導語：能源互聯(lián)網(wǎng)是以可再生能源為優(yōu)先，以電力能源為基礎，多種能源協(xié)同、供給與消費協(xié)同、集中式與分布協(xié)同，大眾廣泛參與的新型生態(tài)能源系統(tǒng)。加速推進電網(wǎng)與智能傳感、智能芯片、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能、先進計算等信息技術的融合發(fā)展，共同構(gòu)成能源流、業(yè)務流、數(shù)據(jù)流相融合的能源互聯(lián)網(wǎng)，形成強大的價值創(chuàng)造平臺，使電網(wǎng)的運行和業(yè)務能力水平實現(xiàn)大幅度提高。能源互聯(lián)網(wǎng)的建設必將帶來電網(wǎng)技術和生產(chǎn)模式變革，并強有力地支撐能源轉(zhuǎn)型
湯廣福，中國工程院院士。全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院院長，先進輸電技術國家重點實驗室主任。長期從事電力系統(tǒng)電力電子技術研究，在該領域重要裝備的系統(tǒng)設計、設備研發(fā)和工程應用方面做出了系統(tǒng)性貢獻，為實現(xiàn)電網(wǎng)靈活可控、遠距離大容量輸電、高效接納可再生能源提供了新的手段。獲國家技術發(fā)明二等獎1項，國家科技進步一等獎、二等獎各1項，省部級一等獎5項;獲授權(quán)發(fā)明專利77項，其中中國專利金獎1項、優(yōu)秀獎3項。出版著作4部，發(fā)表學術論文100余篇。獲第九屆中國工程科技光華青年獎。
當前能源發(fā)展正處于轉(zhuǎn)型變革的關鍵時期，面臨著前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。中國的能源轉(zhuǎn)型之路由于復雜性、長期性及迫切性等原因顯得異常艱難，必須統(tǒng)籌好保障安全與結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，統(tǒng)籌好長期戰(zhàn)略和經(jīng)濟發(fā)展，統(tǒng)籌好現(xiàn)有能源產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和智慧能源系統(tǒng)建設。能源領域的智能化、去中心化態(tài)勢凸顯，以新能源和信息技術深度融合為特征的能源革命正推動人類社會進入全新的能源體系。
截至目前，五年間我國能源轉(zhuǎn)型深入推進，清潔低碳發(fā)展步伐加快，清潔能源消費占比提高6.6%，非化石能源消費比重提升到14.3%，天然氣消費比重達到7.8%。同時，累計退出煤炭落后產(chǎn)能8.1億噸，可再生能源裝機突破7億千瓦，清潔低碳已成為不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展大趨勢。
推動能源轉(zhuǎn)型，不僅在推進清潔低碳轉(zhuǎn)型方面要有新成效，在關鍵技術攻關方面也要有新突破，要緊跟世界能源科技發(fā)展大勢，集中力量突破一批卡脖子的技術裝備，加快部署儲能、氫能等戰(zhàn)略性前沿技術攻關，努力在新一輪能源科技革命中搶占先機。日前，《電力設備管理》雜志記者就能源轉(zhuǎn)型問題對國家電網(wǎng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院院長、先進輸電技術國家重點實驗室主任、中國工程院院士湯廣福進行了專訪。
能源轉(zhuǎn)型所面臨的挑戰(zhàn)
2018年全球能源消費198.4億噸標準煤，化石能源仍占據(jù)全球消費量約84.7%，而可再生能源增速最快;2018年中國能源生產(chǎn)總量約37億噸標準煤，能源消費總量46.4億噸標準煤，能源對外依存度20%，石油、天然氣和煤炭進口量均為世界第一。
截至2019年底，全國發(fā)電裝機容量201066萬千瓦。其中，火電裝機119055萬千瓦，占總裝機容量的59.2%;水電(35640萬千瓦)、核電(4874萬千瓦)、風電(21005萬千瓦)、太陽能發(fā)電(20468萬千瓦)等清潔能源裝機總?cè)萘恳堰_81987萬千瓦，占總裝機容量的40.8%。根據(jù)預測，到2030年發(fā)電裝機約達30億千瓦，屆時清潔能源發(fā)電總成本有望低于化石能源電廠，可再生能源將成主力電源，占發(fā)電裝機占比將達52%(14.9億千瓦)。
