肖立業(yè)，林良真

(1.中國科學(xué)院應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190;2.中國科學(xué)院電工研究所，北京 100190）

未來電網(wǎng)初探

肖立業(yè)1，2，林良真1，2

(1.中國科學(xué)院應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190;2.中國科學(xué)院電工研究所，北京 100190）

由于化石能源的日益枯竭和節(jié)能減排的迫切需求，人類逐漸認(rèn)識(shí)到必須發(fā)展以可再生能源為主的清潔能源系統(tǒng)。由于可再生能源的主要利用方式是發(fā)電，且可再生能源資源及其發(fā)電方式與化石能源資源及發(fā)電方式具有很大的不同，因此，可再生能源的廣泛應(yīng)用將對(duì)電力生產(chǎn)、輸配和消費(fèi)模式等產(chǎn)生深刻的影響。有鑒于此，對(duì)未來電網(wǎng)的探索就顯得非常重要。本文重點(diǎn)就未來電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行模式及所涉及的關(guān)鍵技術(shù)體系進(jìn)行了初步的探索，并就我國發(fā)展適應(yīng)于可再生能源需求的未來電網(wǎng)的有關(guān)問題提出了幾點(diǎn)建議，供參考和商討。

可再生能源;直流電網(wǎng);分布式電網(wǎng);電動(dòng)汽車充電站;超導(dǎo)輸電;能源資源的互補(bǔ)性;虛擬發(fā)電廠;云電力

1 前言

隨著化石能源的日益枯竭以及日益增長的環(huán)境壓力等因素的驅(qū)動(dòng)，人類已經(jīng)認(rèn)識(shí)到必須大力發(fā)展以可再生能源［1］，并逐步實(shí)現(xiàn)可再生能源替代化石能源的重大變革?？稍偕茉吹闹饕梅绞绞前l(fā)電，近些年來，全球可再生能源發(fā)電得到了飛速的發(fā)展。例如，我國2009年新增風(fēng)電裝機(jī)已經(jīng)達(dá)到了13.8GW［2］，生產(chǎn)的光伏電池達(dá)到4GW(占全球的約40%）;2009年，歐盟國家新增的電力裝機(jī)中，可再生能源發(fā)電裝機(jī)已經(jīng)達(dá)到了62%以上，超過了傳統(tǒng)能源發(fā)電的新增裝機(jī)。歐盟聯(lián)合研究中心估計(jì)［3］:到2020年，歐盟可再生能源的份額將達(dá)到能源需求量的20%以上，也就是說，屆時(shí)成員國總發(fā)電量的35%～40%將來自可再生能源;世界觀察研究所的報(bào)告認(rèn)為［2］:到2050年，中國可再生能源將達(dá)到總能源需求的40% ～45%。因此，可以預(yù)見，在不遠(yuǎn)的將來，一次能源以可再生能源為主、終端能源以電力為主的能源格局將變成現(xiàn)實(shí)。

能源結(jié)構(gòu)的這一重大變革，將對(duì)未來電網(wǎng)帶來革命性的影響，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面［4］:第一，由于未來終端能源將以電力為主，因此促使未來發(fā)電量增長的原因不僅僅限于經(jīng)濟(jì)增長因素，更主要的還因能源結(jié)構(gòu)的重大變化?？梢灶A(yù)見，發(fā)電量將比當(dāng)前有數(shù)量級(jí)上的增長。同時(shí)，由于可再生能源資源和負(fù)荷資源分布不匹配的格局仍將存在(例如，人煙稀少的地區(qū)往往有更多的太陽能和風(fēng)能），這就決定了遠(yuǎn)距離輸送和大電網(wǎng)互聯(lián)在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)仍將存在。更為重要的是，以交流為骨干的互聯(lián)電網(wǎng)的規(guī)模越大，則電力系統(tǒng)運(yùn)行條件越苛刻，不可預(yù)知性和安全穩(wěn)定性問題越突出［5］。由此可見，隨著能源結(jié)構(gòu)的重大調(diào)整，如何安全可靠地運(yùn)行和管理這樣一個(gè)規(guī)模比現(xiàn)有電網(wǎng)大得多的未來電網(wǎng)，將成為一個(gè)重大挑戰(zhàn)。第二，由于可再生能源資源具有間歇性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，其發(fā)電功率也將出現(xiàn)間歇性和不穩(wěn)定性。此外，光伏發(fā)電系統(tǒng)不具有傳統(tǒng)水輪機(jī)組或汽輪機(jī)組的機(jī)械慣性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量及慣性與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組相比也有很大的差別且發(fā)電方式也不相同。因此，在滿足這些新型電源規(guī)?；尤氲募s束條件下，如何保障電網(wǎng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)功率平衡和穩(wěn)定性，并實(shí)現(xiàn)電力的高效調(diào)度，就成為未來電網(wǎng)面臨的另一重大挑戰(zhàn)。第三，由于可再生能源具有分散性的特點(diǎn)，靠近負(fù)荷側(cè)就地利用的分布式發(fā)電也將是一種重要的方式。這不僅意味著電力用戶也將同時(shí)可能是電力供應(yīng)方，而且也意味著未來電網(wǎng)將出現(xiàn)大電網(wǎng)與分布式電網(wǎng)平行發(fā)展的格局。因此，如何有效地實(shí)現(xiàn)大電網(wǎng)與分布式電網(wǎng)的良性互動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)分布式電力資源和集中發(fā)電資源的優(yōu)化利用，將是未來電網(wǎng)面臨的新的挑戰(zhàn)。第四，隨著可再生能源逐步替代化石能源，目前以化石能源為基礎(chǔ)的能源消費(fèi)系統(tǒng)特別是燃油交通系統(tǒng)(如汽車、軌道交通用機(jī)車等）將采用電力，這意味著，大量的移動(dòng)負(fù)荷(即電氣化機(jī)車）和在大范圍之內(nèi)廣泛分布的用于電動(dòng)汽車的電池將成為電網(wǎng)中的主要負(fù)荷之一，這就使得未來電網(wǎng)的負(fù)荷特性將與目前電網(wǎng)有很大的不同。因此，如何適應(yīng)負(fù)荷特性的這一重要變化也將是十分重要的課題。第五，未來電網(wǎng)的一次能源具有多樣性(如水電、風(fēng)電、光電、生物質(zhì)發(fā)電、海洋能發(fā)電等），其時(shí)空分布和電源動(dòng)態(tài)特性也具有多樣性。因此，如何實(shí)現(xiàn)這些不同發(fā)電系統(tǒng)的良性互動(dòng)，以達(dá)到各種資源的綜合優(yōu)化利用，也將是未來電網(wǎng)需要解決的重要課題。

