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余贻鑫院士:分布式智能电网的挑战与机遇

作者:赵紫原 来源:电联新媒 发布时间:2022-10-14 浏览:

中国储能网讯:

余贻鑫 

中国工程院院士、天津大学教授。电力系统分析、规划与仿真专家。长期结合电力系统工程实际进行深入的电力系统稳定性理论研究,特别是在电力大系统安全监视、防御与控制中域的方法学方面,取得了开创性的国际先进成果,并在世界上首次把该成果用于实际电力大系统。获国家科技进步二等奖和国家发明二等奖各1项、高校十大科技成果奖1项、省部一等奖5项。在著名刊物上发表论文300余篇,出版《电力系统安全域》和《智能电网的基本理念与关键技术》等7部著作。

“发展出题目,改革做文章”,分布式智能电网成为建设新型电力系统的“题眼”。

二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和,是党中央统筹国内国际两个大局,经过深思熟虑作出的重大战略决策,事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体。近两年来,实现“双碳”目标的“1+N”政策体系通盘谋划,时间表、路线图、施工图愈发明晰,“分布式”成为诸多重磅政策的一大“公约数”,将其看作构建现代能源体系的必经之路名副其实。

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》指出,“加快发展非化石能源,坚持集中式和分布式并举,大力提升风电、光伏发电规模,加快发展东中部分布式能源”“加快电网基础设施智能化改造和智能微电网建设”;《“十四五”现代能源体系规划》提出,“推动电网主动适应大规模集中式新能源和量大面广的分布式能源发展”;国家发改委发布“十四五”循环经济发展规划,推行分布式能源及光伏储能一体化系统应用……

草蛇灰线,伏脉千里,能源结构低碳化转型加速推进、系统多元化迭代蓬勃演进、产业智能化升级进程加快、供需多极化格局深入演变,分布式智能电网登上历史舞台。上下求索,淬火成钢,一旦艰难蛰伏的分布式智能电网迎来破局,必将在这场能源革命里大展拳脚。本刊记者针对分布式智能电网发展的关键问题专访了中国工程院院士、天津大学教授余贻鑫,他认为分布式智能电网的提出恰逢其时,其像互联网一样将带来颠覆性变革,激励技术创新和新工业革命,是助力实现“双碳”目标、保障能源安全、提升新能源终端消费比例的不二良方。

“分布式智能电网像互联网一样具备颠覆性”

《中国电力企业管理》:每逢出现新能源消纳困难的情形,“分布式”便被频频提起。可喜的是,“分布式”白纸黑字写进政策里,成为诸多重磅政策的高频词。您认为,分布式如何助力实现“双碳”目标?

余贻鑫:电网的变化方兴未艾,20世纪电网发展所依据的基本原理和假设都发生了翻天覆地的变化,如果不因时而变,会对能源安全造成严重的不良后果。在气候变化、用户期望、新技术涌现、网络经济兴起、配电网中可再生能源渗透率日益增长和无处不在的通信技术共同驱动下——分布式,即能源就地开发就地消纳大势所趋、势不可挡。

从量上说,我国技术上可开发的风能和太阳能潜力巨大,无论东部还是西部,完全可以满足我国实现“双碳”目标的需要。如果利用中东部的太阳能资源发电,可提供2050年的全社会年总用电量15万亿千瓦时的1/3。以光伏为例,可利用屋顶、滩涂、山坡、废矿等就地开发模式,在同一地理空间对太阳能实现多元综合利用,包括农光、渔光、牧光互补以及建筑、交通、工业深度融合等。

从质上讲,气候的破坏性事件增加了局部韧性的紧迫性,在自然灾害和外部袭击、战争威胁等极端情况下,能源饭碗端在自己手里的重要性不言而喻。就地开发与消纳的分布式模式下,电源离用户尽可能地近,将波动性从源头加以平滑,是解决“风光”间歇性、多变性和不确定性问题的最好方式。这种模式不仅能节省电网建设费用、运行费用(过网费、网损),还可提高供电可靠性,保证电网的韧性和抵御赛博攻击。

《中国电力企业管理》:自2006年起您就在国内率先开展智能电网研究,作为该领域的奠基人,您认为“分布式智能电网”的内涵是什么?

