中國儲能網(wǎng)訊：在新一代電力系統(tǒng)中，有很多新技術出現(xiàn)并迅速崛起，主要包括新能源發(fā)電技術、各類型儲能技術、電力電子技術、新型輸電技術、電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性分析與控制技術以及新一代人工智能技術。隨著工業(yè)化、城市化進程的不斷加劇，資源的使用也在急速上升。為了讓企業(yè)和社會獲得可持續(xù)發(fā)展，為了給人們創(chuàng)造一個良好的生活環(huán)境，推進能源生產(chǎn)和消費革命的任務已經(jīng)迫在眉睫。構建清潔低碳、安全高效的新一代能源系統(tǒng)，以實現(xiàn)最大限度地開發(fā)利用可再生能源、最高程度地提高能源利用效率，已成為我國能源轉(zhuǎn)型與革命的核心戰(zhàn)略目標。
電力系統(tǒng)的衍變
新一代能源系統(tǒng)是以電力為中心，以電網(wǎng)為主干和平臺，各種一次、二次能源的生產(chǎn)、傳輸、使用、存儲和轉(zhuǎn)換裝置以及信息、通信、控制和保護裝置直接或間接所構成的網(wǎng)絡化物理系統(tǒng)。總而言之，能源轉(zhuǎn)型的核心是新一代電力系統(tǒng)。
回顧電力系統(tǒng)的發(fā)展歷程，第一代電力系統(tǒng)是19世紀末至20世紀60年代，特點是小機組、低電壓、小電網(wǎng)和小規(guī)模，電網(wǎng)安全和供電可靠性低，此時的電源和電網(wǎng)處于初級發(fā)展模式。第二代電力系統(tǒng)是20世紀70年代至21世紀初，特點是大機組、超高壓和大電網(wǎng)，安全性和可靠性得以提高，但大電網(wǎng)停電風險依然存在，且仍然高度依賴化石能源，是一種不可持續(xù)的發(fā)展模式。
第三代電力系統(tǒng)是從21世紀初至21世紀中葉，以可再生能源和清潔能源發(fā)電為主（占比超過60%~70%），骨干電源與分布式電源結合，主干電網(wǎng)與局域配電網(wǎng)、微電網(wǎng)相結合。在這期間，供電可靠性大幅提高，基本可以排除用戶意外停電的風險，且是以非化石能源為主的綜合能源電力系統(tǒng)，是一種可持續(xù)的發(fā)展模式。
新一代電力系統(tǒng)的四大特征
第三代電力系統(tǒng)是100多年來第一代、第二代電力系統(tǒng)的傳承和發(fā)展，是新形勢下推動能源轉(zhuǎn)型發(fā)展、構成新一代能源系統(tǒng)核心的新一代電力系統(tǒng)。新一代電力系統(tǒng)主要有以下四大特征。
（1）擁有高比例的可再生能源
我國新能源近些年呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，2005~2017年風電裝機容量增長近150倍，2010~2015年光伏發(fā)電裝機容量增長100倍，2015年后每年裝機量接近翻倍增長。未來，可再生能源發(fā)電量占比仍將逐步提高，預計2040年超過50%，2050年達到67%左右，逐步成為電力系統(tǒng)第一大主力電源。
（2）擁有高比例的電力電子裝置
隨著風力、光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，新能源大量替代傳統(tǒng)火電，風力、光伏發(fā)電裝機量持續(xù)增加，在總發(fā)電裝機容量中的占比不斷提高。預計2050年，風力、光伏發(fā)電總裝機容量占比將接近70%。與此同時，電力電子裝置在源端的應用將日益廣泛，如直驅(qū)式風力發(fā)電機組變流器、光伏電站與分布式光伏逆變器、非水儲能電站和分布式儲能逆變器。此外，超/特高壓直流輸電、柔性直流輸電和直流電網(wǎng)建設快速發(fā)展。 2010年以來，我國已先后投入了12條±800 kV以上電壓等級的特高壓直流工程，現(xiàn)在還有一條準東－皖南特高壓直流輸電線路沒有正式投運。截止2018年1月，在運±800 kV直流輸電線路已達20 647 km。在西電東輸?shù)膸酉拢瑢淼妮旊娙萘窟€要繼續(xù)增大，線路還要繼續(xù)向前鋪設，因此電力電子裝置在電力系統(tǒng)的比例將會越來越高。另外，變頻負荷的大量使用也是其中一個特點，這將依賴于現(xiàn)代電力電子換流與功率控制技術。預計未來將有90%的電能需要經(jīng)過電力變換后使用，含有電力變換中間接口裝置的多樣性、強非線性負荷數(shù)量將急劇增加。比如民用、工業(yè)和交通等各領域，都要使用電力電子裝置。
（3）多能互補的綜合能源電力系統(tǒng)
電力系統(tǒng)要擴展范圍，除了提供電力以外，在多種能源互補的情況下，未來將向綜合能源供應商的角色轉(zhuǎn)型。有兩方面內(nèi)容，一是源端基地綜合能源電力系統(tǒng)，其中包括：水電、風電、光伏發(fā)電、靈活煤電等能源基地及儲能，通過直流輸電網(wǎng)實現(xiàn)多能互補向中東部輸電；通過電力供熱制冷、產(chǎn)業(yè)耗電及多種途徑就地消納；電解制氫、制甲烷就地利用或通過天然氣管道東送。二是終端消費綜合能源電力系統(tǒng)，其中包括：基于各類清潔能源滿足用戶多元需求的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)和清潔能源微電網(wǎng)；主動配電網(wǎng)架構下直接面向各類用戶的分布式能源加各類儲能、新能源微電網(wǎng)；基于天然氣和清潔能源的分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。