綜上所述，能源結(jié)構(gòu)的重大變革，將對(duì)未來電網(wǎng)帶來一系列重大挑戰(zhàn)。如何從改變電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式等方面入手，并解決未來電網(wǎng)發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)問題，就成為一個(gè)值得深入研究和探討的問題。本文就這個(gè)問題進(jìn)行了初步的思考，供參考和商榷。

2 未來電網(wǎng)各種電力資源的互補(bǔ)性

在我們探索未來電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式前，分析一下未來電網(wǎng)各種電力資源的互補(bǔ)性是非常有益的，因?yàn)槿绻麅H僅考慮某一可再生能源發(fā)電站，像風(fēng)能、太陽能、海洋能等可再生能源這樣的發(fā)電站，則其發(fā)電功率是不穩(wěn)定的、無規(guī)律的、間歇的、難以按照我們的需要來進(jìn)行調(diào)控的，也就是說，這種能源似乎是難以駕馭和控制的。然而，如果將大量的多種電力資源“打包”在一起，則資源的互補(bǔ)性可以使得“電力包”成為相對(duì)穩(wěn)定和可控的資源。

未來電網(wǎng)各種電力資源的互補(bǔ)性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

2.1 時(shí)間上的互補(bǔ)性

一些資源只在某一時(shí)段可獲得，而另外一些資源則在另一些時(shí)段顯得更加充足或在另一些時(shí)段根據(jù)需求被利用起來。例如，太陽能只能在白天利用，而晚上的風(fēng)力和波浪能顯得更加強(qiáng)勁;夏季的水電資源更加充沛，而冬季的太陽能和風(fēng)力資源更加豐富。由于時(shí)差的原因，東西部地區(qū)的太陽能就具有時(shí)間上的互補(bǔ)性。水電資源具有一定的可控性，可以通過調(diào)節(jié)水電站的發(fā)電功率和庫容量來實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能或風(fēng)能的補(bǔ)償作用。例如，在24小時(shí)之內(nèi)，可在風(fēng)能和太陽能等充足的時(shí)候，適當(dāng)減少水電功率并增加庫容量，而在太陽能和風(fēng)能減少的時(shí)候，適當(dāng)增加水電功率。生物質(zhì)能相對(duì)于其它可再生能源而言，具有更好的時(shí)間上的互補(bǔ)性，因?yàn)樯镔|(zhì)能是一種可以大量儲(chǔ)存的能源資源，只要任何時(shí)候缺少來自太陽能和風(fēng)能的電力，均可以啟動(dòng)生物質(zhì)能發(fā)電來予以補(bǔ)充。

我國水電資源的理論儲(chǔ)量為6.88億千瓦，技術(shù)上可以開發(fā)利用的水電資源總量達(dá)到5.4億千瓦，經(jīng)濟(jì)上可開發(fā)量達(dá)到4億千瓦［6］(相當(dāng)于2010年發(fā)電總裝機(jī)的40%），目前已開發(fā)的水電總裝機(jī)超過了2億千瓦，仍有很大的開發(fā)潛力。2010年，我國可以利用的各種生物質(zhì)資源相當(dāng)于3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，據(jù)估計(jì)，到2050年，可利用的生物質(zhì)能將達(dá)到10億噸標(biāo)準(zhǔn)煤［7］，按照年滿發(fā)5500小時(shí)計(jì)算的話，就可以發(fā)電約5億千瓦，如果只作為旋轉(zhuǎn)備用的話，可以安裝的生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)將大大高于5億千瓦。據(jù)嚴(yán)陸光院士等研究報(bào)告的預(yù)測(cè)［1］，到2050年，我國的總發(fā)電裝機(jī)將達(dá)到24億千瓦。即使2050年我國太陽能發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)分別達(dá)到5億千瓦和4億千瓦，水電和生物質(zhì)能在時(shí)間上可以與太陽能和風(fēng)能等形成很好的互補(bǔ)，實(shí)際上可以起到大容量儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用。

