我国能源生产和消费面临转型,构建新一代电力系统是实现这一重大转变的关键步骤。新一代电力系统是其发展历程的第三代,大幅提高非化石能源电力占比,形成非化石能源为主的电源结构是其重要标志,在智能电网发展的基础上构建更加智能化和多能互补的能源互联网是其发展方向。根据当前及未来电力系统发展面临的主要问题和关键因素分析,提出了新一代电力系统的主要技术特征：适应高比例可再生能源接入、具有高比例电力电子装备、支撑多能互补综合能源网,以及与信息通信技术进一步深度融合。高效低成本太阳能风能发电技术、高效低成本长寿命储能技术、高可靠性低损耗电力电子技术、高强度低成本绝缘技术和超导输电技术,以及新一代人工智能技术等几类技术整体突破将对新一代电力系统的未来发展具有决定性影响。上述技术特征内涵和核心技术问题的分析,有助于进一步探讨新一代电力系统研究和发展的方向。

0、引言

进入21世纪以来,随着我国经济的迅速发展和能源需求的大幅增长,能源发展面临资源和环境的巨大挑战。新形势下,习近平主席于2014年6月提出推动能源消费革命、能源供给革命、能源技术革命和全方位加强国际合作的重大战略思想;在中共十九大报告中进一步提出推进能源生产和消费革命,构建清洁低碳、安全高效能源体系,为我国能源发展改革指明了方向。出于环境保护和可持续发展的要求,在世界范围内与能源生产、消费密切相关的温室气体排放也受到高度关注。2016年9月3日全国人大常委会批准我国加入《巴黎气候变化协定》,在该协定框架之下,我国提出了有雄心、有力度的国家自主贡献4大目标：1)到2030年中国单位GDP的二氧化碳排放,要比2005年下降60%到65%;2)到2030年非化石能源在一次能源消费中的比重要提升到20%左右;3)到2030年左右,中国二氧化碳排放达到峰值,并且争取早日达到峰值;4)增加森林蓄积量和增加碳汇,到2030年中国的森林蓄积量要比2005年增加45亿m3[1]。这4大目标既是我国对世界的承诺,也是我国实现能源生产和消费转型的重要依据。其中非化石能源(主要包括水电、风电、太阳能发电等可再生能源以及核能等)在一次能源消费中比重是能源转型的核心指标。

根据上述情况,我国能源革命的主要目标将是以可再生能源逐步替代化石能源,实现可再生能源等清洁能源在一次能源生产和消费中占更大份额,推动能源转型,建设清洁低碳、安全高效的新一代能源系统。由于电力系统与可再生能源的生产、输送和消费密切相关,电力系统在保证能源转型核心指标的实现方面具有关键作用,因此,必须在技术发展和创新的基础上,大力推动电力系统转型,建设作为新一代能源系统核心的新一代电力系统。

本文从能源革命的战略角度出发,根据我国能源转型中能源电力及其技术发展的总体趋势,探讨了我国能源转型和转型中新一代电力系统的技术特征。1)探讨了能源转型对能源革命的重要意义及其内涵;2)指出电力能源结构演化对能源转型具有重要意义;3)从高比例可再生能源电力系统、高比例电力电子装备电力系统、多能互补的综合能源电力系统、信息物理融合的智能电力系统与能源互联网,以及几类技术整体突破的潜在决定性影响等角度分析了新一代电力系统的主要技术特征。

1、实现能源转型是我国能源革命的关键

国家发展改革委和国家能源局2016年12月29日发布的《能源生产和消费革命战略(2016—2030)》(以下简称《战略》)提出了我国能源革命中长期的战略目标。其中,明确提出：1)到2020年,我国能源消费总量控制在50亿吨标准煤以内,非化石能源占比达到15%,天然气占比力争达到10%;2)2021到2030年,实现能源年消费总量控制在60亿吨标准煤以内,非化石能源占比达到20%左右,天然气占比达到15%左右,非化石能源发电量占全部发电量的比重力争达到50%;3)2050年,实现能源消费总量基本稳定,非化石能源超过一半。

可见,非化石能源在一次能源消费中占比的不断提升,以及随之带来的能源转型,是我国能源革命的关键。与此相应,《战略》提出2030年非化石能源发电量占全部发电量的比重力争达到50%,也是我国电力系统未来发展的重要指标,是构建我国新一代电力系统必须考虑的基本要求。

