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    專訪余貽鑫院士:分布式智能電網的挑戰與機遇

    《中國電力企業管理》發布時間:2022-10-13 13:22:06  作者:趙紫原

      余貽鑫:中國工程院院士、天津大學教授。電力系統分析、規劃與仿真專家。長期結合電力系統工程實際進行深入的電力系統穩定性理論研究,特別是在電力大系統安全監視、防御與控制中域的方法學方面,取得了開創性的國際先進成果,并在世界上首次把該成果用于實際電力大系統。獲國家科技進步二等獎和國家發明二等獎各1項、高校十大科技成果獎1項、省部一等獎5項。在著名刊物上發表論文300余篇,出版《電力系統安全域》和《智能電網的基本理念與關鍵技術》等7部著作。

      “發展出題目,改革做文章”,分布式智能電網成為建設新型電力系統的“題眼”。

      二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和,是黨中央統籌國內國際兩個大局,經過深思熟慮作出的重大戰略決策,事關中華民族永續發展和構建人類命運共同體。近兩年來,實現“雙碳”目標的“1+N”政策體系通盤謀劃,時間表、路線圖、施工圖愈發明晰,“分布式”成為諸多重磅政策的一大“公約數”,將其看作構建現代能源體系的必經之路名副其實。

      《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》指出,“加快發展非化石能源,堅持集中式和分布式并舉,大力提升風電、光伏發電規模,加快發展東中部分布式能源”“加快電網基礎設施智能化改造和智能微電網建設”;《“十四五”現代能源體系規劃》提出,“推動電網主動適應大規模集中式新能源和量大面廣的分布式能源發展”;國家發改委發布“十四五”循環經濟發展規劃,推行分布式能源及光伏儲能一體化系統應用……

      草蛇灰線,伏脈千里,能源結構低碳化轉型加速推進、系統多元化迭代蓬勃演進、產業智能化升級進程加快、供需多極化格局深入演變,分布式智能電網登上歷史舞臺。上下求索,淬火成鋼,一旦艱難蟄伏的分布式智能電網迎來破局,必將在這場能源革命里大展拳腳。本刊記者針對分布式智能電網發展的關鍵問題專訪了中國工程院院士、天津大學教授余貽鑫,他認為分布式智能電網的提出恰逢其時,其像互聯網一樣將帶來顛覆性變革,激勵技術創新和新工業革命,是助力實現“雙碳”目標、保障能源安全、提升新能源終端消費比例的不二良方。

      “分布式智能電網像互聯網一樣具備顛覆性”《中國電力企業管理》:

      每逢出現新能源消納困難的情形,“分布式”便被頻頻提起??上驳氖?,“分布式”白紙黑字寫進政策里,成為諸多重磅政策的高頻詞。您認為,分布式如何助力實現“雙碳”目標?

      余貽鑫:電網的變化方興未艾,20世紀電網發展所依據的基本原理和假設都發生了翻天覆地的變化,如果不因時而變,會對能源安全造成嚴重的不良后果。在氣候變化、用戶期望、新技術涌現、網絡經濟興起、配電網中可再生能源滲透率日益增長和無處不在的通信技術共同驅動下——分布式,即能源就地開發就地消納大勢所趨、勢不可擋。

      從量上說,我國技術上可開發的風能和太陽能潛力巨大,無論東部還是西部,完全可以滿足我國實現“雙碳”目標的需要。如果利用中東部的太陽能資源發電,可提供2050年的全社會年總用電量15萬億千瓦時的1/3。以光伏為例,可利用屋頂、灘涂、山坡、廢礦等就地開發模式,在同一地理空間對太陽能實現多元綜合利用,包括農光、漁光、牧光互補以及建筑、交通、工業深度融合等。

      從質上講,氣候的破壞性事件增加了局部韌性的緊迫性,在自然災害和外部襲擊、戰爭威脅等極端情況下,能源飯碗端在自己手里的重要性不言而喻。就地開發與消納的分布式模式下,電源離用戶盡可能地近,將波動性從源頭加以平滑,是解決“風光”間歇性、多變性和不確定性問題的最好方式。這種模式不僅能節省電網建設費用、運行費用(過網費、網損),還可提高供電可靠性,保證電網的韌性和抵御賽博攻擊。

      《中國電力企業管理》:

      自2006年起您就在國內率先開展智能電網研究,作為該領域的奠基人,您認為“分布式智能電網”的內涵是什么?

