全球能源互联网志在高远 混合能源是关键技术

面对不断增长的能源需求、传统化石能源的日益枯竭、生态环境的持续恶化，一场将改变人类能源生产和消费方式的能源革命正在全球范围内兴起。这场革命的核心，是最大限度地开发利用以低碳和可再生为特征的新能源，大幅度提高能源利用效率，让能源产业向高效、清洁、智能化方式转变。由中国首倡的全球能源互联网战略构想，很好地契合了这一时代主题。

风能、太阳能资源，也和水能、化石能源一样，分布并不均衡，例如在我国，80%以上的风能、太阳能分布在西部、北部地区，而70%以上电力需求集中在东中部地区，因此同样需要大范围资源配置技术。建设全球能源互联网，为优化全球新能源配置提供了有效途径，也是新能源时代全球能源配置的必然选择。

此外，局部电力系统难以满足平抑大规模新能源发电出力随机波动性的需求，只有以大电网为平台，大范围内实现多种能源类型电源的优化控制，才能利用不同地域之间的时区差、季节差、资源禀赋差等因素，最大限度地实现全系统的电能实时平衡。从系统论的角度看，全球配置也是最优选择。

因此，全球能源互联网战略构想一经提出，很快获得了多方支持与认同。我们很高兴地看到，在中国倡议一周年之际，全球能源互联网建设便已经迈向了战略实施、共同行动阶段。

未来，随着新能源并网比例不断提高，电力系统既要面对随机波动的负荷需求，还要面对不确定的电源输入，这就要求其结构形态、运行控制方式以及规划建设与管理等方面都要进行革命性升级。这不是一夜之间就能实现的事，经过100多年的发展改进，目前庞大的电力系统已经是最复杂的人造系统工程，其革新过程不可能一蹴而就，只能逐渐演化。因此，实现以新能源为主导的全球能源互联网，需要一个较长的过渡时期。

大变革：新能源电力系统

构建全球能源互联网，现有电力系统需要进行深刻变革。

电力系统的基本功能，是保证电能的供需平衡。在以火电、水电、核电为主导的传统电力系统中，一次能源是可以储存的，因而电能输出是可控的，电力系统可以进行负荷预测与机组优化调度，通过变更发电侧功率来满足用电侧随机波动的需求，从而保证电能的供需平衡与电网的安全稳定。

而以风能、太阳能为代表的新能源发电，与传统发电技术的最大区别就在于，一次能源是不可储存的，进而风能、太阳能的随机波动性决定了其发电功率的随机波动性。当大规模新能源电源接入电网以后，就要求电力系统从原来的“一次能源可储、二次能源可控”模式，升级为在随机波动的负荷需求与随机波动的电源之间实现电能供需平衡的新模式。

如果掌握了大规模储能技术，可以在一定程度上化解上述矛盾，但目前的储能技术尚无法实现电荷大容量、大功率存储，所以需要从调整电力系统的结构形态与运行控制方式出发，用动态思维来解决。理想的新电力系统需要满足三方面响应机制，即电源响应、电网响应、负荷响应，我们可以将满足这些要求的电力系统称为“新能源电力系统”。

电源响应就是要实现新能源发电功率的灵活控制。一方面，要研究精确的风能、太阳能功率预测方法、大规模新能源发电基地的功率分配策略，以及灵活的新能源发电单元功率控制技术。另一方面，也要意识新能源发电功率输出的强随机波动性本质上是由一次能源特性决定的，不可能彻底改变，因此必须有火电、水电等可控装机进行多源互补。依靠互补特性，可以有效地突破大规模新能源电力并网导致的电源功率随机波动问题。

电网结构与输送极限是决定电网配置资源能力的两个重要方面，电网响应即从调整这两项内容着手。其一，是依靠先进的输电方式，增强电网在大时空范围内的输送能力与资源优化配置能力，合理运用大规模集中电站并网外送、基于可调负荷和储能的就地消纳、基于微网的分布式接入等多种方式，提高电力系统对新能源的接纳规模。在这方面，特高压技术的研发做出了积极尝试，特高压海底电缆、柔性直流输电技术都是未来的探索方向。其二，需要基于新能源电源的时空特性与多种新型输电方式的特征优化电网结构，硬件上构建区域电网间解耦连接、分层分区的输电网架，软件上研发可以同时响应负荷和电源功率随机波动性的电网结构渐进优化理论方法。

