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能源评论:余贻鑫院士:智能电网的进一步发展是智能能源网

2018-01-11       

 

  高比例可再生能源新时代

  《能源评论》:党的十九大报告提出,要加快生态文明体制改革,建设美丽中国,您认为,能源电力行业,如何在能源革命进程中落实这一号召?

  余贻鑫:建设美丽中国、推进能源革命,需要高比例可再生风能和太阳能发电。习近平主席2015年在巴黎气候大会上宣布,2030年中国单位GDP二氧化碳排放要比2005年下降60%~65%。根据国家发改委能源研究所、美国劳伦斯伯克利国家实验室、落基山研究所、能源基金会等机构的研究(《重塑能源:中国》),预计:2050年我国电力占整个终端能源消费的比例将提高到41%以上,2050年电能的总发电量约10.8万亿kWh(基于能源利用效率大幅度提升的假设);2050年煤电在我国电能构成中的占比将降低至12.4%;可再生能源发电量占比将达到68%以上,非化石能源发电量达到82%,其中风电和太阳能发电量的比例达到47.3%以上(风电为24.7%,太阳能发电为22.6%)。

  《能源评论》:对于我国可再生能源资源的家底,您怎么看?

  余贻鑫:众所周知,德国是利用太阳能很先进的国家,而我国的太阳能资源条件要比德国好很多。中国76%国土面积上的风能,以及几乎百分百国土面积的太阳能都具有开发的潜力,仅太阳能资源一项,就可以远远满足我国远景(2050年)用电需求,而且不论是东部地区还是西部地区太阳能资源都十分富裕。以京津地区为例,即使不考虑技术进步使得光电转换效率提高的影响,按照光伏年利用小时数取1100小时计算,只需铺盖我国国土面积的1.0%左右就可产生2050年全社会总用电量10.8×1012kWh。对于分布式光伏而言,可利用土地和建筑屋顶或墙面也是重要的资源条件。我国拥有世界最大量的建筑,太阳能与建筑结合及一体化,可以充分利用建筑以及太阳能资源,降低成本,具有规模发展的广阔前景。预计2020年分布式建筑光伏最大可装机容量达7.5亿千瓦,2050年达10亿千瓦。中国不能用于耕作的沙漠和滩涂,总面积为128万平方公里,其中戈壁面积为57万平方公里,有充足的土地资源发展太阳能发电。此外农田和鱼塘的上方空间也是可以利用的,如农光互补、渔光互补等。与此同时,国际上已在探索利用路面铺设太阳能光伏,而我国现有人均城市道路的面积已达15平方米。应该注意的是伴随着我国大规模的快速城镇化进程,预计2030年全国城镇建筑面积可达400亿平方米,相当于未来20年内再造一个中国。一方面,这样大规模的城镇建设,是无法直接采用当前西方发达国家的用能模式的,必须大力开展全方位节能模式和节能技术创新,这就为分布式太阳能光伏的发展提供了难得的机遇;另一方面也为太阳能光伏的发展提供了土地和空间资源。

  《能源评论》:与大多数新技术类似,可再生能源发展也面临成本过高的挑战,您认为未来趋势是什么?

  余贻鑫:随着技术的进步,这些问题都会逐渐解决。以光伏为例,由于材料科学和电子技术的发展,从1977年到2013年,光伏的价格下降到之前的1%,而且光伏的价格还在以每年10%甚至更快的速度下降。在国际上,2016年3美分/kWh的风电和5美分/kWh的光伏电力已成为新常态。在我国,目前太阳能光伏发电的成本大概为0.45元/kWh甚至更低,光伏发电和电网平价已经或者即将来临。

  《能源评论》:除了成本之外,风能和太阳能还有间歇性、多变性和不确定性,以及储能价格相对高昂的痛点,这个难题如何破解?

