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总结报告

全球能源互联网关键技术与研究解读

2017-06-16发布人:poster

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        自第二次工业革命以来,人类社会对电能的需求迅猛增长。据英国石油公司( British petroleum,BP) 统计,2015 年世界总发电量约为24 098 TWh。虽然近年来,以风电和光伏为代表的可再生能源得到了快速发展,但目前人类消耗的电能仍有约70%来自化石燃料电厂。这些电厂在提供电能的同时也大幅增加了污染物和二氧化碳的排放量,对全球气候变化造成了巨大影响。
  对此,世界各个国家和组织制定了二氧化碳减排目标。例如,欧盟于2007 年提出“20 - 20 - 20”目标,即到2020 年,在1990 年的基础上实现二氧化碳排放量减少20%、能耗减少20%、可再生能源在能源消耗中所占份额达到20%的目标。中国作为全球二氧化碳排放量大国,制定发布了《中国应对气候变化国家方案》、《国家应对气候变化规划( 2014 - 2020 年) 》等相关文件。在减少二氧化碳排放量的过程中,低碳电力是重中之重,唯有在电源侧实现电能的低碳供给,才能从根本上降低二氧化碳的排放量。
  可再生能源主要包括水能、风能、太阳能、海洋能等,其资源丰富、开发潜力巨大。但其出力的不确定性导致其难以大规模就地消纳。2014 年7 月,时任国家电网公司董事长的刘振亚在美国IEEE 会议上发表署名文章,提出构建全球能源互联网( global energyinternet,GEI) 。2015 年9 月,中国国家主席习近平在第70 届联合国大会可持续发展峰会上发表的重要讲话中倡议,探讨构建全球能源互联网,以清洁、绿色方式满足全球电力需求。
  本文介绍了全球能源互联网的基本概念以及目前世界上主要洲际互联电网的建设情况,分析了建设全球能源互联网的关键技术,并展望了研究趋势。
  1 全球能源互联网基本概念
  全球能源互联网是以特高压为骨干网架( 通道) ,以输送清洁能源为主导,全球互联、泛在的坚强智能电网。全球能源互联网将由跨国、跨洲骨干网架和各国各电压等级电网( 输电网、配电网) 构成,连接“一极一道”( 北极、赤道) 和各洲大型能源基地,适应各种分布式电源需要,将风能、太阳能、海洋能等可再生能源输送给各类用户。其实质是“智能电网+ 特高压+ 清洁能源”。
  全球能源互联网建设按照洲内互联、洲际互联、全球互联三个阶段推进。
  第一阶段( 当前~ 2020 年) : 到2020 年,在现有电网格局的基础上,由西部不同资源类型的电网互联形成西部电网,由东部主要受电地区电网互联形成东部电网,从而形成送、受端结构清晰,交流和直流协调发展的两个同步电网格局。
  第二阶段( 2020 年~ 2030 年) : 到2025 年,建设东、西部电网同步联网工程,国家电网形成一个同步电网的格局。到2030 年,建成西南水电基地,东北、西北等能源基地,与周边俄罗斯、蒙古、哈萨克斯坦等国家形成互联。
  第三阶段( 2030 年~ 2050 年) : 大规模开发北极风电、赤道太阳能资源,建设全球可再生能源基地,洲际间多类型电力交互效益显现,全球能源互联网初具规模。到2050 年,全球风能、太阳能等可再生能源基地全面开发,可再生能源发电替代化石能源占据绝对比重,化石能源的开发、输送和消费规模急剧下降,全球能源互联网全面建成。
  与此同时,全球能源互联网具备网架坚强、广泛互联、高度智能、开放互动四个重要特征,可实现能源传输、资源配置、市场交易、产业带动、公共服务五个主要功能。
  2 洲际互联电网
  2. 1 欧洲—非洲互联电网
