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電網未來:能源互聯網是旗幟+配電網是主戰場+全球特高壓無法實現

分類:
行業新聞
來源:
2019/03/05 15:57
  關于電網的未來,有兩種完全對立的觀點:一種認為電網會朝著“同步電網數量越來越少、電網規模越來越大”的方向發展,最終形成以特高壓(主要是交流特高壓)為骨干網架、全球互聯并統一調度的超級大電網。另一種則認為可再生能源分散化的生產和消費模式,再加上儲能技術的突破和廣泛應用,將導致電網的消亡,兩種觀點盡管南轅北轍,但卻都認為是建設能源互聯網的結果。
 
  可再生能源替代化石能源的革命,必將引起傳統電網的深刻變革,這是毋庸置疑的,但怎樣變,如何變,人們至今似乎還沒有取得共識。對未來電網發展走向的正確判斷,是科學編制電網中長期發展規劃的前提。在進入新時代,踏上新征程的時候,解決好這個問題不僅必要而且十分迫切。
 
  可以肯定,未來電網兩種較極端的情況都不會發生,電網不可能全球聯網,也不會在變革中消亡;電網始終將遵循自身的技術規律,并跟隨科學技術的進步和時代前進的步伐,不斷發展和變化,不會以個人的意志為轉移?;谶@樣的認識,本文對電網的未來以及交流特高壓的命運進行了探討,并進而對我國今后電網規劃建設的思路和原則提出建議。
 
  需要說明的是,本文中“電網”的概念基本是廣義的,多數情況下指包括發、輸、配在內的整個電力系統。
 
  1、能源互聯網與電網變革的方向
 
  一、能源互聯網的科學定義
 
  關于能源互聯網概念的內涵,經過幾年反復的認識、實踐、再認識的過程,已基本形成了共識。國家發展改革委、國家能源局、工業和信息化部2016年2月24日聯合下發的《關于推進互聯網智慧能源發展的指導意見》,集中了專家學者的智慧,對能源互聯網概念給出了一個權威的、也是科學的定義,即:能源互聯網是“互聯網+智慧能源”的簡稱,它是一種互聯網與能源生產、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的能源產業發展新業態,具有設備智能、多能協同、信息對稱、供需分散、系統扁平、交易開放等主要特征,是推動我國能源革命的重要戰略支撐。
 
  正確理解能源互聯網的定義需要把握以下幾個要點:
 
 ?。?)將能源互聯網界定為“互聯網+智慧能源”的簡稱,是由于“能源互聯網”作為一個漢語詞組,理解上存在歧義。“能源互聯網”中的“互聯網(internet)”是一個專業術語而非普通名詞,世界上不存在傳輸能源的互聯網(internet),也不存在與互聯網(internet)不相干的能源互聯網。
 
 ?。?)建設能源互聯網的目的,是以清潔、綠色、分散的能源生產和靈活、高效的用能方式滿足社會對能源的需求,助推能源革命,實現能源的可持續發展。
 
 ?。?)能源互聯網是互聯網理念和先進信息技術與能源產業深度融合產生的新業態,由此形成的具有六大基本特征的綜合能源系統,是對傳統能源生產和消費方式的顛覆,因此,技術創新、機制創新、商業模式創新以及大眾參與是能源互聯網的本質要求。
 
 ?。?)能源互聯網以智能電網(smart grid)為基礎,是智能電網的拓展和延伸形式。能源互聯網中不可能沒有智能電網,而智能電網卻可以不依賴于能源互聯網而獨立存在,因此,智能電網可以看成是能源互聯網的一種特定模式。
 
  三部委推進互聯網智慧能源發展的指導意見,除對能源互聯網給出科學定義外,還明確了能源互聯網建設的基本原則、發展目標、重點任務,以及組織實施要求等內容,是指導我國能源互聯網建設的一個綱領性文件。
 
  二、配電網是電網變革的先行者
 
  由能源轉型引發的傳統電網的變革,首當其沖的是配電網,因為配電網是能源互聯網建設的主戰場?,F在已經可以清楚地看到,配電網正在向著有源化、局域化、協同化、市場化、智能化的方向發展。
 
  有源化:能源互聯網或智能電網的建設過程,就是無數清潔綠色分布式電源(包括微電網)融入配電網的過程,配電網將改變原來只單向接受主干電網電力的狀況,成為有源(主動)配電網。配電網內電源顯著的特點是小型、分散,數量眾多,大眾參與和開放共享的理念,使越來越多的能源消費者,同時成為能源的生產者。
 
