4)随着风电等接入系统电力电子设备的增加,电力电子设备之间、电力电子设备与交流电网之间相互作用引发1kHz的宽频振荡。如2015年7月我国西北电网风电场逆变器与发电厂轴系相互作用产生次同步谐振事故,线路电流中次同步分量的频率变化范围为17~23Hz。同时,电流中还能检测到77~83Hz的超同步频率分量(如图13所示的事故前电网接线)。
由于电力电子设备激发的次同步振荡或高频振荡的分析、仿真和控制将成为非常重要的问题。
上述问题给现有的电网仿真和系统分析带来了新的挑战,未来更多、更复杂的电力电子装备大规模接入电网将会使系统特性更难掌控。因此,需要在系统特性研究、建模仿真技术,以及控制措施等方面开展更多的工作,确保我国交直流混联大电网的安全稳定运行。
3.3 多能互补的综合能源电力系统
新一代电力系统伴随我国能源转型而产生,将不再是孤立的电力生产和消费系统,而是新一代能源系统的主要组成部分,是新形势下智能电网概念向综合能源系统的扩展。根据我国综合能源利用的实际情况,可以分为两种类型[34-38]：
1)源端基地综合能源电力系统。我国西部地区各类可再生能源丰富,未来发电装机潜力巨大,但是受限于输电走廊和技术因素,西电东送的能力很难超过6亿kW,大量的电能除尽可能多地就地消纳外,还必须转化为其他形式的能源便于储存和运输。因此,需要在我国西北部建立源端综合能源电力系统,实现水电、风电、太阳能发电、清洁煤电等能源基地和储能通过直流输电网实现多能互补向中东部输电;电力通过供热制冷、产业耗电等多种途径就地消纳;电解制氢、制甲烷等就地利用或通过天然气管道东送。
2)终端消费综合能源电力系统。此类系统主要存在于我国东部地区,建设目标是提高能源利用效率、降低能源消耗总量。目前我国能源电力生产主要通过热发电,相应的效率只有30%~40%,因此有必要建立综合能源电力系统,提高能源综合利用效率。该系统主要包括基于各类清洁能源满足用户多元需求的区域综合能源系统;主动配电网架构下直接面向各类用户的分布式能源加各类储能和清洁能源微电网。其中基于天然气和清洁电力的分布式冷热电联产系统如图14所示,面向用户的综合能源系统架构如图15所示。
3.4 物理信息深度融合的智能电力系统和能源互联网
随着ICT的进步,各类能源系统与互联网技术正在逐步融合进而形成能源互联网[15,39],使得能源与信息间的联系和互动达到前所未有的新高度。如果用互联网思维审视传统电力系统,可以看出后者中各类集中和分散布局的电源通过大规模互联的输配电网络连接千家万户,具有天然的网络化基本特征。事实上,传统电力系统终端用户用电早已实现“即插即用”,电力用户不需要知道它所用的电是哪个电厂发出的,只需根据需要从网上取电,具有典型的开放和共享的互联网特征。另一方面,从互联网思维看传统电力系统,后者还是缺乏灵活调节和储能资源,不适应高比例集中和分布式可再生能源电力的接入,不具备多种能源相互转化的功能,不支持多种一次和二次能源相互转化和互补,综合能源利用效率和可再生能源利用程度提高受到限制。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发电,以及发电用电、用能高效一体化系统接入的发展趋势。
在智能电网发展的基础上,物理信息深度融合的智能电力系统与多种能源生产和消费网络如交通网、热力网、燃料网等广泛互联(如图16所示),所形成的能源互联网具有如下3个层次的涵义：
1)以电力系统为核心和纽带,多种能源互联互通的能源网络。通过多能协同互补,满足终端用户多种能源需求,大幅提高能源综合利用效率。
2)能源系统与互联网技术深度融合的信息物理系统。以互联思维和技术改造传统电力系统,广泛应用物联网、大数据、云计算,大幅提升能源电力系统的灵活性、适应性、智能化和运营管理水平,大幅提高接收波动性可再生能源的能力,助力能源转型。
3)以用户为中心的能源电力运营商业模式和服务业态。向用户提供便捷互动的能源、电力、信息综合服务,在满足各种用能需求的同时,为用户创造更多的价值,助力能源市场化和相关产业发展。
因此,促进传统电力系统与信息互联网进一步广泛融合,以互联网思维和技术改造传统电力系统,建设能源互联网,是构建新一代能源系统的关键步骤,也是新一代电力系统的发展方向。事实上,新一代电力系统是新一代能源系统的核心,能源互联网的理念目标和系统架构与新一代能源系统高度契合,能源互联网服务以电力为核心载体,智能电网提供主要基础平台从而可以最大限度地满足消费者的需求。
3.5 技术突破的决定性影响
电力系统的发展与相关技术的进步密不可分,对于新一代电力系统而言,以下方面的技术发展可能对电力系统产生颠覆性影响[40-54]。
