能源轉(zhuǎn)型中構(gòu)建新一代電力系統(tǒng)

文 | 中國科學(xué)院院士、中國電力科學(xué)研究院名譽(yù)院長 周孝信

在習(xí)近平總書記關(guān)于能源的四個(gè)革命和一個(gè)合作的戰(zhàn)略思想指引下，國家發(fā)展改革委、國家能源局在2016年先后發(fā)布了《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》以及《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略（2016—2030）》，其中提出了未來能源轉(zhuǎn)型的主要指標(biāo)。我認(rèn)為主要指標(biāo)有兩個(gè)：一是一次能源消費(fèi)總量，2020年控制在50億噸標(biāo)準(zhǔn)煤以內(nèi)，2030年控制在60億噸標(biāo)準(zhǔn)煤以內(nèi)；二是非化石能源占一次能源消費(fèi)比重，2020年的目標(biāo)是15%以上，2030年是20%左右，2050年希望達(dá)到50%。

一次能源消費(fèi)總量達(dá)到峰值58億噸標(biāo)準(zhǔn)煤之后，會逐步下降到50億噸。為什么經(jīng)濟(jì)在發(fā)展，一次能源消費(fèi)總量反而會降低呢？這是因?yàn)榭稍偕茉吹陌l(fā)展帶動了能源利用效率的提高。

想要實(shí)現(xiàn)國家的戰(zhàn)略目標(biāo)，到2050年非化石能源占50%的情況下，剩下的50%是油氣和煤炭，其中油氣保持在30%左右，煤炭則為20%。這是一個(gè)宏觀的設(shè)想，也是我們期待的發(fā)展趨勢。當(dāng)然，20%這個(gè)數(shù)字現(xiàn)在看來有爭議，有人認(rèn)為是30%，還有人認(rèn)為是40%。

新一代電力系統(tǒng)的主要特征

我國經(jīng)歷了三代電力系統(tǒng)的發(fā)展歷程，第三代電力系統(tǒng)是主干電網(wǎng)與局域配網(wǎng)、微網(wǎng)結(jié)合。國家電網(wǎng)公司提出了進(jìn)一步發(fā)展的目標(biāo)，發(fā)展模式是加快建設(shè)以堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)為核心，以新一代電力系統(tǒng)為基礎(chǔ)的能源互聯(lián)網(wǎng)。戰(zhàn)略目標(biāo)是建設(shè)具有卓越競爭力的世界一流能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)。核心任務(wù)是打造廣泛互聯(lián)、智能互動、靈活柔性、安全可靠的新一代能源系統(tǒng)。

新一代電力系統(tǒng)有四個(gè)特征：一是高比例的可再生能源電力系統(tǒng)，二是高比例電力電子裝備電力系統(tǒng)，三是多能互補(bǔ)的綜合能源電力系統(tǒng)，四是信息物理融合的智能電力系統(tǒng)。

高比例可再生能源電力系統(tǒng)。目前我國可再生能源發(fā)電占比仍然比較低，占比較高的情況已經(jīng)在西北、北部一些地區(qū)發(fā)生了。近年來，分布式能源，特別是分布式光伏發(fā)展較快。

高比例電力電子裝備電力系統(tǒng)。這和西電東送，采用大規(guī)模的直流輸電相關(guān)。由于大規(guī)模的直流輸電和分布式發(fā)電，對電力系統(tǒng)的運(yùn)行、控制帶來相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。整個(gè)系統(tǒng)的慣量減小，意味著這個(gè)系統(tǒng)里面發(fā)生一個(gè)小事故，它的反應(yīng)就會很快，會造成安全隱患。

多能互補(bǔ)的綜合能源電力系統(tǒng)。互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源就是能源互聯(lián)網(wǎng)，在這個(gè)大的前提之下，一個(gè)重要的意義是多能互補(bǔ)，用互聯(lián)網(wǎng)的思維來指導(dǎo)能源系統(tǒng)的發(fā)展。多能互補(bǔ)又分成兩部分，一個(gè)是源端基地綜合能源電力系統(tǒng)，一個(gè)是終端綜合能源電力系統(tǒng)。