  局域化:有源化后的配電網將成為一個同時具備“發、供、用”功能的小型電力系統,它是一個真正的局域電網,是一個遵循電網分區平衡原則的自控區。分布式電源首先在配電網內平衡,然后與輸電網進行功率余缺交換,雙向互動。
 
  協同化:通過實現電能與其它能源的轉換,以及各自的有效儲存,同時根據用戶對電、氣、冷、熱不同品質能量的需求,進行不同能源間的互補,最大限度提高能源綜合利用效率。支持多能協同是能源互聯網時代賦予現代配電網的一個新的功能。
 
  市場化:分布式電源就近供電是提高能源利用率的重要途徑。一個有源配電網內需要形成一個按照市場要求運行的微平衡能源交易市場,以滿足小微能源生產者和各類消費者間的靈活自主交易。配電網的營運者也將從一個單純的電力提供者,轉變為一個綜合能源供應服務商。
 
  智能化:傳統配電網原來的結構和模式,包括一次系統和二次系統等,都不能適應和滿足分布式電源接入,以及多能協同運行的要求。配電網內的能源互聯網建設,將構建起信息系統與物理系統高度融合的智能化調控體系,實現更高水平的快速響應與精準控制,使配電網成為完全支持清潔綠色能源分散化生產和消費的智能電網。
 
  三、電網走向分布式和扁平化是不可阻擋的潮流
 
  有三股無法抗拒的力量,同時向著一個方向,推動傳統電網的變革。
 
  第一股是能源轉型革命的力量。以可再生能源替代化石能源的轉型,是人類實現自身可持續發展的必然要求,而建設能源互聯網則是實現能源轉型的必由之路。智能電網是能源互聯網的核心和基礎,也是未來電網的雛形。隨著能源清潔化、綠色化程度的不斷提高,能源互聯網的建設將由量變到質變,最終完全改變傳統電網的面貌。
 
  第二股是能源技術革命的力量。大致來自四個方面的技術創新,將對傳統電網的變革產生重大影響:一是低成本長壽命的各種儲能技術,以及氫能的生產和利用技術;二是低成本高效率的太陽能和與電網更加友好的風能等可再生能源發電技術;三是直流電網以及超導輸電等技術;四是核聚變、可燃冰、干熱巖等新能源的開發利用技術。任何一方面技術的重大突破,都具有顛覆傳統電網的力量。國家發展改革委等5部委于2017年9月印發的《關于促進儲能技術與產業發展的指導意見》,規劃了我國未來10年儲能技術發展的藍圖,人們有理由相信,傳統電網的變革正在提速。
 
  第三股是電網分區就近平衡規律的力量。任何一個電網要想具有更好的經濟性和更高的可靠性,必須遵守分區就近平衡的規律,不可舍近求遠?;ヂ摼W背景下由能源轉型推動的電網變革,分區就近平衡的規律不僅沒有過時,而且還將達到一個更高的水平。電網自身的客觀規律產生的力量是不可抗拒和經久不衰的,它將執著地推動電網向著分布式和扁平化“歸真返璞”。
 
  杰里米·里夫金在《第三次工業革命》一書中說:集中型的超級電網與分散式的智能網絡之爭,將決定子孫后代究竟要從今天人們的手中繼承一個什么樣的經濟和社會的問題。里夫金先生以經濟學家和未來學家的眼光觀察問題,也得出了電網正在向著分布式和扁平化方向發展的結論。
 
  能源互聯網盡管與未來的電網不能劃等號,但它顯示了電網發展的基本方向??梢耘袛?,未來的電網將在分布式和扁平化的基礎上,最終形成多分區自治、互聯互動、且支持多能互補的網絡格局。
 
  2、交流特高壓輸電是應當盡量避免采用的技術方案
 
  交流特高壓代表了傳統電網技術的最高水平,這一點在認識上基本沒有異議。世界電網100多年的歷史,就是一部沿著“單機容量越來越大、電源越來越集中、電壓等級越來越高”的路線前進的歷史。交流特高壓技術在工程應用上的成功,表明了我國的高電壓絕緣、電氣設備制造、電網運行控制等技術走在了世界前列。但在感到驕傲的同時,也不能不令人遺憾,由于交流特高壓有一些天生的不足,加之社會的進步和新技術的飛速發展,尤其是能源互聯網的建設,已使交流特高壓輸電成為一種在工程上應當盡量避免采用的技術方案。
 
