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新一代电力系统与能源互联网
  • 新一代能源系统,是以电力为中心,以电网为主干和平台,各种一次、二次能源的生产、传输、使用、存储和转换装置,以及它们的信息、通信、控制和保护装置直接或间接连接的网络化物理系统。
  • 1 我国能源转型与革命的目标
      
      习近平总书记2014年6月在中央财经领导小组第六次会议上发表重要讲话,提出推动能源消费革命、能源供给革命、能源技术革命、能源体制革命和全方位加强国际合作的重大战略思想。党的十九大报告进一步提出推进能源生产和消费革命,构建清洁低碳、安全高效的能源体系,这为我国能源发展改革指明了方向。遵循习近平能源革命的战略思想,我国能源转型与革命的核心战略目标是:大力推动能源转型,构建清洁低碳、安全高效的新一代能源系统,以实现最大限度地开发利用可再生能源、最高程度地提高能源利用效率,服务于国家“两个100年”建成社会主义现代化强国的经济社会发展战略目标,并为应对全球气候变化做出贡献。
      
      2 我国新一代能源系统的内涵
      
      新一代能源系统,是以电力为中心,以电网为主干和平台,各种一次、二次能源的生产、传输、使用、存储和转换装置,以及它们的信息、通信、控制和保护装置直接或间接连接的网络化物理系统。从能源产品全生命周期来看,能源转型的关键要素不仅包含以电网为核心的能源输配网络升级换代,还包括能源资源的清洁生产及高效转换、多元能源的互补协同及综合利用,新一代能源系统是在新形势下从智能电网向综合能源系统的扩展。我国新一代能源系统的主要特征包括:
      
      (1)实现可再生能源优先、因地制宜的多元结构;
      
      (2)集中分布并举、协同可靠的能源生产和供应模式;
      
      (3)供需互动、多能互补、节约高效的用能方式;
      
      (4)面向全社会的平台性、商业性和用户服务性。
      
      3 我国能源转型的主要目标
      
      国家发展改革委、国家能源局于2016-2017年先后发布《电力发展“十三五”规划》和《能源发展“十三五”规划》,这两个规划对我国能源转型的主要目标做出了明确的规定:
      
      (1)2020年:能源消费总量50亿吨标准煤以内、非化石能源占一次能源消费15%以上、天然气消费比重力争达到10%、煤炭消费比重降低到58%以下、全社会用电量预期为6.8~7.2万亿千瓦小时;全国发电装机达到20亿千瓦、非化石能源装机7.7亿千瓦,占总装机量39%、燃煤发电供电煤耗少于310g/kWh、煤电发电装机控制在11亿千瓦、西电东送规模由1.3亿千瓦增加到2.7亿千瓦;
      
      (2)2021-2030年:能源消费总量控制在60亿吨标准煤以内、非化石能源占比达到20%左右、新增能源需求主要依靠清洁能源满足,初步构建现代能源体系、非化石能源发电量占全部发电量的比重力争达到50%;
      
      (3)2050年:能源消费总量基本稳定,非化石能源占比超过一半,建成现代能源体系。
      
      4 新一代能源系统与新一代电力系统
      
      非化石能源在一次能源消费中占比是我国能源转型的核心指标。围绕该指标,新一代能源系统具有两大关键要素,一是最大限度开发利用可再生能源,不断提高以可再生能源为主的非化石能源在一次能源消费中的占比;二是最大程度提高能源综合利用效率,实现多能协调互补。在这两个关键要素实现过程中,电力系统将发挥不可替代的作用。
      
      纵观以往历史和可预见的未来,国内外电网及其技术发展的不同时期具有不同的技术经济特征,存在明显的代际差异、传承和发展特性。电力系统的发展可以分为三代,第一代电力系统的特点是小机组、低电压、小电网,这是初级阶段的电网发展模式。第二代电力系统的特点是大机组、超高压、大电网。优势在于大机组、大电网的规模经济性、大范围的资源优化配置能力,以及开展电力市场的潜力,缺点是高度依赖化石能源,是不可持续的电网发展模式。

       第三代电力系统的特点是基于可再生能源和清洁能源、集中式与分布式电源结合、骨干电网与局域网和微网结合,这是可持续的综合能源电力发展模式。与传统电力系统相比,第三代电力系统的物理特性、设备基础、运行特征、控制方式都将发生根本性改变。第三代电力系统即新一代电力系统,是百年来第一、二代电力系统的传承和发展。从第一代电力系统到第三代电力系统发展的内在动力是电能供需的变化,对于第三代电力系统而言,其主要驱动力是电源结构的变化。这种变化是伴随着能源转型发生的,原因在于化石能源的有限资源、环境保护的要求日益严格,以及在信息通信技术高速发展的推动下,对系统运行和用户服务自动化、智能化水平的更高要求。
      