  余贻鑫:风能和太阳很难单独运行,需要采用一些功率补偿或者平滑的措施,其中包括:大电网的吸纳、需求侧管理、分布式小型燃油燃气发电、储能,乃至综合能源系统等。为此,需要一个功能合理的现代电网,来集成它们,并提高能源脱碳、转化与利用过程的效率,这个电网就是智能电网。

  我国现实的挑战是,电网中用于功率平滑的可调容量很低。从全球来看,中国的可调容量只是美国的1/8,德国的1/4。所以在开发风电和光伏时,我国西北地区采取了风光火打捆的模式,利用火电机组的调节容量。这样做一方面降低了火电机组的热效率和年运行小时数,另一方面由于火电机组的可调节的范围在其额定容量的50%~100%间,必然伴生大量的火电,这不是我们所希望的。但是相当长一段时间内,我国还是需要依赖火电机组作为调节容量的,应该开展增大火电机组调节范围的研发工作,使其可以在20%~100%范围内进行调节。与此同时,我们应该加速抽水蓄能的开发,因为它是目前最便宜的储能方式。由于国际上有关电动汽车储能的研究投入力度很大,分布式储能价格也会逐渐减低。

  大量分布式可再生能源和用户侧能量管理系统的接入提高了电力系统终端(如配电网、微网、工厂、建筑和家庭)的供需不确定性。需要强调的是,供给侧与需求侧的不确定性共同构成了未来电网运行所面临的最大挑战。解决该问题的关键在于实现不确定性的就地(终端)解决,未来电网必须将责任分摊到终端承担。

  电网第二次智能化新挑战

  《能源评论》:实际上,电网的智能化一直在推进中,您认为其终点在哪里?人工智能与深度学习技术,会给智能电网发展带来什么影响?

  余贻鑫:智能电网的特征包括智能化、高效、包容、激励、机遇、重视质量、抗扰能力、环保等,智能化只是这些特征之一。

  电网的第一次智能化发生在1970年代,在输电系统的(数以千计的)变电站中安装了远方终端单元(RTU),每2-10秒收集一次实时数据,并把它们送到能量管理系统(EMS)控制中心,控制中心里的计算机使用复杂的软件对系统中的发电机和输电线进行实时的监视、分析和控制。对于输电来说,这个电网是相当智能的,只是电力消费者完全不了解它。当时通信与信息技术成本较高,这种模式难以推广到配用电系统。然而,目前通信与信息技术的成本已大幅下降,为其向配电和用电领域推广应用准备好了条件。与此同时,环境压力与能源转型,以及数字化社会对电网可靠性、韧性(抵御灾害和攻击的能力)、电能质量和节能降损的要求日益严格,成了电网第二次智能化的原动力。毋容置疑的是,由于环境压力与能源转型这一原动力的出现,电网第二次智能化的强劲程度远高于电网的第一次智能化。而且由于现在的配电网络是按单向潮流设计的,不具备有效集成大量分布式电源的技术潜能。所以电网第二次智能化的重点发展领域在配用电侧,借以集成高比例的分布式电源和加强电力公司与用户的互动。

  智能电网的进一步发展是智能能源网(又称能源互联网或综合能源系统),其实施需要几十年,它将伴随能源转型的全过程。

  20多年前,电力系统领域就开展了人工智能方法(如专家系统和人工神经网络等)在电力系统中应用的研究,也涉及人工智能中的众多数学方法,由于现在计算机能力的大幅度提升,它会成功地应用到智能电网的更多方面,特别是会在EMS中得到很好的应用。至于深度学习技术,我的课题组已把它应用到“非侵入式负荷分解装置”中,它利用用户出口处的电压和电流信号,识别户内各种电器实时的用电(有功和无功)功率,这种精细到户内设备的用电信息在电力公司优化电网的规划、运行与管理,电力用户节省耗电量和电费,及全社会把提高生态文明意识付诸实践等方面具有重要意义。

  《能源评论》:我国要建成智能电网还需多久?在发展过程中,需要做出哪些改变和适应?

  余贻鑫:智能电网(Smart Grid)的愿景,在智能化及诱人的视野方面是极不寻常的。它将像互联网那样改变人们的生活和工作方式,并激励类似的变革。但实现智能电网,由于其本身的复杂性和涉及广泛的利益相关者,需要漫长的过渡、持续的研发和多种技术的长期共存。我估计,中国实现智能电网至少需要20年甚至更长时间。电网变迁的过程必将改变整个行业的业务模型。智能电网面临的挑战极其广泛,涉及许多技术、体制和社会问题,而最主要的是要确立分布式电源和用户广泛参与的理念。

  短期内,我们可以着眼于实现一个较为智能的电网(smarter grid)。它利用已有的或不久的将来就可配置的技术,使目前的电网更有效;在提供优质电力的同时,也提供相当大的社会效益,如较小的环境影响等。

