分布式可再生能源和智能電網(wǎng)

在能源革命、能源轉(zhuǎn)型的大背景下，智慧能源正在成為能源行業(yè)發(fā)展的新趨勢。而實(shí)現(xiàn)城市的智慧能源，需要深入、深刻地推進(jìn)大數(shù)據(jù)技術(shù)和電網(wǎng)技術(shù)的融合發(fā)展。在第四屆世界智能大會上，中國工程院院士、天津大學(xué)教授余貽鑫在演講中表示，分布式電源和智能電網(wǎng)是未來城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)與能源、社會融合在一起將產(chǎn)生巨大的價值，助推我國新型城市的轉(zhuǎn)型和健康發(fā)展。

高比例分布式可再生能源的開發(fā)與利用

能源革命要求發(fā)展高比例風(fēng)光發(fā)電

建設(shè)美麗中國，推進(jìn)能源革命，需要高比例的可再生風(fēng)能和太陽能發(fā)電。據(jù)預(yù)測，我國2035年風(fēng)光電量之和占總電量的比例將達(dá)到25%左右，2050年這一比例將進(jìn)一步提高到50%左右。各個渠道的預(yù)測雖然不同，但是大體上是這樣一個情況。

需要注意的是，我國電能需求還未飽和，未來20年預(yù)計會翻一番。

我國擁有豐富的風(fēng)光資源，能夠滿足遠(yuǎn)景的電力開發(fā)需要。我國可再生能源極其豐富，僅太陽能資源這一項就可以大大滿足我國的遠(yuǎn)景總用電需求。不論在東部地區(qū)還是西部地區(qū)，太陽能資源都極度富裕，遠(yuǎn)好于將太陽能利用得很好的德國。如果利用東部的太陽能資源發(fā)電，產(chǎn)生2015年和2050年的全社會總用電量，即使基于目前的技術(shù)水平，也分別只需要占用我國國土面積的0.46%和1.15%。

事實(shí)上，我們可以利用屋頂、道路、魚塘、農(nóng)田等，就地開發(fā)太陽能發(fā)電。中國76%的國土面積上的風(fēng)能和幾乎100%的國土面積上的太陽能都具有開發(fā)潛力。

風(fēng)光發(fā)電與電網(wǎng)平價已經(jīng)或即將到來

以光伏為例，由于材料科學(xué)和電力電子技術(shù)的發(fā)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。

我國2019年的風(fēng)電與光伏的平準(zhǔn)化度電成本（LCOE，Levelized Cost of Energy）均值已低于國內(nèi)燃?xì)獍l(fā)電的平準(zhǔn)化度電成本，預(yù)計到2026年年底，將低于煤電的平準(zhǔn)化度電成本。同時，由于電池和熱存儲技術(shù)的改進(jìn)和成本的降低，不久的將來，小規(guī)模電力用戶通過“光伏+儲能”滿足自己的正常日電力需求甚至也能夠?qū)崿F(xiàn)與電網(wǎng)平價。

分布式發(fā)電是能源的未來

分布式發(fā)電不僅是電力的未來，而且是能源的未來。多年的實(shí)踐已經(jīng)表明，互聯(lián)電力系統(tǒng)運(yùn)行模式的限制，使得火電成為“風(fēng)光電打捆”的大規(guī)模遠(yuǎn)距離功率輸送中最主要的方式。這并非人們所期望的，并且棄風(fēng)棄光量大。

我們通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，解決風(fēng)能和太陽能發(fā)電所存在的間歇性、多變性和不確定性問題，最好方式是終端開發(fā)與消納，也就是就地開發(fā)與消納。其中有兩個要點(diǎn)：第一，就地開發(fā)與消納的供電可靠性、韌性（即抗災(zāi)能力）和安全性高，而且全社會的單位電能供電成本低，并且低得比較明顯。伴隨著風(fēng)光設(shè)備成本的持續(xù)快速下降，其成本優(yōu)勢還將更加顯著。第二，在就地開發(fā)時，負(fù)荷中心所能實(shí)現(xiàn)的風(fēng)能和太陽能光伏發(fā)電滲透率最高。而且在這種模式下，通過采取一些改善措施，風(fēng)電和光伏發(fā)電的電量滲透率可實(shí)現(xiàn)2050年的遠(yuǎn)景目標(biāo)。