基于我国能源发展的战略目标,综合相关研究成果[2-12],能源转型中我国一次能源消费结构演化趋势的一种可能情景如图1所示。

其中,2050年,50%的一次能源消费将是非化石能源,预计2030年后石油消费会逐年递减,而天然气消费将逐年增加,但石油和和天然气之和占能源消耗比重较为稳定,大体维持在30%左右,因此在2050年一次能源消费对煤炭的需求将会在20%左右。

2、能源转型与电力能源结构演化

非化石能源在一次能源消费中占比是我国能源转型的核心指标。电力属于二次能源,其来源与一次能源消费密切相关。2015年我国非化石能源电量为1.5万亿kW•h,采用供电煤耗法计算,取当年火电平均供电标准煤耗315g/(kW•h),折合一次能源4.725亿tce(吨标准煤),占全年一次能源消费总量43亿tce的11%;与全国当年非化石能源消费占一次能源消费的比例12%相差1个百分点。2016年我国非化石能源电量为1.7万亿kW•h,当年火电平均供电标准煤耗312g/(kW•h),折合一次能源5.304亿tce,占全年一次能源消费总量43.6亿tce的12.3%;与全国当年非化石能源消费占一次能源消费的比例13.3%也是相差一个百分点。可见,通过接近90%的非化石能源转化为电能,使一次能源消费中非化石能源的消费主要来自电力,有力推动了我国非化石能源生产和消费的发展,为国家能源战略转型提供了最大的助力。因此,大幅提高非化石能源电力占比,形成非化石能源为主的电源结构,是实现能源转型的主要支撑,也是电力系统转型、建设新一代电力系统的重要标志。

基于国家能源发展战略目标的中长期能源电力发展估算模型如图2所示。模型基于2020—2050年各水平年全国一次能源消费总量、非化石能源在一次能源消费中占比等国家能源转型的战略目标,以及预测的全国人口数量、人均年用电量,水电及核电开发总量等经济社会发展目标,各类发电设备的年运行小时、火电单位供电煤耗等技术参数的演化数据,计算各水平年水能、核能、太阳能、风能、生物质能等非化石能源发电以及煤炭、天然气等化石能源发电的装机容量和年电量发展需求。

根据该模型对我国2020年至2050年发电装机容量和发电量进行估算。其中,2020年按一次能源消费总量50亿tce、非化石能源占比15%、总发电量为7万亿kW•h考虑,可得煤电装机占56%,发电量占62%,可见到2020年我国煤电依然是基础性的能源;2030年按一次能源消费总量是58亿tce、非化石能源占比22%考虑,可得非化石能源发电装机占比57.82%,年发电量占比49.23%,此时非化石能源电力将成为我国的主要电力能源。相关结果见图3所示。

2035和2050年按照非化石能源占比分别为27.5%和50%考虑,在一次能源消费总量于2030— 2035年达到峰值58亿tce后趋于稳定并略为下降的预期下,设定2050年为55亿tce(见图1)。估算结果表明,到2035年非化石能源电力装机占比65.11%,年发电量占比55.72%。到2050年非化石能源电力装机占比84.23%,年发电量占比78.16%,其中非水可再生能源(风能、太阳能、生物质能等)的电力装机占比71.75%,年发电量占比53.35%,可再生能源已成为我国电力的主力能源,如图4所示。其中2050年我国发电装机和发电量估算方案设定数据如表1所示。

根据上述模型的估算结果,可以得到2010年至2050年我国电力年发电量结构变化趋势,如图5所示。

图5所示结果为设定非化石能源消费总量全部转化为一次电力(水电、核电、非水可再生能源发电)的情景。若在保持其他条件不变的情况下,考虑非化石能源总量转化为电力的比例由100%到70%之间变化,则我国2050年非化石能源总量转化为电的比例与装机预估容量情况如图6所示。

根据上述初步预测,消纳不断增加的可再生能源将会是我国新一代电力系统的主要建设目标。由于可再生能源在装机形式、系统运行,以及能源消费等方面较之传统化石能源都有不同的特点,因此势必会使电网的基本结构、调控运行,以及安全防护等方面发生新的深刻变化。