2.2 空間上的互補(bǔ)性

所謂空間上的互補(bǔ)性，是指在同一時(shí)刻不同地點(diǎn)的能源資源具有互補(bǔ)性。在可再生能源中，風(fēng)能是最不穩(wěn)定的能源。德國的有關(guān)研究表明:對(duì)單個(gè)風(fēng)電場的24小時(shí)預(yù)測(cè)誤差達(dá)到15%，單個(gè)控制區(qū)(400×400km）的誤差則為7.5% ～10%，而全德國(650×800km）的誤差僅為為5% ～6.5%，這說明范圍越大則資源互補(bǔ)性越強(qiáng)［8］。美國特拉華大學(xué)和紐約石溪大學(xué)最近發(fā)表了有關(guān)不同地點(diǎn)風(fēng)力的研究數(shù)據(jù)［9］，美國東部沿?？缍冗_(dá)2500公里的11個(gè)氣象站近5年的風(fēng)力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明:盡管每一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的風(fēng)力出現(xiàn)很大的不穩(wěn)定性，但如果利用輸電線路將建立在這11個(gè)地點(diǎn)的風(fēng)電場全部連起來作為一個(gè)統(tǒng)一的風(fēng)電場，則很少會(huì)出現(xiàn)低功率或者滿發(fā)的情況，與單個(gè)風(fēng)電場相比，11個(gè)風(fēng)電場的總功率變化會(huì)顯得比較緩慢，而且永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)沒有風(fēng)電的情況。由此可見，如果將大范圍內(nèi)的風(fēng)電場聯(lián)成一個(gè)統(tǒng)一的整體，其發(fā)電功率具有顯著的互補(bǔ)性。

盡管本文作者還沒有得到有關(guān)波浪能或太陽能的有關(guān)數(shù)據(jù)，但可以推測(cè):波浪能與太陽能同樣具有空間上的互補(bǔ)性。波浪能與風(fēng)能在某種程度上是相似的，且單位體積的水具有比空氣大得多的慣性，因此波浪能的間歇性和不穩(wěn)定性的程度較風(fēng)能低，不同區(qū)域的波浪能之間的互補(bǔ)利用，會(huì)進(jìn)一步降低其間歇性與不穩(wěn)定性。與風(fēng)能和波浪能相比，太陽能就顯得要穩(wěn)定得多，除了天氣的影響外，其變化是確定性的，廣域范圍內(nèi)不同地點(diǎn)的太陽能因天氣造成的影響也具有互補(bǔ)性，即很少會(huì)出現(xiàn)同時(shí)沒有太陽或者到處都是陽光燦爛的情景。

2.3 不同發(fā)電方式之間的互補(bǔ)性

不同的可再生能源發(fā)電方式，其輸出響應(yīng)特性也不盡相同，這在形式上也可以表現(xiàn)為互補(bǔ)性。例如，光伏發(fā)電功率受光強(qiáng)度的變化而實(shí)時(shí)變化，而對(duì)于太陽能熱發(fā)電來說，則由于熱力系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)較大，其發(fā)電功率不僅不會(huì)隨光照強(qiáng)度變化而實(shí)時(shí)變化，而且可以通過短時(shí)調(diào)節(jié)換熱功率而調(diào)節(jié)其輸出功率，因?yàn)闊崃ο到y(tǒng)可以儲(chǔ)存部分熱量。同樣，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電來說，不同類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)風(fēng)速不盡相同。例如，MW級(jí)風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)風(fēng)速約為3～4米/秒，而在大于25米/秒的風(fēng)速下會(huì)自動(dòng)閉鎖，小型風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)風(fēng)速相對(duì)較低且可以在更高風(fēng)速下運(yùn)行。此外，不同高度下，單位面積的有效風(fēng)功率也不同［10］。因此，如果在同一風(fēng)電場采用不同類型的風(fēng)機(jī)并實(shí)施統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，則可以使整個(gè)風(fēng)電場的功率輸出變得更加平滑一些。

2.4 電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用

電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池是未來電網(wǎng)中主要的負(fù)荷之一，事實(shí)上，這種負(fù)荷也同樣可以看成是電源資源。因?yàn)?，我們可以在風(fēng)能或太陽能比較充足的時(shí)候提高充電速度，而在它們相對(duì)少的時(shí)候降低充電速度甚至向電網(wǎng)回饋部分電力，則充電系統(tǒng)可以起到平滑電網(wǎng)電源功率的作用。這里，我們認(rèn)為換電池模式是未來電動(dòng)汽車充電的主要模式，因此電動(dòng)汽車電池充電系統(tǒng)可以根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際情況變化來充電。