電動汽車是潛在的分布式電源

我國工業(yè)用電的節(jié)省潛力巨大。與此同時，第三產(chǎn)業(yè)負(fù)荷和居民負(fù)荷具有可平移負(fù)荷（即能夠與電網(wǎng)友好配合）的充分潛能。這種潛能有助于降低電網(wǎng)的峰谷差率，從而提高電力資產(chǎn)的利用率和供電效率，同時在緊急情況下可以支援電網(wǎng)的黑啟動，有助于高比例風(fēng)光發(fā)電的更好的消納。

電動汽車是重要的分布式儲能，并且近年來持續(xù)快速增長。據(jù)預(yù)測，2030年，電動汽車的保有量將高達(dá)8000萬輛。這是一個巨大的產(chǎn)業(yè)群。而充電樁和相關(guān)配電網(wǎng)的建設(shè)是其快速發(fā)展的基礎(chǔ)。這里存在一個“雞和蛋的問題”——是通過電動汽車的大量生產(chǎn)銷售來推動電網(wǎng)的充電樁和配電網(wǎng)改進(jìn)，還是通過電網(wǎng)的充電樁和配電網(wǎng)改進(jìn)來帶動電動汽車的生產(chǎn)銷售？如果這個問題未解決好，那么會阻礙電動汽車發(fā)展的速度，影響一大群產(chǎn)業(yè)的發(fā)揮。

此外，電氣車輛不僅是大功率的電器，而且還可以成為電網(wǎng)中的蓄能裝置。管理好這些移動的儲能設(shè)備，可以為風(fēng)、光、儲的大規(guī)模配合奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)，推動智能電網(wǎng)的發(fā)展。電動汽車很可能是智能電網(wǎng)的“殺手級”應(yīng)用。

智能電網(wǎng)應(yīng)對高比例風(fēng)光發(fā)電對電力系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

風(fēng)能和太陽能的間歇性、多變性和不確定性使風(fēng)光機(jī)組很難單獨(dú)運(yùn)行，需要采用一些功率補(bǔ)償或者功率平滑的措施，包括大電網(wǎng)的吸納（調(diào)節(jié)大電網(wǎng)中出力可控的機(jī)組）、需求響應(yīng)或需求側(cè)管理、分布式小型燃油燃?xì)獍l(fā)電、電儲能和熱儲能，乃至綜合能源系統(tǒng)等。

大量的分布式電源接入電網(wǎng)后，由于多數(shù)直接接入各級配電網(wǎng)，尤其是110kV及其以下電壓等級的配電網(wǎng)，使得配電網(wǎng)自上而下都成為了線路潮流可能雙向流動的電力交換系統(tǒng)。然而，當(dāng)前的配電網(wǎng)絡(luò)是按單向潮流設(shè)計的，不具備有效集成大量分布式電源的技術(shù)潛能，即現(xiàn)有電網(wǎng)難以接納高比例的分布式可再生能源。

因此，如何處理數(shù)以百萬計甚至數(shù)以千萬計的廣泛分布的分布式電源和應(yīng)對可再生的風(fēng)能和太陽能發(fā)電的間歇性、多變性和不確定性，同時確保電網(wǎng)的安全性、韌性、可靠性和人身與設(shè)備安全，并激勵市場，成為了未來電網(wǎng)需要解決的問題。這些任務(wù)將由智能電網(wǎng)來完成。

分布式電源和智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)催生新的技術(shù)和商業(yè)模式

智能電網(wǎng)有著兩個最本質(zhì)的特征：一是電力和信息的雙向流動性，并由此建立起一個高度自動化和廣泛分布的能量交換網(wǎng)絡(luò)。二是將分布式計算和通信的優(yōu)勢引入電網(wǎng)，充分利用云、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和區(qū)塊鏈等技術(shù)，達(dá)到信息實(shí)時交換和設(shè)備層次上電力近乎瞬時的供需平衡和運(yùn)行優(yōu)化。電網(wǎng)很重要的一個特點(diǎn)就是功率點(diǎn)必須接近瞬時的平衡。