3 新一代电力系统的主要技术特征

电力系统的发展可以分为三代,第一代电力系统的特点是小机组、低电压、小电网,是初级阶段的电网发展模式。第二代电力系统的特点是大机组、超高压、大电网。优势在于大机组、大电网的规模经济性、大范围的资源优化配置能力,以及开展电力市场的潜力。缺点是高度依赖化石能源,是不可持续的发展模式。第三代电力系统的特点是基于可再生能源和清洁能源、骨干电网与分布式电源结合、主干电网与局域网和微网结合,是可持续的综合能源电力发展模式[13-21]。

第三代电力系统即新一代电力系统,是百年来第一、二代电力系统的传承和发展。从第一代电力系统到第三代电力系统发展的内在动力是电能供需的变化,对于第三代电力系统而言,其主要驱动力是电源结构的变化。这种变化是伴随着能源转型发生的,原因在于化石能源的有限资源、环境保护的要求日益严格,以及在信息通信技术(information communication technology,ICT)高速发展的推动下,对系统运行和用户服务自动化、智能化水平的更高要求。因此,大规模利用清洁能源和智能化将是未来新一代电力系统的主要发展方向。

近十年来电力系统的发展,特别是风电、太阳能光伏发电的快速发展,西电东送特高压直流输电的大规模建设,用户端分布式能源多能互补综合能源和能源互联网的兴起,新一代电力系统的技术特征更加显现：电力系统中高比例可再生能源,高比例电力电子装备,多能互补综合能源,物理信息深度融合的智能电网和能源互联网,是新一代电力系统的主要技术特征。

3.1 高比例可再生能源电力系统

到2016年底,我国大陆并网风电装机达到1.4846亿kW,太阳能发电装机达到7742万kW。新能源装机容量占我国大陆总装机容量13.7%,其中西部、北部省份风电装机占大陆开发总量的80%,太阳能光伏占50%,主要采取集中开发模式;而分布式太阳能光伏正在我国东部兴起。2016年底,我国新能源装机主要省份风电加光伏装机占 比[22]如图7所示。

目前,我国电网可再生能源的高渗透率主要体现在西部和北部地区。以甘肃为例,截至2016年底,全省光伏和风电装机与全省总装机之比达到41%,是一个很典型的高渗透率电网。

面对大量新能源的集中接入,首先要解决的技术问题是大规模风电和太阳能发电接入弱电网的问题。特别是在西北部,尽管有750kV交流输电和诸多直流输电通道,这些地区的电网依然是比较薄弱的,新能源发电消纳问题比较突出。具体来说,一是大规模风电太阳能波动性电力接入弱电网系统的稳定运行问题。通过可再生能源机组、电站和电站群的协调控制及与电网控制相配合,解决可再生能源发电功率波动造成的电压、频率波动和电能质量问题。二是风电太阳能发电波动性、间歇性和不确定性的系统调峰调频,以及弃风弃光问题。

我国2016年弃风总量达到497亿kW•h,弃风率20%,其中甘肃弃风率高达43%,新疆弃风率也达到38%;2017年我国弃风电量比2016年同比减少78亿kW•h,但总量依然高达419亿kW•h[23]。

根据我国电网的实际情况,目前对于弃风弃光可考虑的技术措施主要包括：1)灵活电源和储能调节,例如三北地区燃煤发电比例达到65%~90%,而灵活电源(如抽水蓄能)比例仅有0.5%~1.2%,为了应对弃风弃光,需要对煤电进行灵活性改造并建设蓄能电站;2)因地制宜就地消纳,包括高载能产业布局、区域供热、余电制氢和甲烷等;3)电网互联风光水多能互补;4)太阳能热发电;5)输电通道建设[24-28]。

除了上述措施外,随着电网和电力技术的发展还可以探索新的途径以降低弃风和弃光率。

3.2 高比例电力电子装备电力系统

新一代电力系统中将会有大量的电力电子设备,其中最重要的是近年来高速发展的直流输电系统。2016年末,我国有29项直流输电工程运行,其中包括7项特高压直流、4项背靠背直流、4项柔性直流(VSC-HVDC)。2017年还建成了锡盟至泰州、酒泉至湖南、晋北至南京、扎鲁特至青州等特高压直流工程,具体情况如图8所示。

