2009年，我國向國際社會承諾，2020年單位GDP二氧化碳排放比2005年降低40%至45%，非化石能源比重達15%。而2020年全面建成小康社會，要實現(xiàn)國內(nèi)生產(chǎn)總值和城鄉(xiāng)人均收入比2010年翻一番，這意味著我們的能源消費也將快速增長。因此，必須大力發(fā)展可再生能源，調(diào)整現(xiàn)有能源結(jié)構。
電是優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的二次能源，電能占終端能源消費的比重每提升1個百分點，單位GDP能耗可下降4%左右。實施以電代煤、以電代油，對于控制能源總量、優(yōu)化能源結(jié)構、提高能源效率、促進節(jié)能減排、解決霧霾問題都具有重要意義。電動汽車作為清潔的交通工具，也將是未來汽車工業(yè)發(fā)展的重要方向。除航空和軍事等領域外，其他方面的能源供應大部分可用電能替代。而目前廣泛應用的可再生能源主要包括水能、風能、太陽能和生物質(zhì)能等，大部分也以發(fā)電形式進行利用。推進電能替代，調(diào)整能源結(jié)構，可能是未來解決能源需求快速增長與環(huán)境壓力的日益增大矛盾的重要出路。
當前，我國發(fā)電裝機容量和電網(wǎng)規(guī)模均已居世界首位。在能源革命的大背景下，電網(wǎng)的重要性日益突出。未來大規(guī)模電能的利用，要求電網(wǎng)科技創(chuàng)新必須加快。近年來，我國開展了以特高壓為框架的智能電網(wǎng)的科技創(chuàng)新和建設，在特高壓研發(fā)和建設領域?qū)崿F(xiàn)了“中國創(chuàng)造”和“中國引領”。當前，世界范圍能源技術開發(fā)日益向綠色、低碳、智能的方向發(fā)展。從電能利用結(jié)構來看，我國可再生能源發(fā)展已經(jīng)具備了良好的基礎，水電、風電裝機規(guī)模均位居世界第一位。電網(wǎng)將成為大規(guī)模新能源電力的輸送和分配網(wǎng)絡，應對未來大規(guī)模分布式電源并網(wǎng)帶來的技術挑戰(zhàn)與沖擊迫在眉睫。面對世界范圍的新一輪能源技術競爭，我們必須把握第三代電網(wǎng)發(fā)展的趨勢，加快研究和建設，力爭取得新的競爭優(yōu)勢。
國家電網(wǎng)：特高壓引領電網(wǎng)科技創(chuàng)新
今年1月18日，“特高壓交流輸電關鍵技術、成套設備及工程應用”榮獲國家科技進步特等獎。消息傳來，電力科技界一片歡騰。
“建設世界一流電網(wǎng)是一個與時俱進、不懈奮斗的過程。特高壓的成功，標志著我國電網(wǎng)進入了以特高壓為引領、以智能化為方向，全面創(chuàng)新發(fā)展的新階段。”國家電網(wǎng)公司總經(jīng)理劉振亞說。
2004年特高壓發(fā)展之初，沒有經(jīng)驗、缺乏標準，關鍵設備更是一片空白，困難和挑戰(zhàn)極大。國家電網(wǎng)開展了310項關鍵技術研究，經(jīng)過不懈努力，攻克了電壓控制、外絕緣配置等技術難關，掌握了具有自主知識產(chǎn)權的特高壓核心技術和全套設備制造能力。國家電網(wǎng)已先后建成3個世界上電壓最高、容量最大、技術領先的特高壓交、直流工程，累計送電超過800億千瓦時。
特高壓的全面突破，一是促進了能源配置方式由輸煤為主向輸煤輸電并舉轉(zhuǎn)變，電力發(fā)展方式由就地平衡為主向全國范圍優(yōu)化配置轉(zhuǎn)變，有效解決煤電運矛盾。二是促進清潔能源加快發(fā)展。通過建設特高壓大電網(wǎng)，實現(xiàn)水電、風電、太陽能發(fā)電與火電聯(lián)合運行、打捆外送，解決清潔能源送出和消納難題。三是帶動裝備制造業(yè)升級。為中國輸變電設備制造企業(yè)的“金色名片”，改變了國內(nèi)外輸變電設備市場競爭的整體格局。四是構建洲際輸電大通道。為構建跨國、跨洲輸電通道、建立洲際電力市場，推動全球能源資源優(yōu)化配置，實現(xiàn)全球能源可持續(xù)發(fā)展，提供了戰(zhàn)略選擇。