信息物理融合的智能電力系統(tǒng)。在未來電力系統(tǒng)可再生能源占優(yōu)的需求背景下，在智能電網(wǎng)和綜合能源系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)快速發(fā)展和普及的基礎(chǔ)上，能源互聯(lián)網(wǎng)、能源物聯(lián)網(wǎng)理念和技術(shù)推動未來電網(wǎng)發(fā)展為信息物理融合的智慧能源電力系統(tǒng)的步伐不斷加快。利用發(fā)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)促進(jìn)可再生能源的消納，提高能源利用效率和服務(wù)客戶水平的需求，都將達(dá)到前所未有的高度。

新一代電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

新一代電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括五個(gè)方面：一是高效低成本太陽能、風(fēng)能發(fā)電技術(shù)，二是高效低成本長壽命儲能技術(shù)，三是高可靠性低損耗電力電子技術(shù)，四是高強(qiáng)度絕緣技術(shù)和超導(dǎo)輸電技術(shù)，五是新一代人工智能技術(shù)。

太陽能發(fā)電方面，技術(shù)及材料的進(jìn)步，使得價(jià)格大幅度降低。近10年來，我國光伏組件價(jià)格從每瓦近50元左右降到2～2.2元左右，光伏逆變器價(jià)格從每瓦2元左右降到0.2元，整個(gè)光伏系統(tǒng)成本從每瓦60元左右降到5元左右。風(fēng)電的成本也在逐步降低。

目前階段電力系統(tǒng)用的儲能主要有物理儲能和化學(xué)儲能。物理儲能包括壓縮空氣等方式，正在實(shí)驗(yàn)和試點(diǎn)過程中?；瘜W(xué)儲能，特別是鋰電池技術(shù)的進(jìn)步很快，將可能實(shí)現(xiàn)循環(huán)次數(shù)大于15000次、能源效率大于90%，儲能系統(tǒng)成本低于1.0元/Wh。期待成本下降能夠使儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)中的應(yīng)用快速增長。高比例能量電池，比如鋰空氣電池、鋁空氣電池，目前屬于研究階段。

為了盡可能將西部的可再生能源利用起來，除了西電東送外，還可以采用P2G（即Power to Gas）的方式。P2G的概念源于德國可再生能源導(dǎo)入量的擴(kuò)大，利用風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等的剩余電力電解水生成氫，然后提供給現(xiàn)有的燃?xì)夤艿谰W(wǎng)絡(luò)；或者利用電力、水及大氣中的CO2，通過甲烷化反應(yīng)制造甲烷，提供燃?xì)狻?/p>

電力電子技術(shù)方面，我們期望IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）能夠國產(chǎn)化，特別是用在高壓輸電、特高壓輸電里的晶門管和IGBT。目前需要擴(kuò)大生產(chǎn)能力，降低成本，提高可靠性，降低損耗。

新型的輸電方式，包括GIL，就是氣體管道線路。現(xiàn)在還有一種新的理念，即一條管道既能輸送電又能輸送氣，叫“能源管道”。

人工智能方面，我們正在研究電力系統(tǒng)里怎么用人工智能，解決哪些問題等。人工智能在電網(wǎng)里的應(yīng)用非常廣泛，比如設(shè)備的管理和優(yōu)化、運(yùn)行的優(yōu)化等。其中大電網(wǎng)的安全主要依靠仿真計(jì)算來確定。電網(wǎng)發(fā)生事故的概率很小，而人工智能需要大量的重復(fù)，有大量的數(shù)據(jù)分析才行。在這種情況下，通過仿真模擬每天做大量的計(jì)算，來做大數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)一步采用人工智能技術(shù)。這方面非常值得研究，也非常具有挑戰(zhàn)性。