)高強(qiáng)度低成本環(huán)境友好絕緣技術(shù)和超導(dǎo)輸電技術(shù)。此類技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用將變革傳統(tǒng)輸電線路和裝備。其中,高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高非線性、耐高低溫、耐電痕化等絕緣材料技術(shù)的發(fā)展,可以提高設(shè)備長(zhǎng)期安全性,實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備小型化,顯著提高電氣設(shè)備的工作性能,并與環(huán)境和諧發(fā)展;超導(dǎo)輸電則將為未來(lái)電網(wǎng)提供一種全新的低損耗、大容量、遠(yuǎn)距離電力傳輸解決方案,超導(dǎo)限流、超導(dǎo)儲(chǔ)能等技術(shù)將顯著提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性。

5)新一代人工智能技術(shù)。以無(wú)處不在的傳感器和先進(jìn)ICT技術(shù)為基礎(chǔ),以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、深度學(xué)習(xí)、區(qū)塊鏈等為核心,人工智能技術(shù)正在迅速發(fā)展。具有應(yīng)用于電力系統(tǒng)設(shè)備管理和系統(tǒng)控制、能量管理和交易等領(lǐng)域的潛力,可能會(huì)顛覆傳統(tǒng)方式,開(kāi)啟一種全新的自動(dòng)、自主新模式,有助于新一代電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)和可靠性的提高。例如,未來(lái)分布式光伏、電能替代出力不確定性和電動(dòng)汽車的時(shí)空不確定性將引入更多變量,傳統(tǒng)分析方法在系統(tǒng)調(diào)度、交易方式、能量管理等方面將面臨諸多挑戰(zhàn),人工智能將是解決這一類問(wèn)題的有力措施。

上述這些方面技術(shù)的發(fā)展將會(huì)對(duì)未來(lái)電力系統(tǒng)的形態(tài)、運(yùn)行調(diào)度和市場(chǎng)交易模式產(chǎn)生重大影響。當(dāng)然,這些技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用與市場(chǎng)需求密不可分的,必須考慮經(jīng)濟(jì)性,只有具備充分市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)和裝備才能得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展。

新一代電力系統(tǒng)的發(fā)展將會(huì)是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程,因此除了上述技術(shù)外,還可能在此期間出現(xiàn)新的、具有重大意義的技術(shù)方向。這就要求在構(gòu)建新一代電力系統(tǒng)時(shí)必須充分考慮潛在的技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域,保持對(duì)新技術(shù)的接納能力并適時(shí)調(diào)整系統(tǒng)的相關(guān)環(huán)節(jié)。

4 結(jié)論

1)建設(shè)清潔低碳、安全高效的新一代能源系統(tǒng)是我國(guó)新一輪能源革命的主要目標(biāo),能源轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵步驟。

2)電力系統(tǒng)由以化石能源為主向低碳可再生能源為主轉(zhuǎn)型,建設(shè)作為新一代能源系統(tǒng)核心的新一代電力系統(tǒng),將對(duì)能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起關(guān)鍵作用。

3)高比例可再生能源、高比例電力電子裝備接入電網(wǎng),實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)的綜合能源生產(chǎn)和供給,在智能電網(wǎng)基礎(chǔ)上支持構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng),是新一代電力系統(tǒng)的顯著技術(shù)特征,也將帶來(lái)能源轉(zhuǎn)型中對(duì)電力系統(tǒng)的重大技術(shù)挑戰(zhàn),為電力系統(tǒng)理論和技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)新的研究方向和發(fā)展機(jī)遇。

4)包括新一代人工智能在內(nèi)的幾類技術(shù)的突破有可能對(duì)未來(lái)能源電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的發(fā)展形態(tài)、系統(tǒng)整體效率、運(yùn)行控制方式和運(yùn)營(yíng)模式帶來(lái)變革性、顛覆性影響,也是針對(duì)新一代電力系統(tǒng)前瞻性研究的重要方向。