圖為新吉陽長江大跨越工程成功貫通
“長遠來看，特高壓與智能電網(wǎng)、新能源、儲能相結(jié)合，將有效解決能源供應問題。”國家電網(wǎng)公司總經(jīng)理劉振亞說。公司已新建并投運220座智能變電站，目前正在研發(fā)集成度高、結(jié)構合理、節(jié)能高效、國際領先的新一代智能變電站。同時還建成了世界上覆蓋范圍最大的電動汽車充換電服務設施。“下一步，我們將圍繞大電網(wǎng)控制、大容量儲能等關鍵技術開展攻關，爭取在核心技術研發(fā)和關鍵設備制造方面取得新突破。同時，依托大電網(wǎng)，支持大水電、大核電與大型可再生能源基地開發(fā)，實現(xiàn)清潔能源大范圍優(yōu)化配置和消納。”劉振亞說。
現(xiàn)狀：新能源發(fā)展要求電網(wǎng)盡快轉(zhuǎn)型
來自國網(wǎng)能源研究院的研究報告顯示，我國清潔能源資源豐富，具備大規(guī)模開發(fā)潛力。其中，水力資源總量位居世界第一，技術可開發(fā)量5.7億千瓦;核電現(xiàn)有廠址資源可支撐1.6億千瓦的核電裝機;進一步選址可滿足未來3至4億千瓦的核電裝機需求;風電全國僅陸上50米高度3級以上風能資源潛在開發(fā)量約 23.8億千瓦;太陽能發(fā)電開發(fā)潛力可達30億千瓦左右。
“無論是風能等清潔能源的大范圍優(yōu)化配置與消納，還是分布式能源的靈活接入與雙向計量，都需要并網(wǎng)來實現(xiàn)。”國網(wǎng)能源研究院副總經(jīng)濟師白建華對記者說。
隨著我國新能源開發(fā)力度不斷加大，新能源并網(wǎng)對傳統(tǒng)電網(wǎng)日益提出挑戰(zhàn)。記者了解到，以風電為例，我國已成為世界上風電裝機容量最大的國家，但棄風限電成制約風電發(fā)展的重要因素。數(shù)據(jù)顯示，2012年全國棄風電量從2011年的120多億千瓦時增至約200億千瓦時，占全年風力發(fā)電量的1/5。主要原因是現(xiàn)有的電網(wǎng)建設還不足以把不能就地消納的電大規(guī)模輸送出去。
白建華認為，實現(xiàn)清潔能源集中式、基地式大規(guī)模高效開發(fā)，關鍵是通過大電網(wǎng)建立大范圍配置平臺。而分布式清潔能源發(fā)電并網(wǎng)會給電網(wǎng)的規(guī)劃和運行帶來一些技術難題和影響，主要涉及負荷預測、電源結(jié)構、電網(wǎng)擴展、電能質(zhì)量、保護整定、頻率控制、電壓調(diào)節(jié)、供電可靠性等內(nèi)容。
探索：未來電網(wǎng)清潔化和智能化
中國工程院副院長謝克昌認為，大規(guī)模新能源利用將催生能源供需模式向雙向協(xié)調(diào)適應模式轉(zhuǎn)型，即把合適的能源用在合適的地方。這就需要新的基礎設施和儲運配方式的支撐，如汽車充電樁、儲能、分布式能源系統(tǒng)等，而能夠?qū)崿F(xiàn)消費者和生產(chǎn)者互動的新一代電網(wǎng)是核心環(huán)節(jié)。
“以清潔化(接納大規(guī)模可再生能源電力)和智能化為主要特征的下一代電網(wǎng)也就是第三代電網(wǎng)將成為未來電網(wǎng)發(fā)展的趨勢和方向。”中國科學院院士周孝信說。他認為，提供單一的電力服務的第二代電網(wǎng)，高度依賴大規(guī)模使用化石能源，是不可持續(xù)的電力發(fā)展模式。而能源革命帶來的發(fā)電能源清潔化和一定程度的分散化，以及信息技術發(fā)展帶來的智能化促使電網(wǎng)開始轉(zhuǎn)型。
目前，我國以特高壓為骨干框架的堅強智能電網(wǎng)建設已經(jīng)取得積極進展，晉東南—荊門1000千伏交流試驗示范工程等相繼投運，實現(xiàn)水電、風電、太陽能發(fā)電與火電聯(lián)合運行、打捆外送，促進了大煤電、大水電、大核電和大型可再生能源基地集約化開發(fā)。而智能電力系統(tǒng)建設也在緊鑼密鼓地進行中。220座智能變電站已經(jīng)建成。智能電表正在許多地區(qū)得到運用。到2015年，除邊遠農(nóng)村地區(qū)外，將全部實現(xiàn)用戶用電信息自動采集。