國家發(fā)改委、國家能源局2017年聯(lián)合發(fā)布《能源生產(chǎn)和消費革命戰(zhàn)略(2016-2030)》提出，到2050年我國在能源生產(chǎn)(發(fā)電)環(huán)節(jié)非化石能源占一次能源的比重超過50%;在終端消費環(huán)節(jié)，電能于交通、工業(yè)、商業(yè)、居民生活等領域得到更廣泛應用，占終端能源消費比重持續(xù)提升，用電能效亟需提高;冷熱電多種能源共存，分布式電源廣泛接入，電動汽車與電網(wǎng)雙向互動規(guī)模更大;用戶側(cè)多種能源互聯(lián)互通、開放共享，供需互動，能源消費者同時也是能源生產(chǎn)者，能源消費模式更加多樣化。
就此湯廣福表示，據(jù)中國工程院研究預測，2035年中國能源生產(chǎn)總量將達47億噸標準煤，消費總量達57億噸標準煤，能源對外依存度約19%：“未來我國能源需求仍將進一步增加，但隨著能源轉(zhuǎn)型的不斷深入，2035年化石能源占能源消費總量將從2018年的85.6%下降到75%左右。”
他強調(diào)，能源消費的變化給每一個人都帶來了全新的挑戰(zhàn)：“諸如智能用電設施對電力供需互動的需求，電-光-熱-氣等多種能源高效綜合利用的需求，大型電力用戶對用電能效管理的需求，家庭分布式光伏、電動汽車等發(fā)/用電設備快速發(fā)展的挑戰(zhàn)，以及末端電力用戶期待獲得更多的知情權(quán)和參與感等。”
他指出，目前廣泛應用的化石能源，在生產(chǎn)、運輸、使用的各環(huán)節(jié)都會對空氣、水質(zhì)、土壤等造成一定的污染，因此能源綠色轉(zhuǎn)型成為必然選擇，而大力開發(fā)清潔能源是未來世界能源發(fā)展的必然趨勢。
他認為，因應于能源轉(zhuǎn)型，首先要面對電力體制改革所帶來的諸多挑戰(zhàn)。就電網(wǎng)企業(yè)而言，電力市場體制落后、電價機制僵化、難于實現(xiàn)能源資源的高效配置等問題，都嚴重制約著電網(wǎng)技術創(chuàng)新和成果應用。
“2015年發(fā)布的《中共中央國務院關于進一步深化電力體制改革的若干意見(中發(fā)[2015]9號)》象征著電力體制改革在電網(wǎng)領域的進一步深入，售電側(cè)和增量配網(wǎng)業(yè)務就此不再由電網(wǎng)企業(yè)獨家經(jīng)營而全面放開，售電公司和分布式電源大量出現(xiàn)，形成了產(chǎn)銷一體和供需直接交易等新業(yè)態(tài)。”
“地方性電力企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、水、油、熱、氣等公用事業(yè)企業(yè)進入電力運營市場，以及分布式能源企業(yè)、工業(yè)園區(qū)等與客戶進行直接交易，都對傳統(tǒng)電網(wǎng)企業(yè)帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。諸如行業(yè)外公司紛紛采用互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新方法開展跨界經(jīng)營，對傳統(tǒng)電力市場和電力經(jīng)營所形成的沖擊，以及阿里巴巴、騰訊等綜合服務平臺提供商通過個性化電力金融平臺購售電服務所帶來的挑戰(zhàn)等。”
湯廣福就此強調(diào)，能源轉(zhuǎn)型過程中清潔能源是關鍵，而電網(wǎng)則是核心：“以電為中心，采用能源互聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)對多種能源的協(xié)調(diào)和高效消納，是支撐能源結(jié)構(gòu)變革的重要手段。能源互聯(lián)網(wǎng)具備靈活接入能力，可支撐大規(guī)?？稍偕茉唇尤?能源互聯(lián)網(wǎng)具備優(yōu)化配置能力，可實現(xiàn)大范圍電力能源優(yōu)化配置;能源互聯(lián)網(wǎng)具備開放互動特征，可滿足用戶多樣化能源需求。”