  为实现“20 - 20 - 20”目标,同时保证欧洲电网供电的安全性和可靠性、改善欧洲电力市场的整体效益,Stijn Cole、TilKristian Vrana 等欧洲学者于2008 年提出建设一个泛欧洲的输电网络,即“超级电网”。欧洲作为全球重要的电力负荷之一,其超级电网的主要建设目的在于解决北极风电、北海风电以及南欧和北非太阳能的接入问题,实现欧洲电力负荷的清洁供给。
  为促进地中海沿岸以及北非太阳能资源的开发与利用,欧盟和地中海沿岸的北非、中东地区等43 个国家共同制定,并于2008 年启动了地中海太阳能计划( mediterranean solar plan,MSP) ,希望借助集中式太阳能发电( concentrated solar power,CSP) 技术提高地中海周边国家的太阳能发电能力,并可出口欧盟。
  欧洲—非洲互联电网的建设起步较早,其实践工程中遇到的关于高压直流输电技术、储能技术、潮流调节与控制,乃至政治与经济等方面的问题与困难,为我国超级电网乃至全球能源互联网的建设提供了很好的经验与启示。
  2. 2 亚洲—欧洲互联电网
  亚洲与欧洲存在较为显著的时区差异,且负荷特性具有较好的互补关系,因此亚洲—欧洲互联电网具有良好的发展前景。考虑到欧亚自然资源和电力负荷分布,未来亚洲—欧洲互联电网优先考虑建设“中国—中亚—中欧”北通道和“东南亚—印度—南欧”南通道。
  在北通道上,我国新疆地区风能和光能资源丰富,拥有达坂城、准格尔盆地等九大风区,根据国家气象局风能太阳能评估中心划分标准,居全国前列。其可装机容量约为330 GW,太阳年日照小时数为2 550 ~ 3 500 h,辐射照度为5 500 ~ 6 600 MJ /m2。与此同时,新疆位于我国“一带一路”国家战略中丝绸之路经济带的核心区域,良好的自然资源与地理位置优势,使得我国新疆及西北可再生能源基地在亚洲—欧洲互联电网中的地位显得极其重要。另一方面,中亚五国( 哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、吉尔吉斯斯坦、土库曼斯坦、塔吉克斯坦) 可再生能源资源丰富,具有很好的开发潜力。但随着中亚五国近年来经济的稳定增长,电力紧缺问题日益显现,其中又以哈萨克斯坦最为明显。哈萨克斯坦是俄罗斯在独联体内最大的电力出口对象国。据统计, 2014 年其从俄罗斯进口的电量达6. 4 亿kWh,约占其全国用电量的8%。因此,在我国新疆和中亚地区建设可再生能源基地,不但可以满足该地区自身的电力需求,还能向我国东部以及欧洲中部负荷中心输送电能。
  在南通道上,东南亚水电资源丰富,中东太阳能资源丰富。因此,南通道以此为支撑连接印度和欧洲南部,实现该通道上可再生能源的优化配置。东南亚具有相对较高的人口密度,并在全世界范围内保持较高的GDP 增长速率( 不丹7. 6%、老挝7. 5%、印度7. 3%、越南6. 6%、缅甸6. 5%,2015 年数据) ,未来将释放电力消费的强劲增长动力。目前,中国南方电网有限责任公司通过云南、广西,已经形成了三回220 kV、三回110 kV 线路向越南送电的格局,供电区域遍及越南老街等七省。除此之外,南京电网还计划在2016 年~ 2020 年,向越南累计送电75 亿kWh。据统计,自2004 年9 月第一条中越电力联网线路架通以来,南方电网已累计向越南北部送电达320 亿kWh。
  2. 3 其他洲际互联电网
  除了上述介绍的欧洲—非洲和亚洲—欧洲互联电网以外,世界其他大洲和国家之间也存在互联电网的需求与潜力。例如,日本提议建设“亚洲超级电网”,采用超高压直流输电技术连接中国、日本、俄罗斯、韩国、蒙古等国,将俄罗斯远东的水电,中国内蒙古以及蒙古境内的风能、太阳能等可再生能源和电力输送至中国东部沿海及日韩负荷中心,形成跨国互联电网。
