肖立业:未来电网的发展趋势

2014-07-11 09:14 人物观点   

导读经历了100多年的发展,电网的规模和结构形态发生了很大的变化,即从最初的局域小规模电网发展到区域中等规模电网,进而发展到今天的跨区互联大电网。如今,电网已经为人类供应了大约四分之一的终端能源,成为现代能源体系的重要组成部分,电力在终端能源消费结构中的比例已经成为一个国家发达程度的标志之一。  

经历了100多年的发展,电网的规模和结构形态发生了很大的变化,即从最初的局域小规模电网发展到区域中等规模电网,进而发展到今天的跨区互联大电网。如今,电网已经为人类供应了大约四分之一的终端能源,成为现代能源体系的重要组成部分,电力在终端能源消费结构中的比例已经成为一个国家发达程度的标志之一。

未来电网将呈现以下重要发展趋势:第一,可再生能源将成为电网中的主要一次能源来源。第二,电网的结构和运行模式将发生重大变化。第三,新材料技术将在电网中得到广泛地应用。第四,物理电网将与信息系统高度融合。

广义的电网是发电设备、输配电设备和用电设备采用一定的结构和运行模式构建起来的统一整体。因此,自从有了发电机及其相应的供电系统,便有了电网。1882年,爱迪生公司在纽约建成世界上第一座正规的直流电站和相应的供电系统,可以认为是人类首个真正意义上的电网。然而,由于当时不能为直流电升压,输电距离和输电容量受到极大的限制,于是,特斯拉于1887年发明了交流发电机和多相交流输电技术。1897年,美国西屋公司在尼亚加拉水电站的首台交流发电机投入运行并为35公里外的水牛城供电,从此确立了现代电网的基础。

经历了100多年的发展,电网的基本形态没有根本性的变化,即电网以铜、铝等为基本导电材料、以传统电力设备为基础、以可调度能源(如化石能源、水力和核能等)作为电力的主要一次能源来源、以交流为运行模式的基本形态。然而,电网的规模和结构形态发生了很大的变化,即从最初的局域小规模电网发展到区域中等规模电网,进而发展到今天的跨区互联大电网。例如,2012年,我国发电总装机容量已经接近12亿千瓦,年总发电量接近5万亿度,我国电网已经基本形成了“西电东送、南北互供、全国联网”的总体格局,已经覆盖了全国大部分地区,成为世界最大的电网之一。如今,电网已经为人类供应了大约四分之一的终端能源,成为现代能源体系的重要组成部分,电力在终端能源消费结构中的比例已经成为一个国家发达程度的标志之一。

展望未来,我们认为,未来电网将呈现以下重要发展趋势:

第一,可再生能源将成为电网中的主要一次能源来源。人类已经认识到化石能源是不可持续的能源,有必要大力发展可再生能源来替代之。这是因为:(1)核能在本世纪中叶前难以成为主导能源。核裂变能的原料也属于有限资源,且其利用存在安全风险,核废料处理也比较复杂。由于核裂变能的利用还涉及到国际安全环境,当前的核裂变能技术出口是受到国际有关条约严格控制的。尽管核聚变能可满足人类长期发展需求,但其应用前景尚不明朗,ITER(国际热核聚变堆)计划到本世纪中叶才能建成首个示范电站。(2)可再生能源是可持续发展的绿色能源,且可开采量足够人类使用。据统计分析,地球上接收的太阳能是人类目前能源需求总量的10000倍。地球上的风能总量也达到了目前人类能源需求总量的5倍,如果再算上水力资源、生物质能源、地热能、海洋能,则可再生能源的总量更大。由此可见,可再生能源发展潜力巨大。(3)可再生能源目前已经得到很大的发展。随着技术不断进步,可再生能源发电的单位成本呈逐年下降趋势。根据欧洲、美国和日本等发达国家和地区的预计,到2020年,光伏发电基本上可以实现平价上网。(4)国际已经有共识认为,可再生能源今后仍然会快速发展,且将逐渐成为主导能源。例如,2012年,国际能源署(IEA) 发布的《2012年世界能源展望》,对2035年前的全球能源趋势作出了预测:到2015年,可再生能源将成为全球第二大电力来源,并在2035年接近第一大电力来源——煤炭的发电量。欧共体联合研究中心预测认为:到2050年可再生能源将占总能源需求的52%。由于可再生能源的主要利用方式是发电,因此,如果未来人类使用的能源将主要来自可再生能源,则电网中的一次能源也将主要来自可再生能源