據(jù)估計(jì)，我國現(xiàn)有汽車保有量約8500萬輛，到2020年，我國汽車保有量將達(dá)到1.5億輛。如果按照2050年我國汽車保有量達(dá)到4億輛計(jì)算，其中一半是電動(dòng)汽車(即2億輛）。假設(shè)平均每輛汽車的電池充電一次可以使用4天，則每天有大約5000萬輛汽車需要充電。由于太陽能和風(fēng)能的年有效利用小時(shí)數(shù)約為2000小時(shí)，則可折合為日平均有效利用時(shí)間為5.5小時(shí)。以每組動(dòng)力電池的額定充電功率為15千瓦計(jì)算，并考慮到其充電速度可以根據(jù)太陽能或風(fēng)能的變化而調(diào)節(jié)充電速度，以平均充電功率為10千瓦計(jì)算(即大約從5千瓦～15千瓦范圍內(nèi)調(diào)節(jié)），則5.5小時(shí)內(nèi)可以充電約55度(相當(dāng)于充滿一次可行駛約275公里）。由此可以看出，太陽能和風(fēng)能的日平均有效利用小時(shí)數(shù)大致相當(dāng)于一組電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的平均充電時(shí)間，而每組充電系統(tǒng)可以響應(yīng)太陽能與風(fēng)能變化的功率可以達(dá)到10千瓦，即全國的電動(dòng)汽車充電設(shè)施可以用于電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)的總功率可以達(dá)到5億千瓦?？紤]大范圍內(nèi)可再生能源電站之間本身已經(jīng)具有的互補(bǔ)作用，則5億千瓦的功率具有相當(dāng)大的調(diào)節(jié)作用。

綜上所述，雖然太陽能、風(fēng)能和波浪能等可再生能源具有間歇性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，但是如果充分利用這些資源在時(shí)空上和發(fā)電方式上的互補(bǔ)性并利用水電、生物質(zhì)發(fā)電和電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用(即將各種資源有機(jī)“打包”在一起），那么即使不安裝大量的儲(chǔ)能系統(tǒng)，也可以使電源變得比較平滑穩(wěn)定和可控，從而向用戶輸出滿足要求的電力。

3 未來電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式

那么，以可再生能源發(fā)電為主的未來電網(wǎng)，各種資源如何有機(jī)“打包”在一起呢?如何實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模的電力輸送?如何有效保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性及供電可靠性?要回答這些問題，就必須首先從電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式上進(jìn)行探索。

3.1 未來輸電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

未來電網(wǎng)主要包括輸電網(wǎng)、城市配電網(wǎng)和底層用戶的分布式電網(wǎng)。由于輸電網(wǎng)在未來電網(wǎng)中仍將占主導(dǎo)地位，因此本文重點(diǎn)討論未來輸電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。

電網(wǎng)發(fā)展初期，發(fā)電機(jī)組的容量都比較小，電力需求量也比較小，因此電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)基本上是從電廠到受電端(在這里，我們將一個(gè)負(fù)荷中心或一個(gè)供電區(qū)域稱為一個(gè)受電端）的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的輸電模式(簡稱P-C模式）。后來，隨著發(fā)電機(jī)組和發(fā)電廠的容量不斷擴(kuò)大，于是便有了從電廠到多個(gè)受電端的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的輸電模式(簡稱P-MC模式）。隨著電力需求量不斷增大，人們對(duì)供電可靠性的要求越來越高，只依賴一個(gè)電廠的電力供應(yīng)已經(jīng)無法滿足受電端的需求了，于是便出現(xiàn)了多電源向一個(gè)受電端輸電的多點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)的輸電模式(簡稱MP-C模式）。由于供電可靠性、電網(wǎng)互聯(lián)和運(yùn)營管理等多方面的需要，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變得日益復(fù)雜，也出現(xiàn)了多電源通過樞紐變電站向多個(gè)受電端供電的模式(即多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的模式，簡稱MP-MC模式）。從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)上來講，目前的電網(wǎng)基本上可以分解為 P-C、P-MC、MP-C、MP-MC的有機(jī)組合，但是MP-MC模式還不是當(dāng)前輸電網(wǎng)中的主導(dǎo)模式，且MP中各個(gè)P之間的協(xié)調(diào)性和互補(bǔ)性并不明顯，現(xiàn)有電網(wǎng)中的MP還不能完全看成一個(gè)有機(jī)融合的“電力包”。表1列出了目前電網(wǎng)的四種基本輸電模式。

如果未來輸電網(wǎng)要向受電端提供穩(wěn)定可靠的電力的話，那么將MP-MC模式上升為主導(dǎo)模式似乎就是必然的選擇了。理由如下:第一，無論采用P-C模式還是P-MC模式，都很難向受電端提供穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)。因?yàn)閱蝹€(gè)發(fā)電廠很難以提供足夠容量的電力，且其發(fā)電功率是不穩(wěn)定的，所以如果要采用P-C或P-MC模式的話，則必須建設(shè)大功率大容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)。大功率大容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)，不僅造價(jià)十分高昂、轉(zhuǎn)換效率低，而且技術(shù)上仍不成熟(抽水儲(chǔ)能除外，不過在很多太陽能和風(fēng)能豐富的地區(qū)或負(fù)荷中心，要建設(shè)大量的抽水儲(chǔ)能是十分困難甚至是不可能的）。第二，采用MP-C模式，如果合理安排電源的結(jié)構(gòu)，雖然可能能夠向受電端提供比較穩(wěn)定可靠的電力，但是，這樣的模式實(shí)際上是把現(xiàn)有的互聯(lián)電網(wǎng)分解為多個(gè)獨(dú)立的電網(wǎng)，因而難以發(fā)揮大范圍內(nèi)資源優(yōu)化配置、互聯(lián)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性等綜合優(yōu)勢(shì)。特別是考慮到未來能源資源的多樣性，以及這些資源的時(shí)空分布與負(fù)荷的時(shí)空分布之間的不匹配性，MP-C模式難以成為主導(dǎo)模式。