（4） 信息物理融合的智能電力系統(tǒng)
在能源互聯(lián)網(wǎng)中，信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)將滲透到每個設備，信息流通過系統(tǒng)網(wǎng)絡將與電力流進行有效結合。以電網(wǎng)為核心構建能源互聯(lián)網(wǎng)，整合各種可再生能源和傳統(tǒng)能源。這里很重要的一點就是互聯(lián)網(wǎng)思維和理念的滲透，不是單純的多能互補，而是要體現(xiàn)以用戶為中心來構建能源共享平臺，使信息流和電力流有效結合，真正實現(xiàn)開放、共享和高效用能。
新一代電力系統(tǒng)的關鍵技術
在新一代電力系統(tǒng)中，有很多新技術出現(xiàn)并迅速崛起，主要包括新能源發(fā)電技術、各類型儲能技術、電力電子技術、新型輸電技術、電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性分析與控制技術以及新一代人工智能技術。
（1）高效、低成本的風力、光伏發(fā)電技術
光伏和光熱發(fā)電效率近年來不斷提升，主要得益于新材料的開發(fā)、制造工藝的改善以及光伏電池轉(zhuǎn)化效率的提升。另外，風/光發(fā)電成本持續(xù)降低，近十年來，我國光伏組件價格從每瓦近50元降至2.22元，逆變器從每瓦2元降至0.2元左右，光伏系統(tǒng)成本從每瓦60元降至5元左右，度電成本累計下降約90%，2018年光伏領跑基地最低中標電價已降低至0.31元/kW·h。風力發(fā)電方面，預計未來十年，我國陸上風電度電成本將下降約30%左右。
（2）高效、低成本及長壽命的儲能技術
儲能技術可以實現(xiàn)能源“斷點續(xù)傳”，支撐能源和信息的實時交互。在物理基礎層面，儲能可消納棄風棄光，助力可再生能源比例的提高；在價值實現(xiàn)層面，創(chuàng)新的價差套利模式，可提高系統(tǒng)綜合效益。近年來，電池儲能技術發(fā)展迅速。2018年，鋰離子電池的技術進步和成本下降將首次觸及循環(huán)壽命5 000次、系統(tǒng)成本1.5元/W·h的商業(yè)化應用拐點，下一步將可能實現(xiàn)循環(huán)次數(shù)大于15 000次、能源效率大于90%、系統(tǒng)成本少于1.0元/W·h以及度電成本少于0.2元的目標。隨著儲能系統(tǒng)綜合度電成本不斷下降和《關于促進儲能技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見》等政策文件的相機發(fā)布，在電網(wǎng)峰谷電價差的引導下，以電化學儲能為主的用戶側分布式儲能得到迅速發(fā)展。
（3）高可靠性、低損耗的電力電子技術和新型輸電技術
電力電子技術的發(fā)展，提高了能源傳輸與分配的安全性、可控性，推動了能源互聯(lián)。新一代半導體技術——寬禁帶半導體技術的推廣應用，將極大推動電網(wǎng)中電力電子裝備的升級換代，有效推動直流輸配電網(wǎng)的建設和發(fā)展，對于新能源接入電網(wǎng)也將帶來極大改善。
（4）電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性分析與控制技術
當大量的電力電子裝置和新能源接入電網(wǎng)之后，電網(wǎng)特性將發(fā)生重大變化，需要解決的問題也更加復雜。例如，直流輸電受端故障閉鎖引起的交直流輸電系統(tǒng)大范圍功率轉(zhuǎn)移、連鎖故障的分析與控制，系統(tǒng)慣性減少造成的頻率波動和頻率穩(wěn)定的分析與控制，受端多饋入直流換相失敗再起動引起的電壓穩(wěn)定問題分析、仿真和控制，隨著風電VSC等電力電子設備的增加，電力電子設備之間及與交流電網(wǎng)之間相互作用產(chǎn)生的寬頻振蕩現(xiàn)象，弱交流互聯(lián)下VSC-HDVC并網(wǎng)小信號穩(wěn)定機理分析與控制，以及由于西電東輸引發(fā)的對仿真分析的需求等。過去數(shù)十年間，電網(wǎng)運行分析工作經(jīng)歷了由省、區(qū)域電網(wǎng)獨立分析向全網(wǎng)一體化分析模式轉(zhuǎn)變的歷程，仿真手段也經(jīng)歷了從單純的機電暫態(tài)仿真逐步向機電－電磁混合仿真以及全電磁仿真發(fā)展的過程，如今需要新一代的電力系統(tǒng)仿真平臺作為技術支撐。
（5）安全、高效及低成本的氫能生產(chǎn)儲運和應用技術
當前，國家戰(zhàn)略需求是實現(xiàn)能源清潔、可持續(xù)的供給，但煤炭、石油等化石能源的清潔利用難，風/光等新能源發(fā)電并網(wǎng)消納難，因此創(chuàng)新思路是：以氫為橋梁，構建高效、可靠和清潔的風/光－煤能源系統(tǒng)。氫儲能技術的應用，將為新能源的進一步開發(fā)利用提供新的思路。