其中,华东和华南作为我国两大负荷集中区也是直流输电工程建设的重点,截止2017年末,各有10条直流输电落点在这两个区域,相应的系统运行技术问题如：多直流馈入受端电网的动态无功支撑应对多馈入直流相失败,交直流混合系统送受端系统稳定协调控制等新问题需要研究解决。

此外,随着未来西部可再生能源开发力度的加大和西电东送需求的增加,在我国西部通过水电、风电、光伏、具备灵活调节能力的清洁煤电等各种能源跨地区、跨流域的优化补偿调节,进一步整合以可再生能源为主的清洁电力,实现向中东部负荷中心高效远距离输送的目标。为此本文作者之前提出的在现有西电东送单项直流输电工程的基础上建设直流输电网,形成以西部源端直流输电网为基础向中东部负荷中心输电的主干输电网模式的设想[4]有可能成为现实。

2017年末开始建设的张北至北京4端柔性直流(VSC-HVDC)电网试验示范工程(如图9所示),将为我国未来的直流电网建设积累经验。

另一方面,伴随可再生能源的发展,大量风电光伏电力电子变换器接入电网,例如直驱式风电机组变流器、光伏电站和分布式光伏逆变器、非水储能电站和分布式储能逆变器等。除了集中式接入的大型风电光伏外,还有越来越多的小容量、分布式风电光伏系统投运。目前,由于西部集中式风电光伏受到弃风、弃光的影响,发展暂时遇到障碍;分布式风电和光伏在中东部地区得到较大发展;正在推行的光伏扶贫政策,也大大增加了接入电力系统的电力电子设备数量。

随着大量不同类型、不同电压等级的电力电子设备接入电网,我国电力系统电力电子化的趋势逐步显现,给系统运行安全、系统分析控制、仿真建模计算等方面也带来诸多挑战[29-33],主要包括：

1)防止直流输电受端故障闭锁引起交直流输电系统大范围功率转移、连锁故障。例如,若华东电网发生事故造成多回直流闭锁,大量的功率将会经由交流特高压线路发生转移,造成整个系统送受端大范围功率电压波动,对系统安全稳定运行造成巨大威胁(如图10所示的仿真波形)。

2)受端多馈入直流换相失败再启动引起的电压稳定问题。受端多个直流换流站同时换相失败后的再起动过程中,受端换流器将从电力系统吸收大量无功功率,有可能引发受端系统电压长时间不能恢复正常,甚至电压崩溃(如图11所示的仿真波形)。

3)系统惯性减小造成频率波动和频率稳定问题。这主要是由于大量直流换流器接入系统代替了传统交流发电机,导致整个系统惯性减小;一旦系统有功率波动,其电压和频率的波动速度将会加

快、范围也会变大。虽然目前已研究采用精准切负荷、使用调相机等方法,但这一问题对调度运行的威胁依然存在。如2015年,一回馈入华东电网的特高压直流双极闭锁,瞬时损失功率5400MW,系统频率快速跌至49.56Hz,近10年来首次跌破49.8Hz,频率越限长达数百秒,实测曲线如图12所示。

4)随着风电等接入系统电力电子设备的增加,电力电子设备之间、电力电子设备与交流电网之间相互作用引发1kHz的宽频振荡。如2015年7月我国西北电网风电场逆变器与发电厂轴系相互作用产生次同步谐振事故,线路电流中次同步分量的频率变化范围为17~23Hz。同时,电流中还能检测到77~83Hz的超同步频率分量(如图13所示的事故前电网接线)。

由于电力电子设备激发的次同步振荡或高频振荡的分析、仿真和控制将成为非常重要的问题。

上述问题给现有的电网仿真和系统分析带来了新的挑战,未来更多、更复杂的电力电子装备大规模接入电网将会使系统特性更难掌控。因此,需要在系统特性研究、建模仿真技术,以及控制措施等方面开展更多的工作,确保我国交直流混联大电网的安全稳定运行。

3.3 多能互补的综合能源电力系统

新一代电力系统伴随我国能源转型而产生,将不再是孤立的电力生产和消费系统,而是新一代能源系统的主要组成部分,是新形势下智能电网概念向综合能源系统的扩展。根据我国综合能源利用的实际情况,可以分为两种类型[34-38]：