表1 現(xiàn)有電網(wǎng)的四種基本輸電模式Tab.1 Basic transmission modes of existing power grid

圖1 未來輸電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)模式Fig.1 Basic structure pattern of future power grid

基于以上認(rèn)識(shí)，作者認(rèn)為，未來輸電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)采用圖1所示的模式具有現(xiàn)實(shí)性和優(yōu)越性。首先，應(yīng)該充分利用區(qū)域內(nèi)部多個(gè)集中式發(fā)電廠(光伏發(fā)電、熱發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、海洋能發(fā)電等）之間的互補(bǔ)性，并采用各個(gè)電廠之間的統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制技術(shù)，將這些發(fā)電廠用“超級(jí)母線”(簡稱 SBB，可以用超導(dǎo)輸電來實(shí)現(xiàn)）連接起來，從而將這些發(fā)電廠整體“打包”成一個(gè)“大型虛擬發(fā)電廠”(簡稱 LVPP）。例如，我們可以在新疆、甘肅、蒙西、蒙東、東北、沿海等地區(qū)依托各種資源和多種發(fā)電方式，通過不同的組合建設(shè)多個(gè)LVPP，組合的目的是要使LVPP的功率輸出比起單個(gè)電廠來說變得更加平滑、可預(yù)測(cè)和在一定程度上可控制。接著，我們就可以利用高壓輸電從SBB向多個(gè)受電端輸送電力了。第二，這里的受電端是指一個(gè)負(fù)荷中心(如環(huán)渤海區(qū)、長三角區(qū)等）或一個(gè)供電區(qū)(如湖南省或華中地區(qū)、重慶市或川渝地區(qū)等），受電端可以接受來自多個(gè)LVPP的電力。多個(gè)LVPP連接在受電端的環(huán)形母線(RBB）上，由于位于不同地區(qū)的多個(gè)LVPP之間也具有良好的資源互補(bǔ)性，因而受電端通過環(huán)形母線就可以獲得相對(duì)穩(wěn)定可靠的電力。在受電端的環(huán)形母線上，還可以因地制宜地接入生物質(zhì)發(fā)電、核電和電動(dòng)汽車充電設(shè)施對(duì)電源進(jìn)行調(diào)控。因此，受電端內(nèi)部的各個(gè)用戶就可以從環(huán)形母線上獲得十分穩(wěn)定可靠的電力了。第三，在各個(gè)LVPP的超級(jí)母線之間以及各個(gè)受電端的環(huán)形母線之間可以增加聯(lián)絡(luò)線并安裝雙向功率交換控制裝置(DPEC），這樣，不僅各個(gè)受電端上的電源也有效地互聯(lián)起來，而且與多個(gè)LVPP一道連接成為“廣域超級(jí)虛擬發(fā)電廠”(WASVPP）［4］，WASVPP可以在廣域范圍內(nèi)充分利用各種資源的時(shí)空互補(bǔ)性。通過以上輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式，用戶不再像目前這樣從一個(gè)或幾個(gè)中心電廠獲取電力，而是從 WASVPP產(chǎn)生的“云電力”(Cloud Powering，簡稱CP）中獲取電力，就像是信息網(wǎng)中的用戶從互聯(lián)網(wǎng)中獲取云計(jì)算資源一樣。因此，即使某幾條線路因故障被切除，也不會(huì)發(fā)生大面積停電事故。第四，通過LVPP的超級(jí)母線或受電端環(huán)形母線，還可以接入跨國電網(wǎng)，從而利用更大范圍內(nèi)的資源互補(bǔ)性來平衡系統(tǒng)的功率，并實(shí)現(xiàn)能源的國際貿(mào)易。

以上所提出的只是未來輸電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)模式，具體的輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可在該基本結(jié)構(gòu)模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合電源和負(fù)荷的分布并通過適當(dāng)?shù)膬?yōu)化來合理確定。

3.2 未來電網(wǎng)的運(yùn)行模式—以直流輸配電為主的模式

3.2.1 未來輸配網(wǎng)—需要直流運(yùn)行模式

眾所周知，與交流輸電相比，直流輸電有多方面的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)為:1、直流輸電不存在交流輸電固有的穩(wěn)定問題，輸送距離和功率也不受電力系統(tǒng)同步運(yùn)行穩(wěn)定性的限制;2、直流線路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)沒有電容電流，沒有電抗壓降，沿線電壓分布較平穩(wěn)，線路本身無需無功補(bǔ)償;3、直流輸電線的功率和電流的調(diào)節(jié)控制比較容易并且迅速，可以實(shí)現(xiàn)各種調(diào)節(jié)和控制;4、當(dāng)輸送相同功率時(shí)，直流線路造價(jià)低，架空線路桿塔結(jié)構(gòu)較簡單，線路走廊窄，同絕緣水平的電纜可以運(yùn)行于較高的電壓;5、直流輸電線路聯(lián)系的交流系統(tǒng)不需要同步運(yùn)行，因此可用以實(shí)現(xiàn)不同交流系統(tǒng)之間的非同步聯(lián)系;6、此外，直流輸電還具有網(wǎng)絡(luò)損耗小、對(duì)通信干擾小等優(yōu)點(diǎn)。所以，直流輸電越來越得到了廣泛的重視，并已經(jīng)在電力系統(tǒng)中得到了多方面的應(yīng)用。