1)高效低成本太阳能、风能发电和电网友好技术。此类技术的大规模开发应用,将颠覆传统发电方式,告别化石能源主导电力生产的时代,实现能源生产和消费革命。事实上,自2000年以来随着相关技术的发展,大型地面光伏全生命周期平准化度电成本(levelized cost of energy,LCOE)已下降了85%,同时根据美国能源部(DOE)预计,光伏发电成本2030年前将降至3美分/(kW•h)。由于同火电、水电、核电机组相比,新能源建设周期短,50MW风电项目建设周期约为几个月,MW级光伏电站建设周期不到半年,因此在成本大幅降低的情况下,新能源装机占比将可迅速提高。
2)高效低成本长寿命储能技术。此类技术的规模化广泛应用,将颠覆传统电力系统运行方式,开启全新的电力生产分配新模式,为未来实现高比例乃至100%可再生能源的新一代电力系统奠定基础。2015年磷酸铁锂电池成本价约3000元/(kW•h),2020年预计达到1000元/(kW•h);2016年锂离子电池储能的综合成本接近0.65元/(kW•h),预计2030年达到0.12元/(kW•h),储能系统成本的显著下降将解决新能源发电波动问题。此外,预计到2030年,以锂空气电池为代表的超高比能电池,比能量有望达到8~10kW•h/kg(汽油热值5.94kW•h/kg),此类 超高比能储能技术将有望改变电网发/输/配/用电的形态。
3)高可靠性低损耗电力电子技术。此类技术的推广应用,将逐步取代传统交流输电主导的输配电网,形成直流输配电网和交直流混合输配电网新模式。一方面,SiC和GaN等宽禁带电力电子器件的发展,将推动高压直流输电和直流电网具有更大容量、更高效率和更高可靠性,以其为基础的高压直流断路器也是直流电网的主要组成部分;另一方面,采用新型电力电子元件的交流FACTS装置和交直流能量路由器直接接入电网,具有更高功率体积比和更低损耗,适用于构建直流配电网或作为微电网功率转换装置,将给中低压主动配网和微电网带来革命性变化。
4)高强度低成本环境友好绝缘技术和超导输电技术。此类技术的开发应用将变革传统输电线路和装备。其中,高击穿场强、高非线性、耐高低温、耐电痕化等绝缘材料技术的发展,可以提高设备长期安全性,实现电气设备小型化,显著提高电气设备的工作性能,并与环境和谐发展;超导输电则将为未来电网提供一种全新的低损耗、大容量、远距离电力传输解决方案,超导限流、超导储能等技术将显著提高电网运行的安全可靠性。
5)新一代人工智能技术。以无处不在的传感器和先进ICT技术为基础,以物联网、大数据、云计算、深度学习、区块链等为核心,人工智能技术正在迅速发展。具有应用于电力系统设备管理和系统控制、能量管理和交易等领域的潜力,可能会颠覆传统方式,开启一种全新的自动、自主新模式,有助于新一代电力系统的安全、经济和可靠性的提高。例如,未来分布式光伏、电能替代出力不确定性和电动汽车的时空不确定性将引入更多变量,传统分析方法在系统调度、交易方式、能量管理等方面将面临诸多挑战,人工智能将是解决这一类问题的有力措施。
上述这些方面技术的发展将会对未来电力系统的形态、运行调度和市场交易模式产生重大影响。当然,这些技术的发展和应用与市场需求密不可分的,必须考虑经济性,只有具备充分市场竞争力的技术和装备才能得到广泛应用和发展。
新一代电力系统的发展将会是一个长期过程,因此除了上述技术外,还可能在此期间出现新的、具有重大意义的技术方向。这就要求在构建新一代电力系统时必须充分考虑潜在的技术创新领域,保持对新技术的接纳能力并适时调整系统的相关环节。
4 结论
1)建设清洁低碳、安全高效的新一代能源系统是我国新一轮能源革命的主要目标,能源转型是实现这一目标的关键步骤。
2)电力系统由以化石能源为主向低碳可再生能源为主转型,建设作为新一代能源系统核心的新一代电力系统,将对能源转型目标的实现起关键作用。
3)高比例可再生能源、高比例电力电子装备接入电网,实现多能互补的综合能源生产和供给,在智能电网基础上支持构建能源互联网,是新一代电力系统的显著技术特征,也将带来能源转型中对电力系统的重大技术挑战,为电力系统理论和技术进步带来新的研究方向和发展机遇。
4)包括新一代人工智能在内的几类技术的突破有可能对未来能源电力系统各环节的发展形态、系统整体效率、运行控制方式和运营模式带来变革性、颠覆性影响,也是针对新一代电力系统前瞻性研究的重要方向。
(周孝信 陈树勇 鲁宗相 黄彦浩 马士聪 赵强)
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