随着智能家居、电动汽车等设备的普及，负荷响应对于提高新能源接纳比例越来越重要。其实，目前的电力系统中已存在大量电网友好型的可平移负荷，要进一步发掘这些用负荷响应潜力，需要相关政策、价格机制、市场手段来引导用户主动参与电网互动。同时，必要的技术条件可以在不改变用户消费习惯的前提下极大地提高负荷响应比例。为实现人与电网和谐互动的用电方式，用电设备应当可以实时获取并分析精确、可靠的电网数据信息，并及时、正确地响应电网运行状态的改变。要做到这一点，在现有通信网络、智能电表、柔性电力负荷控制等技术的基础上，还需要有针对性地研发家庭控制网关、智能插座等电网友好装置以及具有用电信息采集、处理、监控、计费、资源调度等功能的高级量测系统。

此外，与传统发电厂/站相比，新能源发电设备运行环境恶劣、工况多变的客观条件导致其出现故障的概率增大，从而增加了电力系统发生事故的风险，因此先进的电网控制与安全防御技术也是决定新能源接纳极限的重要因素。传统的电网保护与安全防御系统采用的是“以保守性换取可靠性”的策略，即采取离线仿真方式按最恶劣的情况设定保护控制策略，这极大地限制了电网优化配置资源的能力。智能电网建设的推进正在改变这种局面，各种传感器的大量应用与监测平台的建设，让电力系统信息化程度显著提高，系统安全防御将可以从常规的故障控制，转变为针对系统实时状态的评估、预警、保护与安全控制体系，这将会更加适合新能源电力系统的发展趋势。

在上述特性都具备的前提下，电力系统才可能具备完全的新能源接纳能力，风能、太阳能发电也才能真正进入大发展时期。

大突破：混合能源关键技术

建设全球能源互联网，需要突破性的关键技术支撑。

在过去15年中，新能源经历了一个快速发展时期。2015年，全球风能和太阳能发电装机容量分别达到了4.33亿千瓦和2.27亿千瓦，2000~2015年间分别增长了23倍、175倍，年均增长率为24%、41%。我国更是后来居上，风能、太阳能发电装机容量在15年间分别增长了280倍、1400倍，在2015年分别达到了1.28亿千瓦和0.42亿千瓦，均居世界第一位。

新能源的爆炸式增长，在加速能源革命进度的同时，也不可避免地带来了一些问题，众所周知，我国风能、太阳能发电遇到的最大瓶颈，即是消纳难题。这当然有体制、机制因素的阻碍，但现有电力系统的技术制约也是一个不容忽视的客观因素。

面对这种局面，冷静、客观地评估未来发展趋势变得很有必要。首先必须承认，传统化石能源在现阶段仍然占主导地位，即使到2030年我国碳排放达到峰值，预计火力发电仍将占全国发电量的60%。在未来很长一段时期内，都将是一个化石能源发电、水电、核电、新能源发电并存的“混合能源时代”，这一历史时期至少将持续50~100年。其次也要看到，新能源是构建全球能源互联网的根本，也是能源革命的发展方向，合理的增长速度是必要的。

为新能源发展排忧解难，体制障碍不少，比如缺乏电源、电网统筹规划，新能源发展与电网、调峰电源建设不协调、不配套；新能源大范围配置的市场机制和政策保障不健全等等，这些都需要在今后逐步加以解决。

然而，未来真正的瓶颈必定是技术问题。新能源电力系统描述起来容易，但真正做起来，目前的技术储备远远不够。

比如要通过多种能源电源互补平抑波动性，需要互补电源具备一定的响应速度，同时还能保证其本身大范围变负荷运行时的经济性。在日本及部分欧洲发达国家，水电占比高，是主要的调峰手段；在美国，燃气/油发电装机容量占比在45%以上，是调峰的首要选择。而在我国，燃煤火力发电占主导地位，目前新能源的规模化发展必然要依赖于火电机组的快速深度调峰。但目前的火力机组可调范围窄、调节速度慢问题突出，而且在大范围变负荷运行的情况下会导致其经济性、安全性、环保性显著下降。要想让其满足平抑新能源波动性的需求，首先需要构建发电过程参数快速检测与状态精细表征理论与方法，为实现发电过程的快速、精确控制奠定基础；其次，需要发掘火电机组的蓄能环节，建立能量存储/释放过程的动态模型，分析其用于机组变负荷控制的可行性，以提高机组的变负荷控制速率，最终形成大型火电机组快速深度变负荷控制策略。未来，智能发电技术可以让智能发电厂将不仅是独立的发电单元，而是一个能够随时感知外部信息，与电网以及其他发电单元乃至用户友好互动的电源。

我们深知，在混合能源时代，要让新能源电力由补充能源发展为替代能源，并最终成为主导能源，还有许多难关需要攻克。而无论是对于全球能源互联网发展，还是面对新一轮技术革命的大潮，我们都应该志在高远，以敢为天下先的气概，去引领新时代的发展。

（作者系中国工程院院士、华北电力大学校长）