      余貽鑫:簡單來說,智能電網是如同互聯網一樣智能的電網,是電網的第二次智能化,集成的能量與通信體系打通了現代能源產業鏈的“最后一公里”,將從根本上改變人們的生活和工作方式,并像互聯網一樣激勵類似的變革。

      智能電網的特點,是電力和信息的雙向流動性,從而建立一個高度自動化和廣泛分布的能量交換網絡。任何智能電網的命脈都是用以驅動應用的數據和信息,而這些應用又反過來促使開發新的和改進的運營策略成為可能。電力系統任一領域,從電力用戶、電力市場、服務提供商、運行、發電、輸電和配電,所收集到的數據都可能同其他領域的改善相關。智能電網將把工業界最好的技術和理念應用于電網,以加速智能電網的實現,如開放式的體系結構、互聯網協議、即插即用、共同的技術標準、非專用化和互操作性等。

      分布式是智能電網最基本的特征之一。除分布式發電以外,還包括各種分布式儲能、高級量測體系(AMI)、需求響應、混合電氣車輛(PHEV)和插電式電動汽車(V2G) 的智能充電(包括監視與控制的執行),商業及客戶服務以及應用與未來服務(如為生產型消費者買/賣功率提供/詢問市場數據)等。

      分布式電源將極大地改變配電網的功能:如保護和自動化、電壓與無功控制、實時優化與網絡重構、運行計劃與風險調度以及電網規劃等,并在配電網絡中帶來新問題與新功能:如電壓穩定評估,孤島的負荷/發電平衡,以及市場功能等。人們將面臨如何處理數十萬分布式電源的問題,這使得電網成為一個超復雜系統,該系統必須有足夠靈活性和可靠性。實現這一目標的方法是設計一個“自愈”電網,其中包括高水平的監測和自動化。為了保證整個系統的正常運行,所有的自動化都必須依靠強大的監測、仿真和建模(數字孿生)工具。這些預測分析工具的一個關鍵性能是其比實時更快的分析系統的能力,向調度員提出控制措施以確保系統安全。

      “建設分布式智能電網面臨的挑戰獨一無二”《中國電力企業管理》:

      當前的電網和智能電網的區別和差距主要體現在哪些方面?

      余貽鑫:“風光”的間歇性、多變性和不確定性導致其很難單獨運行,需要采用一些功率補償或者平滑的措施支撐其安全并網運行——包括(初期的)火電機組靈活性改造、儲能、需求響應和電動汽車,后兩者既是靈活性措施,又具有不確定性。同時,當前配電網絡是按單向潮流設計的,不具備有效集成大量分布式電源的技術潛能,分布式發電并網存在諸多障礙,包括電力系統應對惡意行為和自然災害脆弱等。

      因此,建設新型電力系統需要一個能接納高比例分布式可再生能源、抗擾能力強、適應雙向潮流的電力交換網絡。相比之下,在智能電網中,用戶通過分布式電源和需求響應能夠積極參與電網優化運行。分布式智能電網具有自愈功能,可安全、可靠、有效地向用戶提供高質量的電能;更加高效,少增加乃至不增加基礎設施就能滿足日益增長的電力消費需求;更加包容,能夠容易和透明地接受各種類型的可再生能源,特別是分布式“風光”和儲能;更具激勵性,消費者與電力企業實時溝通,通過市場實現雙贏;抗災能力強,使系統有抵御人為攻擊和自然災害的能力等優勢。

      比如,未來的配電網、微網、建筑單元(大樓、工廠和住宅等)與輸電系統的差異將逐步消失,具有本地發電和雙向電力潮流的特點,都將配有能量管理系統(EMS)并按照“將系統分解為群集(clusters)的層次結構”和“每個集群(Cluster)都保持自己的凈能量平衡和自優化”的規范管理和運行。

      《中國電力企業管理》:

      高標準、高要求、高科技,自然也是高難度,分布式智能電網要想真正落地并非易事。從我國現實條件出發,發展分布式智能電網面臨哪些重大挑戰?

      余貽鑫:我國所面臨的挑戰是獨一無二的。

      首先,要搞清中國能源轉型的規模。顯而易見的是,中國可再生能源替代化石能源的體量比世界上任何地方都多、占比更大;其次,中國是煤炭為主的能源體,且電力需求仍在繼續增長,2050年全社會總用電量會比現在翻一番,約為15萬億千瓦時/年,轉型需要特定技術的革新;再者,中國煤炭資源集中度特別高,這意味著轉型會嚴重影響依賴于煤炭的地區,這些地區能源轉型更加困難,許多原有勞動力崗位將難以維持,除非找到讓他們能夠創造與原來所創造價值相當的工作崗位,不過已有研究表明,能源完全轉型所創造的工作崗位將比整體失去的工作崗位多;第四,中國現實電網靈活性資源以燃煤火電為主,但未來它會大幅度削減;處于第二位的靈活性資源是水電,而我國水電中,可支持電網的調節能力也較少,一方面是中國地貌特殊,另一方面是中國電力設計過去是專注于千瓦時低成本設計,而未重視提供能源的時間和靈活性。所以可以說,電網的創新和技術發展旨在提升靈活性。從分布式智能電網的角度看,高效、長壽命、可靠、價格合理和有較長放電持續時間的化學電池的開發是當前最迫切的任務。