“智能電網(wǎng)有望解決可再生能源面臨的最大問題，是因天氣變化而造成的供電不穩(wěn)定問題。”中國電力科學研究院電力電子應用技術研究所所長湯廣福說。
“從現(xiàn)在至2030年的中期階段，我國輸電主干網(wǎng)仍將基本保持超/特高壓交、直流輸電網(wǎng)模式，但新的輸電技術會不斷涌現(xiàn)，推動著新輸電方式的突破。從2031年到2050年的遠期階段，技術發(fā)展的積累和突破有可能實現(xiàn)多端高壓直流輸電網(wǎng)模式。”周孝信院士說，我國未來第三代電網(wǎng)的構成將遵循國家主干輸電網(wǎng)與地方輸配電網(wǎng)、微網(wǎng)相結(jié)合的模式。主干輸電網(wǎng)能適應大規(guī)模能源的大容量遠距離電力輸送、大范圍優(yōu)化配置和間歇性功率相互補償?shù)刃枰?配電網(wǎng)能適應中小型分布式電源的開放接入和電力需求側(cè)互動管理的需求，它的終端將多采用微網(wǎng)結(jié)構，形成多網(wǎng)合一的能源信息綜合服務體系。
周孝信院士還認為，輸電網(wǎng)的功能將由單純輸送電能轉(zhuǎn)變?yōu)檩斔碗娔芘c實現(xiàn)各種電源相互補償調(diào)節(jié)相結(jié)合。未來的配電網(wǎng)將采用交、直流并存的多樣化配電模式，與通信信息技術廣泛結(jié)合，逐步形成適宜接納大規(guī)模分布式能源、能夠向用戶提供差異化服務的主動智能配電網(wǎng)，實現(xiàn)與終端用戶能源高效利用系統(tǒng)結(jié)合，提高能源利用效率。
挑戰(zhàn)：重大技術需要有所突破
根據(jù)國家《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，2015年—2020年風電、太陽能發(fā)電裝機容量達到5000萬千瓦至2億千瓦的水平，而且主要是位于西部的集中開發(fā)模式，這需要在大規(guī)模可再生能源接入電網(wǎng)的技術上有所突破。
我國資源分布不均衡，煤炭資源主要集中在西部和北部，水電資源80%分布在西部，風能、太陽能資源也主要分布在西部;而電力負荷主要集中在中東部地區(qū)。從電力流預測結(jié)果來看，我國將始終存在大容量遠距離輸電的基本需求。
當前電網(wǎng)的線損率為6%—7%，大量電能被損耗在輸配電線路和變壓器等輸配電設備中，因此降低線損、提高能源利用效率對第三代電網(wǎng)的建設尤為重要。
“通過智能傳感網(wǎng)絡和信息系統(tǒng)，在用戶端實現(xiàn)分布式能源、儲能裝置、電動汽車充放電、能源綜合高效利用系統(tǒng)與電網(wǎng)的融合，形成智能能源網(wǎng)絡，能大幅度提高終端能源利用效率。”周孝信說。
另外，電力系統(tǒng)在滿足國民經(jīng)濟電力需求的同時，也面臨風險。國內(nèi)外電網(wǎng)大停電事故，特別是10年來美國、歐洲、印度、巴西等國家和地區(qū)電網(wǎng)大停電事故的教訓表明，電網(wǎng)的安全和供電的可靠性始終是電網(wǎng)第一位要關注的問題。
周孝信院士指出，基于對電網(wǎng)和電網(wǎng)技術發(fā)展趨勢的判斷，建設未來電網(wǎng)將面臨大規(guī)模可再生能源接入電網(wǎng)、大規(guī)模遠距離輸電、提高電網(wǎng)和終端用戶能源電力利用效率、提高電網(wǎng)安全性和供電可靠性這4項重大技術需求。而近期必須開展研究的10項關鍵技術，主要包括大規(guī)模新能源與可再生能源電力友好接入技術、大容量輸電技術、大容量儲能技術、電力通信與信息技術、智能配電網(wǎng)和微網(wǎng)技術、智能用電技術等。
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