由于未來輸電網(wǎng)輸送的電力將大大高于現(xiàn)代電網(wǎng)，采用直流輸電，不僅可以提高輸送容量，而且可以免除因交流而造成的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，從而有助于提高輸電網(wǎng)的安全可靠性。隨著高壓大功率電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步、價(jià)格下降、可靠性提高，換流站可用率的提高，直流輸電技術(shù)必將在未來電網(wǎng)中發(fā)揮更加重要的作用。當(dāng)前，研制高壓直流斷路器、研究多端直流系統(tǒng)的運(yùn)行特性和控制、發(fā)展多端直流系統(tǒng)，已經(jīng)受到日益廣泛的關(guān)注。因此，可以預(yù)見，采用直流輸電構(gòu)建以直流為主導(dǎo)的未來輸電網(wǎng)，將是非常合理的選擇。

3.2.2 未來配電網(wǎng)—需要直流供電模式

當(dāng)前，我國電網(wǎng)中的負(fù)荷結(jié)構(gòu)比例大約為:電動(dòng)機(jī)占65%、照明約15%、信息設(shè)備約10%、其它(主要是電化學(xué)、電鍍電解和加熱設(shè)備）約10%。這些負(fù)荷中，雖然信息設(shè)備、電化學(xué)、電鍍電解、少量的電動(dòng)機(jī)和照明需要直流供電，但因?yàn)槟壳暗呐潆娋W(wǎng)是交流電網(wǎng)，往往采用整流的方法獲得直流電源。

隨著能源結(jié)構(gòu)的重大調(diào)整以及信息技術(shù)、新材料技術(shù)等的不斷發(fā)展，未來電網(wǎng)中的負(fù)荷對(duì)電源的需求也會(huì)發(fā)生很大的變化，對(duì)直流將提出越來越多的要求。首先，電動(dòng)汽車將成為未來的主要負(fù)荷之一。如前所述，到2050年，我國電動(dòng)汽車充電負(fù)荷將達(dá)到約5億千瓦，而電動(dòng)汽車充電負(fù)荷需要直流供電;第二，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和滲透，信息設(shè)備(如計(jì)算機(jī)與微處理器、通訊系統(tǒng)設(shè)備、智能終端、傳感器與傳感器網(wǎng)絡(luò)等）將需要消耗更多的電力，信息設(shè)備也需要直流供電;第三，隨著半導(dǎo)體照明技術(shù)的不斷發(fā)展，可以預(yù)見，未來的照明系統(tǒng)將幾乎全部采用LED照明，LED照明也是直流負(fù)載;第四，隨著電力電子裝置的價(jià)格越來越低，未來的電動(dòng)機(jī)將會(huì)越來越多地由各種各樣的電力電子變流器來驅(qū)動(dòng)。目前，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電力電子裝置一般采用交-直-交的功率變換模式，即先將交流電變換成直流，再將直流電變換成頻率和幅值可變的交流電驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而獲得更佳的驅(qū)動(dòng)性能和更高的電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率?？梢?，未來電網(wǎng)如采用直流供電，不但可以省去交流到直流的變換環(huán)節(jié)和裝置，降低電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的造價(jià)，而且還可以進(jìn)一步提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體效率。采用直流供電，電機(jī)系統(tǒng)的制動(dòng)能量可以不經(jīng)任何變換直接回饋到直流電網(wǎng)得到利用，從而可發(fā)揮更大的節(jié)電效益。此外，采用直流供電的電機(jī)系統(tǒng)，電機(jī)從直流電網(wǎng)吸收和回饋的只是有功功率，將不會(huì)象交流供電時(shí)會(huì)出現(xiàn)額外的無功功率等問題，從而可以進(jìn)一步降低供電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)損耗，提高供電效率。因此，電動(dòng)機(jī)負(fù)載將來也將越來越多對(duì)直流供電提出需求。

由此可見，未來配電網(wǎng)中的直流負(fù)荷將占越來越大的比重。特別是，在辦公區(qū)、住宅區(qū)和學(xué)校等非工業(yè)負(fù)荷區(qū)，直流負(fù)荷將占主導(dǎo)地位。負(fù)荷對(duì)電源需求的變化，使得發(fā)展直流配電技術(shù)將成為必然的要求。因此，未來配電網(wǎng)也將逐步向以直流為主的方向發(fā)展。

3.2.3 分布式電網(wǎng)—直流模式具有顯著優(yōu)勢(shì)