  此外,亚洲—非洲联网可与欧洲—非洲和亚洲—欧洲互联电网形成大联网,实现欧亚非大陆可再生能源的优化配置与消纳; 北美洲—南美洲联网有利于利用气候和季节差异,实现负荷特性的互补; 大洋洲—亚洲联网,可将澳大利亚沙漠地区的太阳能和西北部的海上风能供应给亚洲; 亚洲—北美洲和欧洲—北美洲联网则可利用较大的时区差产生显著的错峰效益。
  3 全球能源互联网关键技术
  3. 1 特高压输电技术
  全球能源互联网以特高压输电网为骨干网架,可实现全球可再生能源的大规模、大范围配置。因此,特高压输电技术是关键。
  在特高压交流输电方面,我国国家电网公司克服了电压控制、外绝缘配置、电磁环境控制等一系列难题,于2009 年建成投运晋东南—南阳—荆门交流1 000 kV特高压输电线路。该线路全长654 km,具备稳定输送5 GW 电力的能力,已成为世界首条实现商业运营的特高压交流输电线路。
  在特高压直流输电方面,我国国家电网公司克服了因电压提升带来的复杂环境下的绝缘和电磁问题,以及超大容量换流技术等难题,于2016 年开工建设准东—皖南± 1 100 kV 特高压直流输电工程。其换流容量达24 GW,线路全长3 324 km,计划于2018 年建成投运。与特高压交流输电系统相比,直流系统具有工程造价低、节省输电走廊、输电效率高、调节灵活等优点,而且系统稳定,可实现非同步联网功能。此外,在高压直流输电( high voltage direct current,HVDC) 基础上,多端直流输电技术 ( multi - terminal HVDC,MTDC)和柔性直流输电技术 ( voltage source converter basedmulti - terminal HVDC,VSC - MTDC) 为构建直流输电网络提供了更多的解决方案。但是,在实践中仍需结合工程实际,综合评价后选择交、直流输电方案。
  3. 2 广义储能技术
  狭义的储能技术包括物理储能( 如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等) 、化学储能( 如钠硫电池、新型锂电池等) 、电磁储能( 如超导磁储能、超级电容器储能等) 和相变储能( 如冰蓄冷等) 四类。目前能够应用于电网削峰填谷的大型电网级储能设备基本只有抽水蓄能和电池储能两种。抽水蓄能技术成熟,储能成本较低,已被大规模应用。截至2014年底,全球投运约1. 5 亿kW 储能项目,其中99%以上是抽水蓄能电站。但抽水蓄能电站的建设受地理和水文环境的约束较大。电池储能能量密度高,但制造和运行成本较高。
  全球能源互联网在广域范围内大规模配置和使用可再生能源,为平抑可再生能源的波动性,对储能容量的需求极大,仅仅依靠现有的储能技术无法满足其经济上的需求。因此,必须将狭义的储能技术加以拓展,即利用广义储能技术调节电网运行。
  广义储能,也称虚拟储能,指的是一切能够改变电能时空特性,在电能供需之间发挥缓冲调节作用的设备和措施,包括负荷响应和负荷管理、电动汽车充放电管理、多能源互联系统 ( 如电转热储能、电转气储能等) 。广义储能容量潜力巨大,经济效益显著,是未来电力系统的重点研究和发展方向之一。
  3. 3 高级量测体系
  全球能源互联网是集能源传输、资源配置、市场交易、信息交互、智能服务于一体的“物联网”,是共建共享、互联互通、开放兼容的“巨系统”。应用高级量测体系( advanced metering infrastructure,AMI) 测量、收集、储存、分析、运用和传送用户用电数据、电价信息和系统运行状况,可实现量测设备的互联互通,是实现全球能源互联网智能化、互动化和大电网运行控制的重要基础。借助AMI,电网与用户实现了双向互动,使电力用户逐渐从传统的刚性负荷向柔性负荷转变,成为电力系统运行和互操作的重要参与主体。与此同时,AMI 通信过程中的信息安全问题,海量数据带来的云存储和云计算问题,以及提取有价值信息的大数据技术,都将成为建设全球能源互联网的关键技术。
