新一代電力系統(tǒng)能源互聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)的特征

隨著工業(yè)化、城市化進(jìn)程的不斷加劇，資源的使用也在急速上升。我國(guó)傳統(tǒng)能源資源總量與能源消費(fèi)水平呈現(xiàn)明顯的反差，石油、煤炭、天然氣儲(chǔ)量均在世界排名靠后，但能源消費(fèi)總量卻逐年加大，2017年我國(guó)一次能源消費(fèi)居世界首位，全球占比達(dá)23.2%，而且消費(fèi)結(jié)構(gòu)以煤炭為主。為了讓企業(yè)和社會(huì)獲得可持續(xù)發(fā)展，為了給人們創(chuàng)造一個(gè)良好的生活環(huán)境，推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命的任務(wù)已經(jīng)迫在眉睫。構(gòu)建清潔低碳、安全高效的新一代能源系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)最大限度地開(kāi)發(fā)利用可再生能源、最高程度地提高能源利用效率，成為了我國(guó)能源轉(zhuǎn)型與革命的核心戰(zhàn)略目標(biāo)。

電力系統(tǒng)的代際演化

新一代能源系統(tǒng)是以電力為中心，以電網(wǎng)為主干和平臺(tái)，各種一次、二次能源的生產(chǎn)、傳輸、使用、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換裝置以及它們的信息、通信、控制和保護(hù)裝置直接或間接的網(wǎng)絡(luò)化信息物理系統(tǒng)。能源轉(zhuǎn)型的核心是構(gòu)建新一代電力系統(tǒng)。

回顧世界電力系統(tǒng)的發(fā)展歷程，概括如下：

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新一代電力系統(tǒng)的四大特征

第三代電力系統(tǒng)是100多年來(lái)第一代、第二代電力系統(tǒng)的傳承和發(fā)展，是新形勢(shì)下推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型發(fā)展、構(gòu)成新一代能源系統(tǒng)核心的新一代電力系統(tǒng)。新一代電力系統(tǒng)主要有四大特征：

1.擁有高比例的可再生能源

我國(guó)新能源近些年呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，2005~2017年風(fēng)電裝機(jī)容量增長(zhǎng)近150倍，2010~2015年光伏增長(zhǎng)100倍，2015年后每年裝機(jī)量接近翻倍增長(zhǎng)。未來(lái)可再生能源發(fā)電量占比仍將逐步提高，2040年超過(guò)50%，2050年達(dá)67%左右，逐步成為電力系統(tǒng)第一大主力電源。

2.擁有高比例的電力電子裝備

隨著風(fēng)光快速發(fā)展，新能源大量替代傳統(tǒng)火電，風(fēng)電、太陽(yáng)能，發(fā)電裝機(jī)量持續(xù)增加，在總發(fā)電裝機(jī)量的占比不斷提高。預(yù)計(jì)2050年我國(guó)風(fēng)光總裝機(jī)占比將接近70%。電力電子裝備在源端應(yīng)用日益廣泛，如直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組變流器、光伏電站和分布式光伏逆變器、非水儲(chǔ)能電站和分布式儲(chǔ)能逆變器。

在輸變電領(lǐng)域，大容量電力電子換流器直流輸電的快速發(fā)展，2010年以來(lái)一共先后投入了13條特高壓直流輸電工程。在西電東輸?shù)膸?dòng)下，將來(lái)的輸電容量還要繼續(xù)增大，電力電子裝備在電力系統(tǒng)的比例會(huì)越來(lái)越高。

另外，變頻負(fù)荷大量使用也是其中一個(gè)特點(diǎn)，這將依賴(lài)于現(xiàn)代電力電子換流與功率控制技術(shù)，據(jù)估計(jì)未來(lái)將有90%的電力需要經(jīng)過(guò)電力變換后使用，含有電力變換中間接口裝置的多樣性、強(qiáng)非線性負(fù)荷數(shù)量將急劇增加。比如民用、工業(yè)、交通各方面，電動(dòng)汽車(chē)等等都要使用電力電子裝置。