對(duì)待敷衍搪塞的采訪對(duì)象，不妨大小合適地扣一扣帽子，一市黨報(bào)，總不至于該拿熱臉去貼誰的冷屁股。剛干記者那會(huì)遲恒吃過顧慮拘謹(jǐn)?shù)奶潱伊锪锏鼗夭坷锔嬖V主任，主任不悅，打電話給市某局長，有反映你們局“五創(chuàng)提質(zhì)”太弄虛作假，你們是不是來報(bào)社說一下情況。他起身吩咐遲恒守著，人來了就說我在樓上有事，讓他等。局長來了，也能耐著性子等。這課上得生動(dòng)活潑，遲恒受益匪淺，后來在采訪調(diào)查幾個(gè)單位的問題時(shí)，有單位領(lǐng)導(dǎo)出面遮掩，很客氣地說某事要向遲記者匯報(bào)，遲恒就整個(gè)兒悟出他這個(gè)遲記者完全可以無級(jí)勝有級(jí)，練了段時(shí)間，膽兒粗了，脾氣長了，現(xiàn)在基本上能隨需要調(diào)整態(tài)度。

可再生能源是一種分散資源，用戶就地利用這種分散資源是未來能源體系的重要形式之一。因此，底層用戶將不僅從“云電力”中獲取電力，也會(huì)自身生產(chǎn)電力來滿足需求，在生產(chǎn)多于自身需求或電網(wǎng)有需求時(shí)，還可以向電網(wǎng)輸出電力。由此可見，未來底層用戶的電網(wǎng)將是其自身的配電網(wǎng)與分布式發(fā)電高度融合的分布式電網(wǎng)。由于非工業(yè)用戶對(duì)電力的需求量相對(duì)較低，分布式電網(wǎng)在非工業(yè)用戶中將具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

在分布式電網(wǎng)中，太陽能光伏發(fā)電將得到最為普遍的應(yīng)用，而光伏發(fā)電產(chǎn)生的電力為直流。同時(shí)，為了極大地提高供電可靠性和電力質(zhì)量，采用分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)將是一種必然的選擇，而大多數(shù)儲(chǔ)能系統(tǒng)在儲(chǔ)存電力時(shí)需要直流供電?？紤]到未來配電網(wǎng)向直流為主方向發(fā)展的趨勢(shì)，且非工業(yè)用戶對(duì)直流需求所占比重將達(dá)到非常高的比例，因而分布式電網(wǎng)采用直流模式也具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，我們認(rèn)為，未來的輸配電網(wǎng)和分布式電網(wǎng)將逐步向以直流為主的運(yùn)行模式方向發(fā)展。

4 關(guān)鍵技術(shù)體系

應(yīng)對(duì)未來電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)的重大變革，實(shí)現(xiàn)從交流為主的運(yùn)行模式向直流為主的模式轉(zhuǎn)變，需要一系列關(guān)鍵技術(shù)作為支撐。主要包括以下內(nèi)容:

1）高性能電力電子器件與關(guān)鍵裝備:新型高壓大功率電力電子器件、直流柔性輸配電裝備、電力電子開關(guān)、DC-DC電力電子變壓器、雙向功率交換控制裝備等;

2）高壓直流線路關(guān)鍵裝備:包括高壓直流斷路器、高壓直流限流器;

3）超導(dǎo)輸電技術(shù)［11］:用于構(gòu)造超級(jí)母線、受電端環(huán)網(wǎng)和LVPP聯(lián)絡(luò)線等，主要包括高溫超導(dǎo)材料、低溫技術(shù)、制冷技術(shù)、直流超導(dǎo)輸電電纜、超導(dǎo)限流裝置等;

4）傳感器與傳感器網(wǎng)絡(luò):氣象傳感器、電力傳感器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò);

5）廣域海量數(shù)據(jù)同步傳輸:廣域氣象數(shù)據(jù)同步傳輸、大電網(wǎng)海量數(shù)據(jù)同步傳輸;

6）廣域可再生能源資源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與超短期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù):超短期氣象預(yù)報(bào)技術(shù)、超短期資源預(yù)測(cè)與評(píng)估等;

7）大電網(wǎng)的實(shí)時(shí)仿真技術(shù):用于大電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)、大電網(wǎng)建模技術(shù);

8）全電網(wǎng)協(xié)調(diào)調(diào)度與控制技術(shù):輸電線路潮流控制、電動(dòng)汽車充電站響應(yīng)、用戶需求響應(yīng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)、發(fā)電廠響應(yīng)等;

9）虛擬發(fā)電廠技術(shù):大型風(fēng)電場的統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制技術(shù)、區(qū)域多能互補(bǔ)的大型虛擬發(fā)電廠技術(shù)、廣域超級(jí)虛擬發(fā)電廠技術(shù)、基于分布式電網(wǎng)的虛擬發(fā)電廠技術(shù)等;

10）電動(dòng)汽車動(dòng)力電池技術(shù):鋰離子電池技術(shù)、燃料電池技術(shù)、集中式充電站技術(shù)等;

11）分布式電網(wǎng)技術(shù):網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)技術(shù)、能量管理與并網(wǎng)控制技術(shù)、故障定位與自愈技術(shù)、分布式儲(chǔ)能技術(shù)如超級(jí)電容器、飛輪儲(chǔ)能、電池儲(chǔ)能等。