  4 全球能源互联网研究探讨
  4. 1 电网的广域运行决策分析
  建设全球能源互联网是一个全新的研究课题,虽然可以部分借鉴传统的电网分析理论,但并不完全适用。其原因在于: 传统电网分析理论主要研究单一系统在较小时区跨度范围内的系统运行特性,其电源和负荷相对独立; 而全球能源互联网研究的是在广域范围内互联的多个系统,横跨多个国家和时区,因此其电源和负荷具有较强的相关性和互补性。
  一方面,对于电源而言,大型风电和光伏基地出力之间具有较强的相关性,即由于所处地理位置的相关性,造成风电或光伏,乃至风和光之间出力的相关性。对于负荷而言,受温度、天气等因素影响,不同区域负荷之间也具有相关性。
  另一方面,不同时区的电源和负荷之间具有互补性。例如,中国新疆的风电基地位于东六区,德国柏林的负荷中心位于东一区,两者之间有5 h 的时差。那就意味着,新疆凌晨0 时的风电出力高峰,正好解决柏林下午7 时的用电高峰问题。
  因此,研究电网的广域运行决策分析方法,包括网源协调规划、跨时区电力电量平衡等,是决定全球能源互联网能否有效运行的重要因素之一。
  4. 2 考虑各参与主体利益的规划和运行决策理论
  传统电网分析中的市场是统一的,但是在全球能源互联网环境下,市场机制不尽相同,在分析过程中需统筹考虑全网和各子系统的效益。具体来说,在进行全球能源互联网规划时,需对跨区域间的电力电量平衡进行物理层与经济层的系统集成分析,实现动态演绎、分阶段规划,以此确定互联各国的电力贸易条件、互联方式与输送容量。而在探索全球能源互联网的运行机制时,需建立符合各国实际情况的国际通用电力市场互联标准,力求以兼容、高效、互补为目标,形成全球统一的能源互联运营系统。
  鉴于各国经济发展水平、电网的投资主体、电价机制、电力市场开放程度的不同,在建设全球能源互联网的过程中必须始终坚持“共商、共建、共享、共赢”的原则,考虑各国条件、水平和需求的差异,平等协商形成因地制宜和普惠的合作机制,促进各方的合作共赢,提高环境、经济、社会等多方面的综合效益。
  4. 3 “清洁替代”与“电能替代”
  随着清洁、可再生能源的大规模开发和全球化配置,其经济性将大幅提高,预计2025 年前后基本与化石能源发电成本持平, 2030 年~ 2050 年将更具竞争优势。结合环境成本,到2050 年,化石能源、陆上风电、光伏发电成本将分别为20 ¢/kWh、6 ¢/kWh 和5 ¢/kWh,明显的成本优势将促成电能实现“清洁替代”。
  另一方面,电能终端利用效率可达90% 以上,远高于煤炭、石油和天然气的利用效率。伴随用电成本的大幅下降,以电代煤、以电代油、以电代气将是大势所趋。2000 年~ 2015 年,全球电能占终端能源消费的比重从15. 4%提高到19. 0%左右,中国从10. 9%提高到22%左右。预计到2050 年,电能占全球终端能源消费的比重将超过50%。这就意味着,即使不考虑其他增长因素,仅利用“电能替代”就可使全球电能增长约1. 5 倍。
  因此,如何量化计算“电能替代”在各行业的推进程度、区域“电能替代”对负荷增长的影响、“电能替代”的驱动力分析等一系列问题,都是值得深入研究和探讨的课题。
  5 结束语
  全球能源互联网是全球各国对于能源清洁、可持续发展的必然选择,它将对人类社会发展方式、地球自然生态环境和全球能源资源的重新配置产生重大影响。经过国内互联、洲际互联的过程,全球能源互联的目标终将实现。面对这一全新课题,广大电力工作者要把握全球能源互联网“智能电网+ 特高压+ 清洁能源”的实质,在关键技术领域有所突破,实现电能在全球范围内的广域调度,实现各参与主体的合作共赢,实现各行业能源消费的“清洁替代”与“电能替代”。
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