余贻鑫:简单来说,智能电网是如同互联网一样智能的电网,是电网的第二次智能化,集成的能量与通信体系打通了现代能源产业链的“最后一公里”,将从根本上改变人们的生活和工作方式,并像互联网一样激励类似的变革。

智能电网的特点,是电力和信息的双向流动性,从而建立一个高度自动化和广泛分布的能量交换网络。任何智能电网的命脉都是用以驱动应用的数据和信息,而这些应用又反过来促使开发新的和改进的运营策略成为可能。电力系统任一领域,从电力用户、电力市场、服务提供商、运行、发电、输电和配电,所收集到的数据都可能同其他领域的改善相关。智能电网将把工业界最好的技术和理念应用于电网,以加速智能电网的实现,如开放式的体系结构、互联网协议、即插即用、共同的技术标准、非专用化和互操作性等。

分布式是智能电网最基本的特征之一。除分布式发电以外,还包括各种分布式储能、高级量测体系(AMI)、需求响应、混合电气车辆(PHEV)和插电式电动汽车(V2G) 的智能充电(包括监视与控制的执行),商业及客户服务以及应用与未来服务(如为生产型消费者买/卖功率提供/询问市场数据)等。

分布式电源将极大地改变配电网的功能:如保护和自动化、电压与无功控制、实时优化与网络重构、运行计划与风险调度以及电网规划等,并在配电网络中带来新问题与新功能:如电压稳定评估,孤岛的负荷/发电平衡,以及市场功能等。人们将面临如何处理数十万分布式电源的问题,这使得电网成为一个超复杂系统,该系统必须有足够灵活性和可靠性。实现这一目标的方法是设计一个“自愈”电网,其中包括高水平的监测和自动化。为了保证整个系统的正常运行,所有的自动化都必须依靠强大的监测、仿真和建模(数字孪生)工具。这些预测分析工具的一个关键性能是其比实时更快的分析系统的能力,向调度员提出控制措施以确保系统安全。

“建设分布式智能电网面临的挑战独一无二”

《中国电力企业管理》:当前的电网和智能电网的区别和差距主要体现在哪些方面?

余贻鑫:“风光”的间歇性、多变性和不确定性导致其很难单独运行,需要采用一些功率补偿或者平滑的措施支撑其安全并网运行——包括(初期的)火电机组灵活性改造、储能、需求响应和电动汽车,后两者既是灵活性措施,又具有不确定性。同时,当前配电网络是按单向潮流设计的,不具备有效集成大量分布式电源的技术潜能,分布式发电并网存在诸多障碍,包括电力系统应对恶意行为和自然灾害脆弱等。

因此,建设新型电力系统需要一个能接纳高比例分布式可再生能源、抗扰能力强、适应双向潮流的电力交换网络。相比之下,在智能电网中,用户通过分布式电源和需求响应能够积极参与电网优化运行。分布式智能电网具有自愈功能,可安全、可靠、有效地向用户提供高质量的电能;更加高效,少增加乃至不增加基础设施就能满足日益增长的电力消费需求;更加包容,能够容易和透明地接受各种类型的可再生能源,特别是分布式“风光”和储能;更具激励性,消费者与电力企业实时沟通,通过市场实现双赢;抗灾能力强,使系统有抵御人为攻击和自然灾害的能力等优势。

比如,未来的配电网、微网、建筑单元(大楼、工厂和住宅等)与输电系统的差异将逐步消失,具有本地发电和双向电力潮流的特点,都将配有能量管理系统(EMS)并按照“将系统分解为群集(clusters)的层次结构”和“每个集群(Cluster)都保持自己的净功率平衡和自优化”的规范管理和运行。

《中国电力企业管理》:高标准、高要求、高科技,自然也是高难度,分布式智能电网要想真正落地并非易事。从我国现实条件出发,发展分布式智能电网面临哪些重大挑战?

余贻鑫:我国所面临的挑战是独一无二的。

首先,要搞清中国能源转型的规模。显而易见的是,中国可再生能源替代化石能源的体量比世界上任何地方都多、占比更大;其次,中国是煤炭为主的能源体,且电力需求仍在继续增长,2050年全社会总用电量会比现在翻一番,约为15万亿千瓦时/年,转型需要特定技术的革新;再者,中国煤炭资源集中度特别高,这意味着转型会严重影响依赖于煤炭的地区,这些地区能源转型更加困难,许多原有劳动力岗位将难以维持,除非找到让他们能够创造与原来所创造价值相当的工作岗位,不过已有研究表明,能源完全转型所创造的工作岗位将比整体失去的工作岗位多;第四,中国现实电网灵活性资源以燃煤火电为主,但未来它会大幅度削减;处于第二位的灵活性资源是水电,而我国水电中,可支持电网的调节能力也较少,一方面是中国地貌特殊,另一方面是中国电力设计过去是专注于千瓦时低成本设计,而未重视提供能源的时间和灵活性。所以可以说,电网的创新和技术发展旨在提升灵活性。从分布式智能电网的角度看,高效、长寿命、可靠、价格合理和有较长放电持续时间的化学电池的开发是当前最迫切的任务。