他認為，能源互聯(lián)網(wǎng)是電網(wǎng)企業(yè)面對能源轉(zhuǎn)型的主要發(fā)展方向，現(xiàn)代電網(wǎng)面臨能源轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在五個方面：
“一是可再生能源并網(wǎng)消納問題突出。2018年風電+光伏裝機超過3.5億千瓦，棄風、棄光率超過10%，棄風、棄光電量超過350億千瓦時(原因：政策機制+技術能力);雖然2019年棄風、棄光率及棄風、棄光電量都大為降低，但預計到2030年風電與光伏裝機總計將達10億千瓦，消納矛盾將更為突出。”
“二是電網(wǎng)支撐新形態(tài)源-荷平衡挑戰(zhàn)大。電網(wǎng)技術和裝備將具備更強的柔性調(diào)控能力，但大規(guī)模、廣泛的可再生能源接入以及多元供需用電的狀況，將使電網(wǎng)將由源隨荷動轉(zhuǎn)變?yōu)樵春晒矂拥娜码娋W(wǎng)形態(tài)與運行調(diào)控模式，最終導致電網(wǎng)抗擾動能力持續(xù)下降。”
“三是用戶用電選擇少、互動弱、能效低。目前用戶和電網(wǎng)互動性不足，嚴重制約可再生能源消納與資產(chǎn)效益發(fā)揮;中國單位GDP能耗是全球均值1.6倍，節(jié)能空間巨大;預計到2030年終端電能消費占比將大幅提升，由此供需互動模式也急待創(chuàng)新。”
“四是電網(wǎng)基礎支撐技術薄弱。部分高端電力裝備基礎材料與核心元器件尚需依賴進口，微型傳感器、人工智能融合應用剛剛起步，電工裝備企業(yè)核心競爭力與國際知名企業(yè)差距較大;預計到2030年基礎支撐能力將得以全面提升，核心器件材料將自主可控，國際競爭力將大大增強。”
“五是電力市場滯后，政策體制制約發(fā)展。目前電力市場體制落后，電價機制僵化，交易品種、交易規(guī)模、運作水平都有待提升，市場化程度還不夠高，難于實現(xiàn)能源資源的高效配置，嚴重制約電網(wǎng)技術創(chuàng)新和成果應用。未來需逐步完善交易機制，搭建全國統(tǒng)一電力市場交易平臺;預計到2030年能源電力政策和體制將得以全面創(chuàng)新，技術支撐能力和手段都將大幅提高。”
湯廣福表示，為支撐能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建，需要持續(xù)加大堅強智能電網(wǎng)關鍵技術開發(fā)，加速推進電網(wǎng)與智能傳感、智能芯片、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能、先進計算等信息技術的深度融合。
能源互聯(lián)網(wǎng)關鍵技術問題
對于中國能源轉(zhuǎn)型，湯廣福認為可通過全面提升電網(wǎng)智能化、數(shù)字化、清潔化和再電氣化的水平，全力打造以電網(wǎng)為核心的安全高效智慧能源系統(tǒng)。重點布局高比例可再生能源并網(wǎng)、電網(wǎng)柔性互聯(lián)與安全高效運行、供需互動與綜合能源系統(tǒng)、先進電力裝備、可再生能源與儲能、前沿交叉技術等研究方向，實現(xiàn)電網(wǎng)基礎理論和技術的提升，引領智能電網(wǎng)未來發(fā)展方向。就此他從六個方面進行了具體闡述。
一、高比例可再生能源并網(wǎng)
發(fā)電功率預測技術。需要對新能源大規(guī)模入網(wǎng)所帶來的發(fā)電功率的變化有相當精準的預測。開展數(shù)值天氣預報，目前的預報系統(tǒng)運算速度196萬億次/秒，2小時完成72小時預報，精度85%，未來需要進一步提升超短期/短期/中長期一體化功率預測能力，精度達到90%以上。
與常規(guī)發(fā)電集群協(xié)調(diào)控制技術。開展“風火打捆”設計與集中送出技術，突破風、光、儲聯(lián)合發(fā)電的多組態(tài)運行方式，開展跨區(qū)、跨流域的風、光、水、火聯(lián)合運行。
協(xié)同規(guī)劃與運行技術。開展常規(guī)能源、新能源與電網(wǎng)之間協(xié)調(diào)規(guī)劃設計，加快抽水蓄能、儲能等靈活電源建設，推動火電機組調(diào)峰改造。
并網(wǎng)主動支撐與協(xié)調(diào)控制技術。要完成次同步振蕩抑制、虛擬同步機等技術的示范應用，虛擬同步、協(xié)調(diào)控制、儲能等要實現(xiàn)“主動支撐和自主運行”。