3.實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)的綜合能源

電力系統(tǒng)要擴(kuò)展范圍，除了提供電力以外，在多種能源互補(bǔ)的情況下，還要做一個(gè)綜合能源供應(yīng)商，有兩方面內(nèi)容，一是源端基地建成綜合能源電力系統(tǒng)，包括水電、風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電、靈活煤電等能源基地和儲(chǔ)能，通過(guò)直流輸電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)向中東部輸電和就地消納轉(zhuǎn)化；二是終端消費(fèi)綜合能源電力系統(tǒng)，多種方式實(shí)現(xiàn)熱、電、冷聯(lián)供多能互補(bǔ)，提高能源利用效率。

4.實(shí)現(xiàn)信息物理融合的智能電力系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)的信息流和電力流有效結(jié)合，在能源互聯(lián)網(wǎng)下信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)將滲透到每個(gè)設(shè)備。以電網(wǎng)為核心構(gòu)建能源網(wǎng)，整合各種可再生能源、傳統(tǒng)能源。以互聯(lián)網(wǎng)思維和理念改造傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，以用戶為中心構(gòu)建能源電力共享平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智能電力系統(tǒng)的開(kāi)放、共享和高效。

新一代電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

在新一代電力系統(tǒng)中，有很多新技術(shù)出現(xiàn)并迅速崛起，主要包括新能源發(fā)電技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)、電力電子技術(shù)、新型輸電技術(shù)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與控制技術(shù)、人工智能技術(shù)。

1.高效、低成本的太陽(yáng)能、風(fēng)能發(fā)電技術(shù)

光伏和光熱發(fā)電效率近年來(lái)不斷提升，主要得益于新材料的開(kāi)發(fā)、制造工藝的改善以及相應(yīng)光伏電池轉(zhuǎn)化效率的提升。另外，風(fēng)光發(fā)電成本持續(xù)降低，近10年來(lái)我國(guó)光伏組件價(jià)格從每瓦近50元降到2.22元，逆變器從每瓦2元降到0.2元左右，光伏系統(tǒng)成本從每瓦60元降到5元左右，2018年光伏領(lǐng)跑基地最低中標(biāo)電價(jià)已降低至0.31元/度。預(yù)計(jì)未來(lái)十年我國(guó)陸上風(fēng)電度電成本將下降約30%左右。

2.高效、低成本、長(zhǎng)壽命的儲(chǔ)能技術(shù)

儲(chǔ)能可以實(shí)現(xiàn)能源“斷點(diǎn)續(xù)傳”，支撐能源和信息的實(shí)時(shí)交互。從物理基礎(chǔ)層來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)能可消納棄風(fēng)棄光，助力可再生能源比例的提高；從價(jià)值實(shí)現(xiàn)層來(lái)說(shuō)，創(chuàng)新的價(jià)差套利模式，可提高系統(tǒng)綜合效益。

同時(shí)，電池儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展迅速，2018年鋰離子電池的技術(shù)進(jìn)步和成本下降將首次觸及循環(huán)壽命5000次，系統(tǒng)成本1.5元/Wh，已經(jīng)逼近商業(yè)化應(yīng)用的拐點(diǎn)；下一步將可能實(shí)現(xiàn)：循環(huán)次數(shù)大于15000次，能源效率大于90%，儲(chǔ)能系統(tǒng)成本少于10元/Wh，度電成本少于0.2元的目標(biāo)。儲(chǔ)能的大規(guī)模應(yīng)用是可期的。

3.高可靠性、低損耗的電力電子技術(shù)和新型輸電技術(shù)

電力電子技術(shù)的發(fā)展，提高了能源傳輸與分配的安全性、可控性，推動(dòng)能源互聯(lián)。一代器件決定一代電力電子技術(shù)，未來(lái)新一代半導(dǎo)體技術(shù)——寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)的研發(fā)推廣應(yīng)用，將極大推動(dòng)電網(wǎng)中電力電子裝備的升級(jí)換代，它的效率高，耐高溫、耐高壓，促進(jìn)直流輸配電網(wǎng)的形成和發(fā)展，對(duì)于新能源接入電網(wǎng)也將帶來(lái)極大改善。