5 我國發(fā)展未來電網(wǎng)的幾點(diǎn)建議

由于我國具有地域廣闊、可再生能源資源豐富、不同地區(qū)的主導(dǎo)能源資源各不相同、能源資源與負(fù)荷資源的時(shí)空分布不匹配等特點(diǎn)，因而要結(jié)合實(shí)際情況，發(fā)展與我國未來能源體系相適應(yīng)的未來電網(wǎng)。針對(duì)我國的具體情況，提出以下幾點(diǎn)建議:

1）全面系統(tǒng)地把握未來能源資源和負(fù)荷資源的時(shí)空分布:對(duì)我國可利用的能源資源做進(jìn)一步的系統(tǒng)評(píng)估，全面系統(tǒng)地掌握資源的時(shí)空分布情況，并加強(qiáng)對(duì)未來負(fù)荷發(fā)展需求及負(fù)荷時(shí)空分布演化的預(yù)測(cè)研究。

2）基于以上研究，對(duì)我國從現(xiàn)代電網(wǎng)向未來電網(wǎng)演化的全過程做出系統(tǒng)性的評(píng)估與預(yù)測(cè)。在此基礎(chǔ)上，加強(qiáng)電網(wǎng)發(fā)展總體規(guī)劃設(shè)計(jì)研究并制定工程實(shí)施路線圖。

3）加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新，為未來電網(wǎng)的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。特別是要重視直流輸配電技術(shù)與裝備、現(xiàn)代信息技術(shù)、新材料技術(shù)(如超導(dǎo)）、新的電力電子器件及裝備、高性能電動(dòng)汽車動(dòng)力電池與分布式儲(chǔ)能技術(shù)、分布式電網(wǎng)技術(shù)等的研究開發(fā)與應(yīng)用示范。

4）加強(qiáng)體制機(jī)制的創(chuàng)新研究:未來電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式的變革，同時(shí)意味電力工業(yè)體制機(jī)制的變革。為適應(yīng)這一變革，需要在管理模式、運(yùn)營模式和利益機(jī)制等方面做出改革。

6 總結(jié)

一次能源以可再生能源為主、終端能源以電力為主的新能源變革，需要發(fā)展與之相適應(yīng)的未來電網(wǎng)。基于未來能源資源的特點(diǎn)、交流電網(wǎng)的穩(wěn)定性問題以及未來用戶對(duì)直流供電需求的發(fā)展態(tài)勢(shì)，我們認(rèn)為未來應(yīng)該發(fā)展以直流為主的輸配電網(wǎng)和分布式電網(wǎng)。為了解決可再生能源間歇性和不穩(wěn)定性等對(duì)能源供應(yīng)帶來的問題，應(yīng)充分利用廣域范圍內(nèi)各種能源資源的互補(bǔ)性，通過MP-MC(多電源對(duì)多受電端）為主的輸電模式，采用雙向功率交換控制裝置(DPEC），構(gòu)建涵蓋廣域范圍內(nèi)的“超級(jí)虛擬發(fā)電廠”(WASVPP），使用戶從 WASVPP產(chǎn)生的“云電力”(Cloud Powering）中來獲取穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)。建議我國根據(jù)國情，做好能源資源和負(fù)荷資源的時(shí)空分布調(diào)查與評(píng)估，加強(qiáng)未來電網(wǎng)的頂層設(shè)計(jì)、演化過程與實(shí)施路線圖研究，并在關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新與體制機(jī)制創(chuàng)新方面提前做好鋪墊，為迎接未來能源和電網(wǎng)的重大變革奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

致謝:本文在寫作過程中，得到了同事李耀華研究員、許洪華研究員、齊智平研究員和研究生劉怡、徐銘銘的熱心幫助，在此向他們表示衷心的感謝和崇高的敬意!

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Investigations on architecture and operation pattern of future power grid

XIAO Liye，LIN Liang-zhen
(Key Laboratory of Applied Superconductivity，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China;Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

The new energy revolution，of which the primary energy will be based on renewable energy and the terminal energy will be based on electric power，will need to develop a corresponding future power grid.Based on the characteristics of future energy resources，the stability requirements of the power grid，and the future demand of power consumers for the DC power supply，a DC-based power grid which includes transmission system，distribution system and distributed network should be developed.In order to solve energy supply problems caused by the intermittent and non-stability from the renewable energy，one should make full use of the complementarities of future energy resources distributed in the wide area through the MP-MC transmission mode(Multiple Powers to Multiple Consumers），building a“wide-area super virtual power plants”(WASVPP）which covers all the major power plants in a wide range，and allowing the consumers get stable and reliable supply of electricity from the“Cloud Powering”created by WASVPP.

renewable energy;DC power grid;distributed power grid;charging station for electric vehicles;superconducting power transmission cable;complementarities of the energy resources;virtual power plant;cloud powering

TM7

A

1003-3076(2011）01-0056-08

2010-12-01

肖立業(yè) (1966-），男，湖南籍，所長，研究員，博士，研究方向?yàn)殡姽だ碚撆c新技術(shù);

林良真 (1935-），男，浙江籍，研究員，研究方向?yàn)殡姽だ碚撆c新技術(shù)。