二、電網(wǎng)柔性互聯(lián)與安全高效運行
大電網(wǎng)分析與仿真技術。交直流混聯(lián)大電網(wǎng)取得重要進展，支撐長期安全可靠運行，隨著大量電力電子裝備接入，理論、方法將更加復雜，仿真難度進一步提高。
電網(wǎng)智能調(diào)度運行技術。大電網(wǎng)調(diào)度實時監(jiān)控、一體化決策等取得突破，D5000得到廣泛應用，未來需要引入“互聯(lián)網(wǎng)+”、云計算、大數(shù)據(jù)及人工智能等，提升調(diào)度能力和智能化水平。
柔性交直流輸電技術。靈活交流輸電(FACTS)采用電力電子裝備和控制技術，以增強交流電網(wǎng)調(diào)節(jié)和潮流優(yōu)化能力，并提供緊急功率和電壓支撐，實現(xiàn)系統(tǒng)的靈活柔性運行和安全可控，支撐可再生能源接納，已經(jīng)完成6大類FACTS示范及應用。柔性直流輸電是繼交流輸電、常規(guī)直流輸電后的一種新型直流輸電方式，是目前世界上可控性最高、適應性最好的輸電技術，為電網(wǎng)靈活控制水平的提升提供了一種有效的技術手段，現(xiàn)完成南匯、舟山、廈門、渝鄂等柔性直流輸電示范工程，正在建設世界首個張北500千伏直流電網(wǎng)。隨著SiC技術逐步成熟及應用，這些電力電子裝備成本降低35%、體積減少40%、損耗降少50%。
智能輸變電運行技術。建成“8交10直”特高壓輸電工程，直流技術和裝備已經(jīng)進入巴西，當前急需解決多饋入受端故障換相失敗抑制等挑戰(zhàn)。
就此湯廣福表示，中國目前已經(jīng)建成了30個高壓直流輸電工程，最高電壓等級達±1100千伏，換流器總?cè)萘砍^2.79億千瓦，相當于全國發(fā)電總裝機容量的14.7%，而這也為實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)奠定了堅實的基礎。
“自主研發(fā)的技術支撐我國成功中標巴西美麗山II期特高壓直流工程，實現(xiàn)了換流閥等高端電力裝備從引進到出口的轉(zhuǎn)變，提升了我國在國際電工裝備領域的國際地位和話語權(quán)。而自主技術走出國門，也深刻改變了國際直流輸電市場格局。”
三、供需互動與綜合能源系統(tǒng)
源網(wǎng)荷友好互動技術。江蘇建成源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)，實現(xiàn)376萬千瓦的秒級、200萬千瓦毫秒級控制，未來更大范圍和規(guī)模源網(wǎng)荷互動，支撐分布式能源和電網(wǎng)發(fā)展。
電力市場支撐技術。市場化程度不高，品種和規(guī)模、運作水平待提升，新業(yè)態(tài)、新業(yè)務、新模式下體制機制待探索，隨著交易機制逐步完善，需搭建全國統(tǒng)一電力市場交易平臺。
車聯(lián)網(wǎng)技術。建成國內(nèi)外接入充電樁數(shù)量最多、覆蓋范圍最廣的車聯(lián)網(wǎng)平臺，拓展“出行+引流”、有序充電、輔助調(diào)頻、削峰填谷等新型服務模式;V2G、V2V、V2I、V2P。
綜合能源與智能用電技術。完成高可靠性供電、微網(wǎng)、智能配電、智慧城市能源互聯(lián)網(wǎng)等工程示范，開展冷-熱-電-氣-儲多能融合系統(tǒng)，增值服務，開展智能終端開發(fā)，提升電網(wǎng)與用戶友好互動水平。
四、先進電力裝備
電工新材料。在電纜、變壓器鐵芯、導線等材料方面具備了自主研發(fā)能力，需要開展材料基因組工程方法;研發(fā)電容器薄膜、納米晶合金及磁芯等材料;布局石墨烯、超導等前沿材料。
大功率電力電子器件。掌握硅基、SiC器件關鍵技術，建成6英寸碳化硅器件全套中試線，急需攻克失效機理、壽命預測、可靠性提升技術，研制更高電壓、更大電流、更低損耗的器件。
裝備智能化。建成智能變電站站4900座，占全部110(66)kV及以上變電站的21.1%，建成10kV/5MVA柔性變電站，具備能量變換、潮流控制、無功補償、故障隔離等多種功能。
柔性輸變電裝備。完成6類FACTS裝備研制與示范;建成±30kV南匯、±200kV舟山、±320kV廈門、±420kV渝鄂等工程，200kV直流斷路器工程應用，下一步研制基于SiC新型柔性輸變電裝備。