  智能电网最本质的特征是,电力和信息的双向流动性,并由此建立起一个高度自动化和广泛分布的能量交换网络;把分布式计算和通信的优势引入电网,达到信息实时交换和设备层次上电力近乎瞬时的供需平衡。

  在我国,高度自动化已被广泛接受,但广泛分布式现在还在深入认识过程当中。风能和太阳能应用的主流形式是分布式的,“分布式电源+智能电网”更加关注本地控制和减少对外依赖,是“颠覆性”的改变,其对日常生活、社会和经济发展存在潜在的巨大影响。

  实施智能电网发展战略不仅使用户能够获得高安全性、高可靠性、高质量、高效率和价格合理的电力供应,还能提高国家的能源安全水平,改善环境,推动可持续发展,同时激励市场不断创新,从而提高国家的国际经济竞争力。智能电网的关键是利用各种技术、资源和市场机制以实现高效。智能电网的预期效益是明显的,这些效益包括:供电的安全性、韧性、可靠性和电能质量提高方面的收益;电力设备、人身和赛博安全方面的收益;能源使用效率收益;环境保护和可持续发展的收益以及直接经济(容量、燃料和运维成本)效益。而从广义层面来看,由于技术涉猎广泛,智能电网的一个关键目标是要催生新的技术和商业模式,实现产业革命,以确保子孙后代繁荣昌盛。网络领袖思科预言,智能电网比互联网拥有大得多的市场空间。事实上,智能电网是典型的大规模物联网。

  群集理念和智能分布式体系

  《能源评论》:就地开发消纳模式成为可再生能源发展下一步方向,10月31日,相关部门下发《关于开展分布式发电市场化交易试点的通知》,规划明年2月启动第一批试点地区交易,您如何看待其前景?

  余贻鑫:为了激励智能电网方面的创新,亟需建立一个成熟的、健全的和集成的电力市场,具体包括:一是实施分时/实时电价,使“电能”作为一种商品的市场价值得到合理地体现——比如说为了实现需求响应需要这样做;二是制定鼓励分布式电源卖电回电网和作为电网后备电源使用的政策,含分布式清洁能源的上网电价政策——你所说到的分布式发电市场化交易试点应该属于这一点;三是建立智能电网投资成本回收的政策。

  我国目前的费率结构和电力公司收入模型,无法用来促进或捕捉分布式能源价值。建立一个好的商务模型(商业案例)极其重要,因为它们能为容量规划和电网运行中的投资,以及分布式电源(DERs)科学地发挥作用提供依据。分布式发电市场化交易是一个复杂的系统工程问题,涉及规范参与主体、费率制定、交易模式、平台支撑等众多方面,为了构建经济高效的分布式发电市场机制,从而促进分布式发电的健康快速发展,开展试点工作是非常必要的。

  《能源评论》:那目前有哪些具有商业价值的负荷和用户能实现与电网友好合作?

  余贻鑫:除了分布式的发电和储能之外,鼓励用户参与需求响应(Demand Response, DR)和基于协议的负荷控制也是实现电力供需平衡的有效方法。需求响应的定义是:“在正常耗电模式下,用户用电功率能够随着电价的变化而变化,或者当电力零售市场电价过高或系统可靠性受到损害时,能够促使用户减少用电”。生态文明意识的提升,使电力公司积极寻求不同于传统的方式来满足供需平衡。居民负荷、商业负荷和高耗能产业中均含有较大比例的可平移负荷,它们可以与电网友好合作,支持削峰填谷与事故情况下的减负荷,帮助系统实现近乎瞬时的功率平衡。以居民负荷为例,他们的洗衣机、热水器、电冰箱等都属于可平移负荷。据美国调查显示,在日高峰时有13%的居民电力负荷可以与电网友好合作,其可平移负荷功率与电网的旋转备用容量相当,技术经济价值十分巨大。