4.新一代電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性分析與控制技術(shù)

當(dāng)大量的電力電子裝備和新能源接入電網(wǎng)之后，電網(wǎng)特性將發(fā)生重大變化。需要解決的問(wèn)題也復(fù)雜起來(lái)，比如輸電受端故障閉鎖引起的交直流輸電系統(tǒng)大范圍功率轉(zhuǎn)移、連鎖故障的分析和控制；又比如系統(tǒng)慣性減少造成的頻率波動(dòng)和頻率穩(wěn)定的分析和控制；還有受端多饋入直流換相失敗再啟動(dòng)引起電壓穩(wěn)定問(wèn)題分析、仿真和控制；以及隨著風(fēng)電VSC等電力電子設(shè)備的增加，電力電子設(shè)備之間及與交流電網(wǎng)之間相互作用產(chǎn)生1-kHz寬頻震蕩現(xiàn)象；弱交流互聯(lián)下VSC-HDVC并網(wǎng)小信號(hào)穩(wěn)定機(jī)理分析與控制；由于西電東輸引發(fā)的對(duì)仿真分析的需求，過(guò)去數(shù)十年間，電網(wǎng)運(yùn)行分析工作經(jīng)歷了由省、區(qū)域電網(wǎng)獨(dú)立分析向全網(wǎng)一體化分析模式轉(zhuǎn)變的歷程，仿真手段也經(jīng)歷了從單純的機(jī)電暫態(tài)仿真逐步向機(jī)電-電磁混合仿真以及全電磁仿真發(fā)展的過(guò)程，需要新一代的電力系統(tǒng)仿真平臺(tái)做技術(shù)支撐。

5.安全、高效、低成本的氫能生產(chǎn)儲(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用技術(shù)

國(guó)家戰(zhàn)略需求是實(shí)現(xiàn)能源清潔、可持續(xù)的供給，為解決未來(lái)以風(fēng)光電為主的新能源電力系統(tǒng)運(yùn)行難題，一種創(chuàng)新思路是：以氫為橋梁，構(gòu)建高效、可靠、清潔的風(fēng)-光-氫能源系統(tǒng)。采用這種技術(shù)，當(dāng)前存在的棄風(fēng)、棄光難題將得到根本解決。利用可再生能源電力高效低成本生產(chǎn)氫能并實(shí)現(xiàn)安全高效應(yīng)用，還面臨一系列生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用的技術(shù)難題，需要國(guó)家和企業(yè)層面集中力量研究解決。

6.新一代人工智能技術(shù)

新一代能源系統(tǒng)應(yīng)該是能夠?qū)崿F(xiàn)信息實(shí)時(shí)交互、網(wǎng)絡(luò)連接互動(dòng)、多種能源協(xié)同、需求實(shí)時(shí)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)、傳輸、消費(fèi)的自動(dòng)、自主、自治目標(biāo)的信息物理系統(tǒng)。面對(duì)系統(tǒng)的不確定性、隨機(jī)性、復(fù)雜性，新一代人工智能技術(shù)在數(shù)據(jù)信息的全面感知、可靠傳輸、智能處理，機(jī)器學(xué)習(xí)等支持算法，面向能源電力應(yīng)用的人工智能平臺(tái)等方面，需要開(kāi)展大量的研究開(kāi)發(fā)工作。

從智能電網(wǎng)到能源互聯(lián)網(wǎng)

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中各類(lèi)一次能源發(fā)電和分散化布局的電源結(jié)構(gòu)，通過(guò)大規(guī)?；ヂ?lián)的輸配電網(wǎng)絡(luò)，連接千家萬(wàn)戶使用，具有天然的網(wǎng)絡(luò)化基本特征。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)終端用戶用電早已實(shí)現(xiàn)“即插即用”，電力用戶根據(jù)需要從網(wǎng)上取電，具有典型的開(kāi)放和分享的互聯(lián)網(wǎng)特征。