第二,电网的结构和运行模式将发生重大变化。现代电网存在结构不尽合理和交流电网的固有安全稳定性等问题,亟待解决。随着可再生能源越来越多地接入电网,将对电网带来一系列新的严峻挑战,这主要是由可再生能源具有不可调度性、波动性、分散性、发电方式多样性和时空互补性等特点决定的。“结构决定功能、模式决定成败”,因此从改变电网结构和运行模式入手,是解决电网现有问题和应对未来挑战的重要手段之一。(1)从结构上讲,由于未来电力资源与负荷资源的地理分布不匹配,以及可再生能源在广域范围具有良好的时空互补性,因而保持和发展一个规模适当的大电网是十分必要的。同时,由于可再生能源具有分散性,就地利用资源的分布式发电和面向终端用户的微型电网也将会大量出现,因此未来电网的结构将呈现大电网和微型电网并存的格局。其次,为了保障供电的安全可靠性,需要发展环形网络。针对不同电压等级,宜采用多层次的环状结构网络,并实现相邻层次间和同层次不同区域环形电网间的互联,以构造一个多层次网状结构的网络。(2)在运行模式上,需要发展直流电网模式或交直流混合电网模式。这是因为,直流输电网不存在交流输电网固有的稳定问题,因此,采用直流输电网,将从根本上解决交流电网所固有的安全稳定性问题。从配电网和微电网层面来讲,未来的直流负荷将占相当高的比重且分布式电源(如光伏发电或储能)也将以直流为运行模式。与此同时,还需要采用“分层分区运行、总体协调互动”的模式,以充分实现广域范围内各种资源的优化互补利用和区域电网间互为备用和支撑。电网结构和模式的改变将带来大量的科技创新机遇,值得关注。

第三,新材料技术将在电网中得到广泛的应用。在电网的结构和模式确立以后,电网的运行性能在很大程度上就取决于电气设备了,而电气设备是由各种材料按照特定的结构制造而成的,材料的特性在很大程度上直接决定了电气设备的性能。过去100多年来,对电网发展影响最大的创新来自新材料技术—电力电子器件的发明及其在电网中的应用,而像氧化锌避雷器、六氟化硫断路器、碳纤维复合芯导线等技术发明,其根本创新之处在于新材料的应用。展望未来,随着新材料技术的不断发展,新材料技术将在电网中得到广泛的应用。 (1)首先,高压大功率电力电子器件(如宽禁带半导体器件等)和装备将会使得对高压大功率电力的变换和控制,如同集成电路对信息的处理(实际上也就是对低压小电流的电能的变换和控制)一样灵活高效。由于未来电网中的大量可再生能源电力是变幻莫测的,而电力用户对电力的需求也具有多样性且也是随时变化的,因而对电力的变换和控制的目的就是将变幻莫测的电源变成能满足用户需求的电力。从这个意义上讲,电力电子器件和装备的广泛使用,将使得电网像计算网络处理和分配信息资源一样来处理和分配电力,因而可以把未来电网看成是一个“能源计算网络”,各种电力资源通过“能源计算网络”有机组织、联系和控制起来,从而为用户提供可靠的电力。因此,这个“能源计算网络”也可以称之为“云电力网络”,而用户从“云”中获取可靠的电力。(2)新型高性能的电极材料、储能材料、电介质材料、高强度材料、质子交换膜和储氢材料等的发明和使用,将使得高效低成本电力储能系统成为现实并进入千家万户,从而优化电网的运行、简化电网的结构和控制,并对电源波动和电网故障作出响应。电力储能系统就如同计算网络中的信息储存系统一样,对于未来电网是必要的。(3)高性能的超导材料在电网中的应用,将大大降低电气设备的损耗、重量和体积,并可提高电气设备的极限容量和灵活性,超导限流器还可以有效地限制故障电流并保护其他电气设备和整个电网的安全稳定性。正因为如此,美国能源部甚至将超导技术视为“21世纪电力工业唯一的高技术储备”。(4)其他新材料,如纳米复合材料、场(包括电场和磁场) 控和温控的非线性介质材料、低残压压敏电阻材料、新型绝缘材料、绝缘体—金属相变材料、新型铁磁材料、用于高效低能耗的电力传感器材料(如巨磁阻材料、压电晶体、热电材料等)都将可能在未来电网中得到广泛的应用。

第四,物理电网将与信息系统高度融合。如果把电网比喻成为一个人的话,那么物理电网就是人的骨骼、肉体和器官,而电网信息系统则提供相当于人的感觉能力、分析能力和决策能力。当前的电网,不仅在物理层是不完善的,而且其信息系统的建设与未来需求还有很大的差距。有关该方面的内容,也就是国际上近些年谈得很多的所谓“智能电网”的概念,本文不宜做过多的重复。但是,需要说明的是,在现有电气设备的基础上,仅仅依靠提升电网的信息化程度,远远解决不了未来电网所面临的问题。改变电网的结构和运行模式、提升电气设备的性能和采用新型功能的电气设备,对于解决未来电网的问题同样重要甚至是更为根本性的。另外,需要强调的是,能够从创新材料入手发展具有自适应功能的电力设备和保护设备,就可以显著降低电网对于传感、通讯和数据处理的技术要求,这对于提高电网的安全可靠性和综合效益是非常有益的。因此,切忌认为将信息技术用于电网就是未来电网发展的全部。

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