  现代交通在能源消费结构中占比很高,仅次于电力,对其实现电能替代和电能高效利用,可以有效缓解化石能源资源紧缺的局面。到2050年实现美丽中国的目标要求电动汽车比重达到80%以上,其电能的总消费量和总存储量都十分巨大,可在用电低谷(电价便宜)时充电,并在白天最需要电能(电价贵)的时候将电输回电网,所以电动汽车也将成为需求响应的重要部分,应该且可以与大规模发展的分布式可再生能源发电协同发展。仿真研究表明,如果2030年全国总用电量约8.5万亿千瓦时,则到2030年需要23亿千瓦时的储能即可把风电和太阳能光伏电量提升到40%以上,而预计2030年电动汽车保有量约为8000万辆(《节能与新能源汽车技术路线图》),电池容量将达到24亿千瓦时,如果管理好就可能为风、光、火、储的大规模配合奠定基础。为此需要为电动汽车的发展提供技术平台和市场平台,技术平台是让老百姓充电方便,市场平台是激励用户夜充昼放的积极性。电动汽车发展很可能是带动分布式能源和智能电网发展的“杀手级”应用(Killer-Application)。

  《能源评论》:随着大量分布式电源和智能终端接入电网,系统会非常复杂,未来智能电网将怎样控制、管理、响应负荷与需求?

  余贻鑫:可再生能源的分布式特性决定了集成高比例分布式可再生能源需要的是协作,而不是集中或分级的命令和控制机制。协作行为将导致更加分散地共享所产生的利益,通力合作、追求共同利益是实现经济可持续发展的最佳途径。

  里夫金(Jeremy Rifkin)在《第三次工业革命》一书中所提倡的能源互联网构想是,让数以百万计的用户在家庭、办公室或者工厂自行利用可再生能源发电,并能够彼此共享所发出的电能;电动汽车与本地储能设备将会得到广泛的应用。互联网技术的加入将把电网转变为一种能源可以互相共享的互联网。其理念与智能电网是一致的。

  为了抓住未来的机遇已提出如下的设想:未来的配电网、微网、建筑单元(大楼、工厂和住宅等)与输电系统的差异将逐步消失,具有本地发电和双向电力潮流的特点,都将配有能量管理系统(Energy Management System,EMS)并按照“群集”理念实现各自近实时的功率平衡,即输电系统(互联电力系统)是若干个控制区(即区域性输电网)互联起来的群集(clusters),每个控制区是一个群(cluster);每个区域性输电网是若干个配电网互联起来的群集,每个配电网是若干个微网、建筑单元组成的群集,每个微网又可以是由若干个建筑单元互联起来的群集;每个群集的运行过程中,通过调度确定各群间的功率交换计划,每一个群必须维持其内部净功率的平衡并履行与外部功率交换的职责,以维持整个群集近实时的功率平衡。和控制区相似,每个群都有发电和/或负荷,以及智能控制和通信。群的基本功能包括如下三项:进行发电/负荷调度(Dispatch),以维持净功率平衡;当地的反馈控制,用于平滑波动;通过削减发电机/负荷来缓解故障。

  需要强调的是,任何智能电网的命脉都是用以驱动应用的数据和信息,而这些应用又反过来促使开发新的和改进的运营策略成为可能。电力系统任一领域,从电力用户、电力市场、服务提供商、运行、发电、输电和配电,所收集到的数据都可能同其它领域的改善相关。所以以适时的方式与那些需要使用或有权了解数据的参与者实时共享数据,是智能电网的基本要素。

  《能源评论》:目前主流的智能终端设备,会否取代智能电表,成为共享数据和信息的核心环节?

  余贻鑫:国外现有的产品,如亚马逊的Echo,谷歌的Home,都是智能家居方面的产品,它们可以作为共享数据和信息的一个来源,但很难取代智能电表,因为智能电表的一个基本功能是计费,是需要监管的。

  《能源评论》:在您看来,分布式能源加储能,是否会造成用户离网,最终抛弃大电网甚至是智能电网?业界应该如何积极布局和推动?

  余贻鑫:智能电网和能源互联网不会消失,因为分布式能源需要通过它实现互联、互通和互济。恰如里夫金在《第三次工业革命》中宣称的那样,电网将成为一种大量分布式可再生能源可以互相分享的互联网,数以亿计的人们会从家中、办公室和工厂中生产绿色能源,并在“能源互联网”中彼此分享,就像在线创造和分享信息一样。大电网的规划与建造需要考虑到这一趋势。

  我们现在讨论能源互联网,更应该关注多种能源网络结合在一起的系统,按其应用范围可以分成终端能源系统、区域综合能源系统和全域综合能源系统。从经济、社会因素、技术难易程度方面综合考虑,鉴于中国燃气网络不像美国、英国等发达国家,我们可以先从终端能源系统开始,逐步向区域综合能源系统、乃至全域综合能源系统发展。

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(编辑 张华 谷涵)