简而言之,中国面临的挑战主要有三个:一是快速开发足量的低碳能源;二是避免转型对一些地区及劳动者造成不利影响;三是提升电源系统的灵活性,以平衡低碳能源的多变的输出。这不仅是分布式智能电网的发展面临的挑战,也是整个能源转型面临的问题。我们所面临的挑战是极其广泛的,涉及许多技术、体制和社会问题,电网变迁的过程必将改变整个行业的业务模型。智能电网不仅涉及到广泛的利益相关者,而且其组织、研发和实施均很复杂,需要深刻转变传统的电网理念,这其中挑战与机遇并存。

“智能电网将激励技术创新和新工业革命”

《中国电力企业管理》:您认为当前应该如何建设分布式智能电网?

余贻鑫:未来电网具有超复杂性,电网体系结构的研究至关重要,当属优先级,它是整个电网最高级别的描述,也是最顶层的模型——具有分层分区 (群)的体系结构的智能电网,可以从本质上保证供电安全。

分层分区的概念看似与当今的电力系统并无太大不同,在许多方面差异不大。但是一个关键的不同是,潮流不再只是从大型系统到用户单向流动。大电网上的大多数节点、配电系统乃至终端用户的电表都可以注入和吸收功率,并且可以在这两个模式之间平稳地切换;再加上多种规模的经济高效的储能的加入,将改变一切。具体而言,具有分层分群体系结构的电网像互联网一样智能,并且具有数学基础,特别适合将来的电网的需要。未来的智能电网的分层分群的体系结构,使电网能够在扰动发生时做出自愈的响应,在紧急状态下它能分片实现“自适应孤岛运行”,并在其后能够快速恢复全系统的正常运行,从而将停电损失减到最小。事实上,在未来电网中,每个群集都是一个坚强的局部电网,是“结构清晰、局部坚韧、快速恢复”的电网。需要指出的是,监管结构、行业结构和控制/协调结构是一致的,均需要采用分层、分群体系结构的模型以确保可靠性责任。

以微网为例,互联电力系统理念下放到配电系统,每个微网相当于一个平衡区,可以看作“好市民”,区内装有能够做出响应的控制系统。大量技术的、成本的和社会的因素都汇集在一起,使得微网成为电力基础设施中最大的变革。

脱碳和韧性(Resiliency)目标推动了新的电气化需求和分布式电源的增长,除非通过激励措施和电网服务机会来塑造,否则可能会增加运行挑战和昂贵的基础设施需求。实现广泛电气化的政策、倡议和项目是地方政府在其总体计划和气候行动计划中处理的问题。有必要在社区和配电公司之间建立伙伴关系,以设计和实施高价值的地方电气化和韧性项目。

《中国电力企业管理》:建设分布式智能电网的过程,也是催生新技术和商业模式的过程。您预测未来将有哪些新业态出现?

余贻鑫:与分布式智能电网相关的技术和产业非常之广,用极其广泛来形容一点都不为过。大致可以分为三类,一是智能电网技术,二是电网可带动的技术,如风力发电机组、插件式的电动汽车、光伏发电装置、绿色节能建筑和智能家电等,三是为智能电网创建平台的技术,如综合的通信技术、传感和计量技术、应用超导技术、储能技术、电力电子技术和诊断技术、先进的控制方法和完善的接口以及决策支持系统。

以一个场景为例,分布式智能电网中,电力与燃气和热力系统加速耦合,未来将形成以智能电网为核心的智能的综合能源系统(能源互联网)。可把电网暂时接纳不了的风光电量转换成“氢”(P2G)注入燃气网或存储,抑或转换成热加以存储,可提升整个能源互联网的安全性和经济性。“将系统分解为群集(clusters)的层次结构”和“每个集群(Cluster)都保持自身净功率平衡和自优化”,也将导致能源互联网像互联网一样聪明。

若分布式智能电网建成,那么人类社会必将迈进一个新时代。届时可再生能源和互联网技术将深度融合,重构一套强大的新基础设施。在这一愿景中,数以亿计的人们会从他们家中、办公室和工厂的可再生能源中生产绿色能源,并在“能源互联网”中彼此分享,就像现在我们在线创造和分享信息。通过部署各种储能技术,能量将存储在每一栋建筑和整个基础设施中,交通车辆将转变成电动和燃料电池汽车。

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关键字:分布式智能电网

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