  這種方案至少存在以下四個方面的問題:
 
  一是與電網正在進行的變革趨勢嚴重不一致。電網的電壓等級越高,表明電網的集中度越高,這恰恰與電網分布式和扁平化的發展方向背道而馳。事實上,交流特高壓不僅在未來的電網里找不到自己的位置,就是在能源轉型的過渡期也不需要。理論和實踐都表明,只要對各類電源的發展進行合理的統籌規劃和布局,無論國外還是國內,電網最高電壓保持為超高壓等級,都可以滿足能源轉型前電網發展的需要。而當能源互聯網建設的大幕開啟后,交流特高壓事實上已經成為了能源技術革命的對象。
 
  二是增加電網的復雜性和安全風險。采用交流特高壓方案,需要在現有500千伏電網之上再疊加一個1000千伏電網,結果使我國電網的電壓層次從現有的5層增至6層(即變為0.4/10/110/220/500/1000千伏),成為世界上電壓層次最多最復雜的電網。更嚴重的問題是,當風電和太陽能等可再生能源比例越來越高的時候,整個電網的轉動慣量將變得越來越低,此時的交流特高壓電網就像一些粗壯的橫梁,架在變得越來越少的支柱上一樣,其脆弱性、穩定性可想而知。面對將來數以千百萬計的無慣量和低慣量分布式電源,如何保證電網的穩定運行和可靠供電,交流特高壓電網已經力不從心了。
 
  三是需要付出更高的環境代價。傳統電網是一個“立體”結構,每一級電壓基本都對應著一層電網,各層電網間是疊加的關系,用戶接在電壓等級最低的一層網上。從某種意義上說,高電壓等級電網是對低電壓等級電網的“重復建設”,因為上一級電網基本不能替代下一級電網(變電容量的建設尤其如此)。1000千伏交流特高壓的輸電線路和變電站占地面積都相當大,建設交流特高壓電網意味著要為多增加一層電網付出更大的環境代價。
 
  四是造價高,能損大,經濟效益差。由于多了一層電網,整個電網的投資,以及總的能損都增加了。研究表明,“交流特高壓電網+直流特高壓+500千伏電網” 與“直流特高壓+500千伏電網”兩種方案相比,前者的“性價比”很低。由于電壓太高,交流特高壓的建設過程中還會碰到很多無法預計的問題,引發投資爆炸性增長。如華東交流特高壓環網跨長江工程,最初設計采用鐵塔線路從江面跨過,由于影響航運改為GIL管道從江底穿越,長度約6千米,投資47.6億元人民幣(單位千米投資是普通交流特高壓線路的45倍以上)。如此大的投資成為電網的“準許成本”后,想要降低輸電電價的愿望恐怕就很難實現了。
 
  如果全國真的建成一個交流特高壓同步電網,除了成為全世界電壓等級最高的電網外,還將成為全世界最大、最復雜、風險最高、輸電網占地最多、輸電電價最高的電網,顯然是十分不明智的。
 
  3、重新審視和調整我國電網規劃建設的思路
 
  一、對已建交流特高壓工程進行后評估
 
  我國已建的交流特高壓工程,剛投運就碰上國家經濟進入新常態,GDP和電力負荷增速變緩,部分產業產能過剩的情況,其輸電利用率都很低,看起來是“生不逢時”,其實也是對事物客觀規律缺乏深刻認識導致的結果。進入新時代、開啟新征程、確立新目標的時候,有必要對已建交流特高壓工程進行一次全面、客觀、科學的后評估?,F在的政治生態越來越好,為實事求是總結經驗教訓創造了良好條件。政府主管部門應當委托有資質、有能力、有信譽、有擔當的咨詢研究單位,組織專家工作組,深入實際調查研究,用數字和事實說話,提出經得起歷史和人民檢驗的后評估報告,為我國新時代的電網規劃建設提供借鑒。
 
  回顧和總結過去,有一些寶貴的經驗和啟示,值得記取和深思:
 
 ?。?)掌握辯證法,學會辯證思維,對于電網規劃工作尤其重要。只有善于區分什么是貌似強大的舊事物,什么是看似弱小的新事物,敬畏客觀規律,才能順應能源革命的潮流,真正把握住我國電網的未來。
 
