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發展能源互聯網 推動廣域能源革命

2015-03-31 14:22:00 作者:韓禎祥 文福拴 趙俊華 點擊:

能源互聯網是以電力系統為核心, 以互聯網及其他前沿信息技術為基礎, 以分布式可再生能源為重點, 與天然氣網絡、交通系統等其他系統緊密耦合而形成的復雜網絡系統

人類社會經歷的兩次工業革命都與人類生產與利用能源方式的變革密切相關。

進入21世紀以來,在第二次工業革命中奠定的以化石能源集中式利用為特征的傳統能源生產與消費模式已經逐漸走到了盡頭,而以可再生能源為主的新能源利用模式正在快速發展。預期這將導致新一輪工業革命的興起,并再次深刻地改變人類社會的經濟與社會發展模式。

與傳統的化石能源相比,可再生能源具有時空分布高度不平衡、出力具有間歇性和不確定性等特征。針對可再生能源自身的特征與可再生能源大規模利用所面臨的困難,通過實現廣域內能源的有效配置與智能管理,充分利用能源消費的需求彈性,推動用戶由單純消費者向生產型消費者轉變,可望顯著促進能源的清潔、安全與高效利用。能源互聯網為此提供了一種很有前途的實現途徑。

能源互聯網是以電力系統為核心, 以互聯網及其他前沿信息技術為基礎, 以分布式可再生能源為重點, 與天然氣網絡、交通系統等其他系統緊密耦合而形成的復雜網絡系統,實現清潔能源替代和電能替代。我們建立了能源互聯網的基本概念與研究框架, 認為發展能源互聯網,需要重點研究下述理論與核心技術:

1. 廣域電力網絡互聯的理論與技術

能源互聯網可以覆蓋的范圍很大, 從而可以實現能源尤其是可再生能源在大范圍內的優化配置和利用。以太陽能為例,在我國西北、北非、澳大利亞等國家或地區,日照時間長、強度大,而且干旱和沙漠化區域的面積很大,因此太陽能資源非常豐富。上述地區或國家的豐富太陽能資源一般遠離電力負荷中心,而且如果能夠充分開發的話,由于地區或本國電力需求量不大而難以消納。通過構建廣域能源互聯網,就可以將上述地區的太陽能發電(或風力發電)遠距離輸送到其它毗鄰的國家, 從而實現可再生能源發電的大規模傳輸和利用。

此外,不同國家或地區的可再生能源發電出力的變化規律不同(如峰值和低谷出現的時間不同),通過基于能源互聯網的廣域電力網絡互聯,可以充分利用可再生能源在不同區域的時空互補特性,有效增強接納可再生能源發電的整體能力, 在跨區域范圍內實現可再生能源發電的優化利用,改善電力系統整體運行的經濟性和可靠性。

為了實現廣域能源互聯網,就需要完善主干電網,發展大容量、高效率、遠距離的先進輸電理論與技術,依托信息、控制科學和新穎儲能等領域的先進技術,加強電力傳輸與信息處理的融合,增強電網資源的優化配置和供電能力,改善供電可靠性,促進大型可再生能源基地的集約化開發,進而在國內或與毗鄰國家在廣域能源互聯網的架構下形成新的能源配置格局。



2. 多能源融合與儲能的理論與技術

新型儲能技術的廣泛應用,為平抑可再生能源發電的間歇性和不確定性提供了一種有效手段。除了傳統的抽水蓄能之外,應當大力發展電池儲能、氫儲能、壓縮空氣儲能等,并特別關注鋰—空氣電池、電轉氣等新技術的發展。在接入方式上,能源互聯網應當具有同時支持大容量儲能電站集中式接入與小容量儲能設備分布式接入的能力。此外,能源互聯網應具有融合多能源載體的能力,通過應用冷熱電聯供、電轉氣等技術,充分發揮可再生能源與制冷、供暖、燃氣等能源需求的互補性,在消費側實現以電代煤、以電代氣,從而提高電能在終端能源消費中所占比重,實現提高能效與降低污染的目的。

3. 能源互聯網的規劃、運行與控制的理論與技術

能源互聯網的引入將使能源生產與消費的模式發生重大轉變。首先,能源生產模式將由傳統的以大規模集中式發電為主向集中式與分布式并重發展。其次,終端用戶將從單純的能源消費者向具有產消合一特征的生產型消費者轉變。第三,能源交易的范圍將由區域市場向跨區市場甚至跨國市場發展。上述三個重大轉變,將給傳統電力系統的規劃、運行與控制帶來巨大挑戰。為此,需要大力開展能源互聯網的規劃、運行與控制的理論研究與技術開發,重點突破復雜交直流電網的規劃、安全運行與控制、考慮眾多用戶集聚特性的需求側響應、大量分布式發電與分布式儲能參與電力市場交易等的核心理論與技術。

4. 電動交通及其與電網的交互理論與技術

綠色交通已成為國內外的共識。交通作為化石能源消費和廢氣排污的大戶,也是導致霧霾現象的重要因素之一。因此,目前針對鐵路、公路交通的電氣化改造與升級日顯突出。以電動汽車廣泛應用為核心的電氣化交通技術的發展方興未艾;從長遠來看,為實現交通領域的節能減排,大力發展電動汽車,在交通領域推動以電代油,已經成為主流發展趨勢。未來的電動交通系統將成為能源互聯網的重要組成部分。

電動汽車的規模化應用,一方面可能加劇電力系統的供需不平衡,危害電網安全;另一方面,通過發展電動汽車的智能充放電管理的理論與技術,有效利用車載電池的儲能功能,可以在一定程度上實現削峰填谷與平抑可再生能源出力波動性的目的。因此,應當大力推動電動交通與電力系統的融合,結合電池技術、智能充放電管理技術與車聯網技術,實現交通領域的電氣化與智能化。

5. 支撐能源互聯網的前沿信息與通信的理論與技術

為了實現對能源互聯網的有效運行與控制,需要對電源、電網、一次能源、電動交通、儲能、用電設備、用戶、天氣、環境等海量信息進行有效的整合與分析。因此,前沿的信息與通信技術是構建能源互聯網的基礎。需要盡快開展能源互聯網通信協議與標準的設計及制定,實現不同領域多通信協議與標準的融合和交互。推動制定支持分布式電源、分布式儲能與智能用電設備即插即用的通信接口標準,將能源互聯網構建成能夠支持各種能源設備接入的統一能源協調配置平臺。大力發展能源互聯網環境下的大數據與云計算理論與技術,支持海量能源信息的有效處理、存儲與分析。

世界各主要國家目前都在高度關注能源互聯網的發展。在上述幾個核心技術領域里,我國與主要發達國家的差距并不大,在有的子領域甚至還處于領先地位。我國應在能源互聯網的技術研發與工程實踐方面加大投入,力爭引領這一戰略性學術與技術領域的發展,從而確保我國在新一輪的工業和技術革命大潮中占得先機。

(韓禎祥:中國科學院院士;文福拴:浙江大學電氣工程學院教授、博導;趙俊華:浙江大學電氣工程學院博士)


來源:科技日報

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