就此湯廣福指出，隨著這些工程的建設，大量領先于世界的高端電力裝備也得到了應用并經(jīng)受了考驗。
“如200千伏/15kA/3ms的高壓直流斷路器于2016年成功應用于舟山工程，這也是混合式直流斷路器的世界首次工程應用，截至目前已成功分斷了舟山5端柔性直流工程的多次直流側(cè)短路故障，有力保障了舟山電網(wǎng)的可靠運行。”
“近些年投運的廈門柔性直流輸電工程，換流裝備額定容量為1000兆瓦、額定直流電壓±320千伏，工程可滿足廈門島內(nèi)不斷增長的供電需求，保證臺風等自然災害影響下的供電可靠性，并節(jié)約有限航道資源。”
五、可再生能源與儲能
風力發(fā)電技術。陸上風電技術成熟，基礎與共性技術研究滯后，海上風電開發(fā)經(jīng)驗不足，發(fā)展空間巨大，呈現(xiàn)出大型化、智能化、高效化、高可靠性等發(fā)展趨勢，經(jīng)濟性顯著提升。
光伏發(fā)電技術。產(chǎn)業(yè)規(guī)模與制造能力世界先進，場景多元化、產(chǎn)品多樣化發(fā)展;提效率、發(fā)展空間巨大，與大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、儲能等有機融合，應用到更多行業(yè)。
氫能技術。在氫氣制備、儲運與利用三個環(huán)節(jié)中均存在著需要攻克瓶頸問題，未來要實現(xiàn)大規(guī)模、高效、低成本的可再生能源制氫，掌握大規(guī)模儲氫、輸氫落地技術。
儲能技術。抽蓄仍占規(guī)模優(yōu)勢，電化學儲能、儲熱實現(xiàn)突破，加強壓縮空氣儲能、氫儲能探索，降低儲能單位成本，實現(xiàn)規(guī)模應用，支撐新能源并網(wǎng)消納。
六、電網(wǎng)前沿交叉
電力芯片與智能傳感量測技術。主控、通信、傳感等芯片產(chǎn)品主要依賴國外廠商，影響電網(wǎng)本質(zhì)安全。在傳感方面缺乏系統(tǒng)性布局，傳感器需要向高精度、高集成、低功耗、微型化方向發(fā)展。
大數(shù)據(jù)與區(qū)塊鏈技術。初步建成全業(yè)務統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心，試點“國網(wǎng)云”，實現(xiàn)電網(wǎng)運檢智能分析管控等業(yè)務云上運行，開展基于區(qū)塊鏈的智能電網(wǎng)研究，如分布式發(fā)電并網(wǎng)控制、電力交易等。
人工智能與先進計算技術。“深層智能”應用，推進人工智能在源網(wǎng)荷友好互動、故障辨識、災害預警、電力市場交易等應用，由于數(shù)量呈幾何級增長，急需解決億級規(guī)模并有復雜關系數(shù)據(jù)分析與計算問題。
信息通信與網(wǎng)絡安全技術。企業(yè)專網(wǎng)、電力無線專網(wǎng)，網(wǎng)絡覆蓋能力逐步增強，支持多業(yè)務并行處理，實現(xiàn)安全事件自動發(fā)現(xiàn)和告警，加強人工智能和安全態(tài)勢分析預測。
湯廣福強調(diào)，我國能源要實現(xiàn)清潔、低碳、安全、高效的發(fā)展目標，大力開發(fā)風光等清潔能源，推動能源高質(zhì)量轉(zhuǎn)型，未來10至20年將是我國能源轉(zhuǎn)型的關鍵時期。
“面對轉(zhuǎn)型帶來的挑戰(zhàn)，要加大電力科技創(chuàng)新力度，提升電網(wǎng)智能化、數(shù)字化、清潔化、再電氣化的水平，全力打造以電網(wǎng)為核心的安全高效智慧能源系統(tǒng)，支撐能源結(jié)構(gòu)變革;重點開展六個方面技術攻關，促進大規(guī)模清潔能源的開發(fā)與應用，推動經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。”
他說：“要加大電網(wǎng)基礎研究力度，瞄準電網(wǎng)科技領域卡脖子問題，如電工材料、電力芯片、電力電子器件以及相關工業(yè)軟件，加大持續(xù)投入力度，開展戰(zhàn)略研究，為下一代電網(wǎng)建設、能源轉(zhuǎn)型提供基礎支撐。”
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