1)源端基地综合能源电力系统。我国西部地区各类可再生能源丰富,未来发电装机潜力巨大,但是受限于输电走廊和技术因素,西电东送的能力很难超过6亿kW,大量的电能除尽可能多地就地消纳外,还必须转化为其他形式的能源便于储存和运输。因此,需要在我国西北部建立源端综合能源电力系统,实现水电、风电、太阳能发电、清洁煤电等能源基地和储能通过直流输电网实现多能互补向中东部输电;电力通过供热制冷、产业耗电等多种途径就地消纳;电解制氢、制甲烷等就地利用或通过天然气管道东送。

2)终端消费综合能源电力系统。此类系统主要存在于我国东部地区,建设目标是提高能源利用效率、降低能源消耗总量。目前我国能源电力生产主要通过热发电,相应的效率只有30%~40%,因此有必要建立综合能源电力系统,提高能源综合利用效率。该系统主要包括基于各类清洁能源满足用户多元需求的区域综合能源系统;主动配电网架构下直接面向各类用户的分布式能源加各类储能和清洁能源微电网。其中基于天然气和清洁电力的分布式冷热电联产系统如图14所示,面向用户的综合能源系统架构如图15所示。

3.4 物理信息深度融合的智能电力系统和能源互联网

随着ICT的进步,各类能源系统与互联网技术正在逐步融合进而形成能源互联网[15,39],使得能源与信息间的联系和互动达到前所未有的新高度。如果用互联网思维审视传统电力系统,可以看出后者中各类集中和分散布局的电源通过大规模互联的输配电网络连接千家万户,具有天然的网络化基本特征。事实上,传统电力系统终端用户用电早已实现“即插即用”,电力用户不需要知道它所用的电是哪个电厂发出的,只需根据需要从网上取电,具有典型的开放和共享的互联网特征。另一方面,从互联网思维看传统电力系统,后者还是缺乏灵活调节和储能资源,不适应高比例集中和分布式可再生能源电力的接入,不具备多种能源相互转化的功能,不支持多种一次和二次能源相互转化和互补,综合能源利用效率和可再生能源利用程度提高受到限制。传统电力系统的集中统一的管理、调度、控制系统不适应大量分布式发电,以及发电用电、用能高效一体化系统接入的发展趋势。

在智能电网发展的基础上,物理信息深度融合的智能电力系统与多种能源生产和消费网络如交通网、热力网、燃料网等广泛互联(如图16所示),所形成的能源互联网具有如下3个层次的涵义：

1)以电力系统为核心和纽带,多种能源互联互通的能源网络。通过多能协同互补,满足终端用户多种能源需求,大幅提高能源综合利用效率。

2)能源系统与互联网技术深度融合的信息物理系统。以互联思维和技术改造传统电力系统,广泛应用物联网、大数据、云计算,大幅提升能源电力系统的灵活性、适应性、智能化和运营管理水平,大幅提高接收波动性可再生能源的能力,助力能源转型。

3)以用户为中心的能源电力运营商业模式和服务业态。向用户提供便捷互动的能源、电力、信息综合服务,在满足各种用能需求的同时,为用户创造更多的价值,助力能源市场化和相关产业发展。

因此,促进传统电力系统与信息互联网进一步广泛融合,以互联网思维和技术改造传统电力系统,建设能源互联网,是构建新一代能源系统的关键步骤,也是新一代电力系统的发展方向。事实上,新一代电力系统是新一代能源系统的核心,能源互联网的理念目标和系统架构与新一代能源系统高度契合,能源互联网服务以电力为核心载体,智能电网提供主要基础平台从而可以最大限度地满足消费者的需求。

3.5 技术突破的决定性影响

电力系统的发展与相关技术的进步密不可分,对于新一代电力系统而言,以下方面的技术发展可能对电力系统产生颠覆性影响[40-54]。

1)高效低成本太阳能、风能发电和电网友好技术。此类技术的大规模开发应用,将颠覆传统发电方式,告别化石能源主导电力生产的时代,实现能源生产和消费革命。事实上,自2000年以来随着相关技术的发展,大型地面光伏全生命周期平准化度电成本(levelized cost of energy,LCOE)已下降了85%,同时根据美国能源部(DOE)预计,光伏发电成本2030年前将降至3美分/(kW•h)。由于同火电、水电、核电机组相比,新能源建设周期短,50MW风电项目建设周期约为几个月,MW级光伏电站建设周期不到半年,因此在成本大幅降低的情况下,新能源装机占比将可迅速提高。