智能電網(wǎng)是一個典型的物聯(lián)網(wǎng)，是帶有顛覆性的技術(shù)，是能源互聯(lián)網(wǎng)的核心，國際國內(nèi)市場極其巨大。其技術(shù)和使能的產(chǎn)業(yè)非常廣泛，可以分為三類：第一類是智能電網(wǎng)技術(shù);涉及智能發(fā)電、智能輸電、智能變電站、智能配電、智能家庭等。第二類是智能電網(wǎng)可帶動的技術(shù)，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏發(fā)電裝置、插電式電動汽車、綠色節(jié)能建筑和智能家電等;第三類是為智能電網(wǎng)創(chuàng)建平臺的技術(shù)，包括綜合的通訊技術(shù)、傳感和量測技術(shù)、高級組件（例如應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)、儲能技術(shù)、電力電子技術(shù)、診斷技術(shù)等的最新成果）、先進(jìn)的控制方法以及分析與決策軟件等。

與智能電網(wǎng)相關(guān)的領(lǐng)域十分廣闊。由于其中技術(shù)涉獵廣泛，智能電網(wǎng)的一個關(guān)鍵目標(biāo)是像互聯(lián)網(wǎng)一樣催生新的技術(shù)和商業(yè)模式，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)革命。

能源互聯(lián)網(wǎng)以智能電網(wǎng)為核心

杰里米·里夫金所著的《第三次工業(yè)革命》（能源互聯(lián)網(wǎng)）中提到了這樣的構(gòu)想：人類社會必將邁進(jìn)一個新時代，屆時可再生能源和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將融合，以創(chuàng)造一套強(qiáng)大的新基礎(chǔ)設(shè)施，即“第三次工業(yè)革命”。

在這一愿景中，數(shù)以億計的人將從家、辦公室和工廠的可再生能源中生產(chǎn)綠色能源，并將其在“能源互聯(lián)網(wǎng)”中彼此分享，如同我們現(xiàn)在在線創(chuàng)造和分享信息。通過部署各種儲能技術(shù)，能量將被本地存儲在每一棟建筑和整個基礎(chǔ)設(shè)施中，而且交通車輛將轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱雍腿剂想姵仄嚒?/p>

可見，智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)具有相同的理念。

電力與燃?xì)?、熱力系統(tǒng)耦合日益緊密，未來將形成以智能電網(wǎng)為核心的綜合能源系統(tǒng)。綜合能源系統(tǒng)是能源互聯(lián)網(wǎng)的物理載體。

電力大數(shù)據(jù)為智能城市帶來挑戰(zhàn)和效益

實(shí)質(zhì)上，任何智能電網(wǎng)的命脈都是用以驅(qū)動應(yīng)用的數(shù)據(jù)和信息，而這些應(yīng)用又反過來促使開發(fā)新的運(yùn)營策略和改進(jìn)運(yùn)營策略成為可能。電力系統(tǒng)的任一領(lǐng)域，從電力用戶、電力市場、服務(wù)提供商、運(yùn)行、發(fā)電、輸電和配電，所收集到的數(shù)據(jù)都可能同其他領(lǐng)域的改善有關(guān)。

因此，以適當(dāng)?shù)姆绞脚c那些需要使用或有權(quán)了解數(shù)據(jù)的參與者實(shí)時共享數(shù)據(jù)，是智能電網(wǎng)的基本要素。隨著智能電網(wǎng)的實(shí)施和智能傳感設(shè)備的大量安裝使用，如以智能電表為首的AMI（高級量測體系，Advanced Metering Infrastructure）、PMU（相量測量單元，Phasor Measurement Unit）/WAMS（廣域測量系統(tǒng)，Wide Area Measurement System）、配電自動化、數(shù)字保護(hù)裝置、其他智能設(shè)備，以及智能電網(wǎng)的實(shí)施過程等，電力公司將獲取到史無前例的超大規(guī)模數(shù)據(jù)，從而構(gòu)成了智能電網(wǎng)背景下的電力大數(shù)據(jù)。

一方面，如何有效地存儲這些結(jié)構(gòu)多樣、來源復(fù)雜的數(shù)據(jù)，將成為電力公司不得不面對的挑戰(zhàn);另一方面，這些數(shù)據(jù)蘊(yùn)含著巨大的價值，對其進(jìn)行充分、有效的整合利用，也將為電力公司和智能城市的管理帶來重大的效益。

（本文根據(jù)“第四屆世界智能大會”演講內(nèi)容整理而成，未經(jīng)演講人審閱）