      5 新一代电力系统的主要技术特征
      
      为适应环境保护、气候变化、经济发展、公共服务等外部条件的迫切要求,依托相关领域装备制造、系统运行、市场运营等电网自身技术进步,电力系统的源、网、荷等环节呈现出前所未有的快速发展态势,风电、太阳能发电等可再生能源飞速增长和广泛接入,西电东送特高压直流输电大规模建设,用户端分布式能源、多能互补综合能源系统和能源互联网逐渐兴起,新一代电力系统呈现出以下4个技术特征:
      
      (1)高比例可再生能源广泛接入;
      
      (2)高比例电力电子装备广泛应用;
      
      (3)多能互补的综合能源电力系统;
      
      (4)信息物理融合的智慧能源电力系统。
      
      6 能源互联网的内涵与认知
      
      杰里米·里夫金在《第三次工业革命》中主要谈及横向力量如何促进能源、经济与社会转型的问题。书中提出:上世纪90年代中期,一种新的通信和能源融合方式崭露头角,即互联网技术与可再生能源结合。这一结合所形成的全新、强大基础框架将促成第三次工业革命的到来。届时人们在家、办公室、工厂都能生产绿色能源,并通过能源互联网(energy internet)共享这些能源,就像我们现在共享网络信息一样。杰里米·里夫金“第三次工业革命”思维理念可理解归纳为:生产要素配置的分散化和协同化、管理交易模式的扁平化和去中心化、消费供给的一体化和网络化。
      
      7 以互联网思维审视和改造传统电力系统
      
      (1)传统电力系统的互联网特征
      
      传统电力系统中各类一次能源发电和分散化布局的电源结构(骨干电源为主)通过大规模互联的输配电网络,连接千家万户使用,具有天然的网络化基本特征;传统电力系终端用户用电早已实现“即插即用”,具有典型的开放和分享的互联网特征。电力用户不需要知道它所用电是哪家电厂发出的,只须根据需要从网上取电,具有典型的开放和分享的互联网特征。
      
      (2)传统电力系统的局限性
      
      电力系统单一的电能生产、传输配送和使用的传统模式不能实现多能协同互补,以高效满足用户多种能源需求,综合能源服务能力和能源利用效率的提高受限;传统电力系统的用户服务目标单一,以用户为中心的服务理念和信息对称、双向互动的能力欠缺,不能实现用户分布式电源的“即插即用”;传统电力系统的集中统一的管理、调度、控制系统不适应大量分布式新能源发电,及发电、用电、用能高效一体化系统接入等综合能源电力系统供需分散、系统扁平的发展趋势;传统电力系统集中模式的市场支持功能,不能适应分散化布局用户能源电力的市场化运作。
      
      8 新一代电力系统与能源互联网
      
      传统电力系统具有典型的互联网特征,与信息互联网进一步广泛融合,以互联网思维改造传统电力系统,与信息通信技术深度融合。
      
      建设能源互联网是构建新一代电力系统的关键步骤;新一代电力系统作为新一代能源系统的核心,其理念和目标与能源互联网高度契合,其核心目标都是要解决我国能源革命的首要问题,最大限度开发利用可再生能源,最高程度提高能源综合利用效率,实现能源系统的可持续发展。
      
      结语
      
      1、建设清洁低碳、安全高效的新一代能源系统,实现能源转型是我国新一轮能源革命的核心目标;
      
      2、大力开发利用可再生能源,形成以非化石能源为主的电源结构,构建新一代电力系统是实现能源转型,建设清洁低碳、安全高效新一代能源系统的主要途径;
      
      3、能源互联网是在智能电网的基础上,互联网思维理念和技术与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合的能源系统和能源产业发展新形态,是新一代能源和电力系统的重要发展方向;
      
      4、传统电力系统具有典型的互联网特征,与信息互联网进一步广泛融合,以互联网思维审视并改造传统电力系统,建设能源互联网,是构建新一代电力系统的关键步骤。
      
      作者简介
      
      周孝信,中国科学院院士、中国电力科学研究院名誉院长、IEEE Fellow、CSEE Journal of Powerand Energy Systems期刊主编。长期从事电力系统分析和控制的数学模型和计算方法研究。主持开发了中国第一套“电力系统分析综合程序”(PSASP)大型软件,在电力系统广泛应用。获国家科技进步特等奖1项,国家科技进步一等奖3项,IEEE PES Nari Hingorani FACTS奖,何梁何利基金科学与技术进步奖。
      
      编辑:Harris

     

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