2)高效低成本长寿命储能技术。此类技术的规模化广泛应用,将颠覆传统电力系统运行方式,开启全新的电力生产分配新模式,为未来实现高比例乃至100%可再生能源的新一代电力系统奠定基础。2015年磷酸铁锂电池成本价约3000元/(kW•h),2020年预计达到1000元/(kW•h);2016年锂离子电池储能的综合成本接近0.65元/(kW•h),预计2030年达到0.12元/(kW•h),储能系统成本的显著下降将解决新能源发电波动问题。此外,预计到2030年,以锂空气电池为代表的超高比能电池,比能量有望达到8~10kW•h/kg(汽油热值5.94kW•h/kg),此类 超高比能储能技术将有望改变电网发/输/配/用电的形态。

3)高可靠性低损耗电力电子技术。此类技术的推广应用,将逐步取代传统交流输电主导的输配电网,形成直流输配电网和交直流混合输配电网新模式。一方面,SiC和GaN等宽禁带电力电子器件的发展,将推动高压直流输电和直流电网具有更大容量、更高效率和更高可靠性,以其为基础的高压直流断路器也是直流电网的主要组成部分;另一方面,采用新型电力电子元件的交流FACTS装置和交直流能量路由器直接接入电网,具有更高功率体积比和更低损耗,适用于构建直流配电网或作为微电网功率转换装置,将给中低压主动配网和微电网带来革命性变化。

4)高强度低成本环境友好绝缘技术和超导输电技术。此类技术的开发应用将变革传统输电线路和装备。其中,高击穿场强、高非线性、耐高低温、耐电痕化等绝缘材料技术的发展,可以提高设备长期安全性,实现电气设备小型化,显著提高电气设备的工作性能,并与环境和谐发展;超导输电则将为未来电网提供一种全新的低损耗、大容量、远距离电力传输解决方案,超导限流、超导储能等技术将显著提高电网运行的安全可靠性。

5)新一代人工智能技术。以无处不在的传感器和先进ICT技术为基础,以物联网、大数据、云计算、深度学习、区块链等为核心,人工智能技术正在迅速发展。具有应用于电力系统设备管理和系统控制、能量管理和交易等领域的潜力,可能会颠覆传统方式,开启一种全新的自动、自主新模式,有助于新一代电力系统的安全、经济和可靠性的提高。例如,未来分布式光伏、电能替代出力不确定性和电动汽车的时空不确定性将引入更多变量,传统分析方法在系统调度、交易方式、能量管理等方面将面临诸多挑战,人工智能将是解决这一类问题的有力措施。

上述这些方面技术的发展将会对未来电力系统的形态、运行调度和市场交易模式产生重大影响。当然,这些技术的发展和应用与市场需求密不可分的,必须考虑经济性,只有具备充分市场竞争力的技术和装备才能得到广泛应用和发展。

新一代电力系统的发展将会是一个长期过程,因此除了上述技术外,还可能在此期间出现新的、具有重大意义的技术方向。这就要求在构建新一代电力系统时必须充分考虑潜在的技术创新领域,保持对新技术的接纳能力并适时调整系统的相关环节。

4 结论

1)建设清洁低碳、安全高效的新一代能源系统是我国新一轮能源革命的主要目标,能源转型是实现这一目标的关键步骤。

2)电力系统由以化石能源为主向低碳可再生能源为主转型,建设作为新一代能源系统核心的新一代电力系统,将对能源转型目标的实现起关键作用。

3)高比例可再生能源、高比例电力电子装备接入电网,实现多能互补的综合能源生产和供给,在智能电网基础上支持构建能源互联网,是新一代电力系统的显著技术特征,也将带来能源转型中对电力系统的重大技术挑战,为电力系统理论和技术进步带来新的研究方向和发展机遇。

4)包括新一代人工智能在内的几类技术的突破有可能对未来能源电力系统各环节的发展形态、系统整体效率、运行控制方式和运营模式带来变革性、颠覆性影响,也是针对新一代电力系统前瞻性研究的重要方向。