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(chǔ)，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(shù)的融合發(fā)展，共同構(gòu)成能源流、業(yè)務(wù)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(wù)能力水平實現(xiàn)大幅度提高。能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)必將帶來電網(wǎng)技術(shù)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(shù)國家重點實驗室主任。長期從事電力系統(tǒng)電力電子技術(shù)研究，在該領(lǐng)域重要裝備的系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)備研發(fā)和工程應(yīng)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(shù)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(shù)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(guān)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(shè)。能源領(lǐng)域的智能化、去中心化態(tài)勢凸顯，以新能源和信息技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)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(shù)裝備，加快部署儲能、氫能等戰(zhàn)略性前沿技術(shù)攻關(guān)，努力在新一輪能源科技革命中搶占先機。日前，《電力設(shè)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(shù)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(lǐng)域得到更廣泛應(yīng)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(shè)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(shù)創(chuàng)新和成果應(yīng)用。
“2015年發(fā)布的《中共中央國務(wù)院關(guān)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(lǐng)域的進一步深入，售電側(cè)和增量配網(wǎng)業(yè)務(wù)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(wù)平臺提供商通過個性化電力金融平臺購售電服務(wù)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(guān)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(shù)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(shù)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(shù)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(chǔ)支撐技術(shù)薄弱。部分高端電力裝備基礎(chǔ)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(yīng)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(chǔ)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(shù)創(chuàng)新和成果應(yīng)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(shù)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(guān)鍵技術(shù)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(shù)的深度融合。
能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)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(shù)等研究方向，實現(xiàn)電網(wǎng)基礎(chǔ)理論和技術(shù)的提升，引領(lǐng)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(shù)。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(shù)。開展“風火打捆”設(shè)計與集中送出技術(shù)，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(shù)。開展常規(guī)能源、新能源與電網(wǎng)之間協(xié)調(diào)規(guī)劃設(shè)計，加快抽水蓄能、儲能等靈活電源建設(shè)，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(shù)。要完成次同步振蕩抑制、虛擬同步機等技術(shù)的示范應(yīng)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(shù)。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(shù)。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(yīng)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(shù)。靈活交流輸電(FACTS)采用電力電子裝備和控制技術(shù)，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(yīng)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(yīng)性最好的輸電技術(shù)，為電網(wǎng)靈活控制水平的提升提供了一種有效的技術(shù)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(shè)世界首個張北500千伏直流電網(wǎng)。隨著SiC技術(shù)逐步成熟及應(yīng)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(shù)。建成“8交10直”特高壓輸電工程，直流技術(shù)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(chǔ)。
“自主研發(fā)的技術(shù)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(lǐng)域的國際地位和話語權(quán)。而自主技術(shù)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(shù)。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(shù)。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(wù)、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(shù)。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(wù)模式;V2G、V2V、V2I、V2P。
綜合能源與智能用電技術(shù)。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(wù)，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(guān)鍵技術(shù)，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(shù)，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(yīng)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(shè)，大量領(lǐng)先于世界的高端電力裝備也得到了應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(zāi)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(shù)。陸上風電技術(shù)成熟，基礎(chǔ)與共性技術(shù)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(shù)。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(yīng)用到更多行業(yè)。
氫能技術(shù)。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(shù)。
儲能技術(shù)。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(yīng)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(shù)。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(shù)。初步建成全業(yè)務(wù)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(wù)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(shù)。“深層智能”應(yīng)用，推進人工智能在源網(wǎng)荷友好互動、故障辨識、災(zāi)害預警、電力市場交易等應(yīng)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(guān)系數(shù)據(jù)分析與計算問題。
信息通信與網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)。企業(yè)專網(wǎng)、電力無線專網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力逐步增強，支持多業(yè)務(wù)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(guān)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(shù)攻關(guān)，促進大規(guī)模清潔能源的開發(fā)與應(yīng)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(chǔ)研究力度，瞄準電網(wǎng)科技領(lǐng)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(guān)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(shè)、能源轉(zhuǎn)型提供基礎(chǔ)支撐。”
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