（6）新一代人工智能技術
新一代電力系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)信息實時交互、網(wǎng)絡連接互動、多種能源協(xié)同以及需求實時響應。人工智能技術與電網(wǎng)應用技術的融合，將逐步實現(xiàn)智能傳感與物理狀態(tài)相結合，數(shù)據(jù)驅(qū)動與仿真模型相結合，輔助決策與運行控制相結合，從而有效提升駕馭復雜電網(wǎng)的能力，提高電網(wǎng)運營的安全性和經(jīng)營服務模式變革。未來，機器感知、機器學習和機器思維等人工智能關鍵技術將得到廣泛應用，支撐電網(wǎng)的智能化發(fā)展。
新一代電力系統(tǒng)與能源互聯(lián)網(wǎng)
傳統(tǒng)電力系統(tǒng)本身就具有互聯(lián)網(wǎng)特性。在電源側，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中各類一次能源發(fā)電和分散化布局的電源結構，通過大規(guī)模互聯(lián)的輸配電網(wǎng)絡，連接千家萬戶使用，具有天然的網(wǎng)絡化基本特征；在負荷側，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)終端用戶用電早已實現(xiàn)“即插即用”，電力用戶根據(jù)需要從網(wǎng)上取電，具有典型的開放和分享的互聯(lián)網(wǎng)特征。但是，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)不支持用戶分布式電源的“即插即用”，無法實現(xiàn)用戶與電網(wǎng)之間能源和信息的雙向流動，且不適應多種形式能源的協(xié)同互補，提高能源利用率的能力受限。因此，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)不能適應分散化布局用戶能源電力的市場化，為能源電力用戶服務的能力受限。
能源互聯(lián)網(wǎng)的提出，為傳統(tǒng)電力系統(tǒng)解決上述問題提供了可行的發(fā)展路徑。能源互聯(lián)網(wǎng)是以可再生能源為優(yōu)先、電力能源為基礎、各種能源協(xié)同互補、供給與消費協(xié)同、集中式與分布式協(xié)同及大眾可參與的新型生態(tài)化能源系統(tǒng)。利用能源互聯(lián)網(wǎng)，可提高可再生能源比重，促進互聯(lián)網(wǎng)與能源系統(tǒng)的深度融合，實現(xiàn)多元能源的有效互補與高效利用。
新一代電力系統(tǒng)繼承了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中各類一次能源發(fā)電和分散化布局的電源結構，通過大規(guī)模互聯(lián)的輸配電網(wǎng)絡，連接千家萬戶使用，具有天然的網(wǎng)絡化基本特征。新一代電力系統(tǒng)發(fā)展了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)終端用戶用電的“即插即用”，支持用戶分布式發(fā)電上網(wǎng)，實現(xiàn)了能源和信息的雙向流動，具備完整的開放、分享的互聯(lián)網(wǎng)特征。新一代電力系統(tǒng)在源端能源基地和終端消費網(wǎng)絡支持多種形式能源的協(xié)同互補，可大幅度提升能源的綜合利用效率，提升可再生能源的消納能力。此外，新一代電力系統(tǒng)在智能電網(wǎng)的基礎上，與信息技術深度融合形成的能源互聯(lián)網(wǎng)，為高比例可再生能源接入系統(tǒng)的調(diào)動控制、運行優(yōu)化和市場化運作提供有力支撐，并進一步拓展了為用戶提供綜合能源服務的功能，是新一代電力系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。
結束語
1）第三代電力系統(tǒng)是100多年來第一代、第二代電力系統(tǒng)的傳承和發(fā)展，是新形勢下推動能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的新一代電力系統(tǒng)。
2）高比例的可再生能源、高比例的電力電子裝置接入電網(wǎng)、多能互補綜合能源以及信息物理融合智能化是新一代電力系統(tǒng)的顯著特征。
3）高效、低成本的風力、光伏發(fā)電技術，高效、低成本及長壽命的儲能技術等六類關鍵件技術的開發(fā)應用將有可能對新一代電力系統(tǒng)產(chǎn)生全局性影響。
4）在智能電網(wǎng)的基礎上，與信息技術深度融合，實現(xiàn)多能協(xié)同互補的能源互聯(lián)網(wǎng)，是新一代電力系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。