      簡而言之,中國面臨的挑戰主要有三個:一是快速開發足量的低碳能源;二是避免轉型對一些地區及勞動者造成不利影響;三是提升電源系統的靈活性,以平衡低碳能源的多變的輸出。這不僅是分布式智能電網的發展面臨的挑戰,也是整個能源轉型面臨的問題。我們所面臨的挑戰是極其廣泛的,涉及許多技術、體制和社會問題,電網變遷的過程必將改變整個行業的業務模型。智能電網不僅涉及到廣泛的利益相關者,而且其組織、研發和實施均很復雜,需要深刻轉變傳統的電網理念,這其中挑戰與機遇并存。

      “智能電網將激勵技術創新和新工業革命”《中國電力企業管理》:

      您認為當前應該如何建設分布式智能電網?

      余貽鑫:未來電網具有超復雜性,電網體系結構的研究至關重要,當屬優先級,它是整個電網最高級別的描述,也是最頂層的模型——具有分層分區 (群)的體系結構的智能電網,可以從本質上保證供電安全。

      分層分區的概念看似與當今的電力系統并無太大不同,在許多方面差異不大。但是一個關鍵的不同是,潮流不再只是從大型系統到用戶單向流動。大電網上的大多數節點、配電系統乃至終端用戶的電表都可以注入和吸收功率,并且可以在這兩個模式之間平穩地切換;再加上多種規模的經濟高效的儲能的加入,將改變一切。具體而言,具有分層分群體系結構的電網像互聯網一樣智能,并且具有數學基礎,特別適合將來的電網的需要。未來的智能電網的分層分群的體系結構,使電網能夠在擾動發生時做出自愈的響應,在緊急狀態下它能分片實現“自適應孤島運行”,并在其后能夠快速恢復全系統的正常運行,從而將停電損失減到最小。事實上,在未來電網中,每個群集都是一個堅強的局部電網,是“結構清晰、局部堅韌、快速恢復”的電網。需要指出的是,監管結構、行業結構和控制/協調結構是一致的,均需要采用分層、分群體系結構的模型以確??煽啃载熑?。

      以微網為例,互聯電力系統理念下放到配電系統,每個微網相當于一個平衡區,可以看作“好市民”,區內裝有能夠做出響應的控制系統。大量技術的、成本的和社會的因素都匯集在一起,使得微網成為電力基礎設施中最大的變革。

      脫碳和韌性(Resiliency)目標推動了新的電氣化需求和分布式電源的增長,除非通過激勵措施和電網服務機會來塑造,否則可能會增加運行挑戰和昂貴的基礎設施需求。實現廣泛電氣化的政策、倡議和項目是地方政府在其總體計劃和氣候行動計劃中處理的問題。有必要在社區和配電公司之間建立伙伴關系,以設計和實施高價值的地方電氣化和韌性項目。

      《中國電力企業管理》:

      建設分布式智能電網的過程,也是催生新技術和商業模式的過程。您預測未來將有哪些新業態出現?

      余貽鑫:與分布式智能電網相關的技術和產業非常之廣,用極其廣泛來形容一點都不為過。大致可以分為三類,一是智能電網技術,二是電網可帶動的技術,如風力發電機組、插件式的電動汽車、光伏發電裝置、綠色節能建筑和智能家電等,三是為智能電網創建平臺的技術,如綜合的通信技術、傳感和計量技術、應用超導技術、儲能技術、電力電子技術和診斷技術、先進的控制方法和完善的接口以及決策支持系統。

      以一個場景為例,分布式智能電網中,電力與燃氣和熱力系統加速耦合,未來將形成以智能電網為核心的智能的綜合能源系統(能源互聯網)??砂央娋W暫時接納不了的風光電量轉換成“氫”(P2G)注入燃氣網或存儲,抑或轉換成熱加以存儲,可提升整個能源互聯網的安全性和經濟性。“將系統分解為群集(clusters)的層次結構”和“每個集群(Cluster)都保持自身凈能量平衡和自優化”,也將導致能源互聯網像互聯網一樣聰明。

      若分布式智能電網建成,那么人類社會必將邁進一個新時代。屆時可再生能源和互聯網技術將深度融合,重構一套強大的新基礎設施。在這一愿景中,數以億計的人們會從他們家中、辦公室和工廠的可再生能源中生產綠色能源,并在“能源互聯網”中彼此分享,就像現在我們在線創造和分享信息。通過部署各種儲能技術,能量將存儲在每一棟建筑和整個基礎設施中,交通車輛將轉變成電動和燃料電池汽車。

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