但是，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)不支持用戶分布式電源的即插即用，無(wú)法實(shí)現(xiàn)用戶與電網(wǎng)之間能源和信息的雙向流動(dòng)。而且，不適應(yīng)多種形式能源的協(xié)同互補(bǔ)，提高能源利用率的能力受限。所以，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)不能適應(yīng)分散化布局用戶能源電力的市場(chǎng)化，為能源電力用戶服務(wù)的能力受限。

能源互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，給傳統(tǒng)電力系統(tǒng)提出了完整的解決方案。能源互聯(lián)網(wǎng)，是以可再生能源為優(yōu)先，電力能源為基礎(chǔ)，各種能源協(xié)同、供給與消費(fèi)協(xié)同、集中式與分布式協(xié)同、大眾參與的新型生態(tài)化能源系統(tǒng)。利用能源互聯(lián)網(wǎng)，可提高可再生能源比重，促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)與能源系統(tǒng)的深度融合，實(shí)現(xiàn)多元能源的有效互補(bǔ)和高效利用。

其實(shí)，在能源互聯(lián)網(wǎng)概念提出之前，電力領(lǐng)域就有了智能電網(wǎng)的概念。所謂智能電網(wǎng)，是指包括智能電表、智能電器、可再生能源和節(jié)能資源在內(nèi)的多種運(yùn)行操作和能源調(diào)控措施的電網(wǎng)。電力生產(chǎn)和分配的調(diào)控是智能電網(wǎng)的重要方面。

智能電網(wǎng)是信息技術(shù)與物理電網(wǎng)高度集成的智能電力系統(tǒng)，而能源互聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)思維理念和技術(shù)與能源生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)、消費(fèi)以及能源市場(chǎng)深度融合的智能能源系統(tǒng)和能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展新形態(tài)。因此，可以這樣說(shuō)，能源互聯(lián)網(wǎng)就是智能電網(wǎng)加多能互補(bǔ)。

新一代電力系統(tǒng)與能源互聯(lián)網(wǎng)

新一代電力系統(tǒng)繼承了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中各類(lèi)一次能源發(fā)電和分散化布局的電源結(jié)構(gòu)，通過(guò)大規(guī)?；ヂ?lián)的輸配電網(wǎng)絡(luò)，連接千家萬(wàn)戶使用，具有天然的網(wǎng)絡(luò)化基本特征。新一代電力系統(tǒng)發(fā)展了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)終端用戶用電的“即插即用”，支持用戶分布式發(fā)電上網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能源信息雙向流動(dòng)，具備完整的開(kāi)放、分享的互聯(lián)網(wǎng)特征。

新一代電力系統(tǒng)不僅繼承和發(fā)展了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，還對(duì)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)進(jìn)行了提升與開(kāi)拓。

新一代電力系統(tǒng)在源端能源基地和終端消費(fèi)網(wǎng)絡(luò)支持多種形式能源的協(xié)同互補(bǔ)，大大提升了能源的綜合利用效率，有效提升可再生能源的消納能力。此外，新一代電力系統(tǒng)在智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，與信息技術(shù)深度融合，通過(guò)多能互補(bǔ)，形成能源互聯(lián)網(wǎng)，為高比例可再生能源接入系統(tǒng)的調(diào)動(dòng)控制、運(yùn)行優(yōu)化和市場(chǎng)化運(yùn)作提供有力支撐，并進(jìn)一步拓展了為用戶提供綜合能源服務(wù)的功能。

新一代電力系統(tǒng)、能源互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)，這三者的關(guān)系還需要靠實(shí)踐去證實(shí)，在實(shí)踐中不斷總結(jié)和完善，形成面向新一代能源系統(tǒng)的綜合理論體系，這是我們面臨的一項(xiàng)重要任務(wù)。