 ?。?)直流特高壓和交流特高壓沒有共生、共存、共榮的關系。直流輸電潮流可控,輸電電壓和容量可根據需要靈活確定,是讓直流工程滿足電網的需要,還是讓電網滿足直流工程的要求,是直流工程規劃建設中存在的兩種做法。顯然,前者是明智的,后者是愚笨的。
 
 ?。?)不可把創造世界第一當做工程建設的必要性。創世界第一是工程建設的結果,而不是工程建設的原因。追求世界第一是可以理解的,但不能為第一而第一,特別是在別人不屑參與競爭的工程領域,沒必要把世界第一看得太重。
 
 ?。?)對于國計民生影響重大、且專業性特別強的壟斷企業,如果不采取必要的措施限制、反而一味地強化其壟斷性,結果可能會導致本位主義膨脹,出現綁架政府的情況。南方電網公司所以能夠對電網的發展規劃進行多方案比較,最終淘汰交流特高壓而選擇“直流特高壓+500千伏電網”方案,就是因為它的壟斷度尚未達到使監管失效的地步。
 
 ?。?)我國的電力體制改革相對滯后,一些長距離特高壓輸電工程的建設,并不是市場選擇的結果,而是壟斷企業借助行政力量推動的結果。全面深化電力體制改革,建立公平公正的電力市場,對于確保電網規劃建設的合理性至關重要。
 
  二、科學統籌能源轉型期傳統電源的規劃布局
 
  歐美等發達國家的電網,在上世紀傳統電源占主導地位的條件下,以400千伏或500千伏的最高電壓(美國和加拿大局部電網最高電壓為750千伏),滿足了負荷基本飽和的需要,避免了交流特高壓的出現。在世界進入能源互聯網時代的今天,我國避免采用交流特高壓的條件無疑是更好了,關鍵的問題是,在大力發展可再生能源的同時,要按照電網技術和電力市場規律的要求,切實做好能源轉型期傳統電源的規劃布局工作。
 
 ?。?)煤電的有限增量一定要用在刀刃上
 
  我國能源轉型需要的時間,與發達國家相比無疑會更長一些。原因一是我國尚未完成第二次能源轉型的任務,導致我國是在以煤炭為主的條件下,而不是在以氣和油為主的條件下進行第三次能源轉型的。二是能源互聯網的建設,除需要依賴先進的技術外,還要有好的體制和機制,以及擁有新觀念的大眾的參與與配合,而創造這些條件同樣也需要時間??梢耘袛?,今后20年或者更長時期內,煤電仍將是我國的主力電源,只不過煤電的增量是有限的。
 
  我國能源轉型的整個過程,就是煤電的地位從主要到次要,再到退出的過程,也是煤電從主要承擔基荷到主要承擔調峰和保安的過程。今后的新建煤電,無論是絕對增量還是替代容量,都應根據煤電地位和作用的變化,從有利于促進能源轉型的要求出發進行合理布局。
 
  布局靈活是煤電的一大優勢。在整個能源轉型期,煤電比任何時候更需要布局在受電端,因為只有這樣,煤電才能充分發揮其調峰和保安的功能,從而為提升電網消納可再生能源的能力創造有利條件。煤電的遠距離輸送應當盡可能減少,因為除存在能損大和增加安全風險等問題外,更為不利的是它不僅不能貢獻自身的調峰容量,反而還要求受端為其調峰,結果雙倍減少電網的調峰容量,降低電網接納可再生能源的能力。
 
  從長遠看,煤電是要逐步退出的,無論從電網的經濟性、安全性,還是接納可再生能源的需要等方面考慮,首先退出的都應當是距離負荷中心最遠的電廠,按由遠及近的次序分批退出。如果新建煤電廠都很遙遠,只有老舊煤電廠在受電端,退出的次序可能會被迫反向,這正是今天的煤電規劃布局需要解決的問題。
 
  將有限的煤電布局在受電端,即符合電網自身的技術規律,也是按照市場經濟規律配置資源的一種方式,更是能源轉型過渡期的需要,應當成為我國今后電網規劃建設的一個基本原則??梢詰c幸的是,煤電清潔化利用技術和我國鐵路交通的發展,為煤電在受電端的建設提供了比過去更好的條件。
 
 ?。?)充分發揮天然氣在能源轉型中的橋梁作用
 
  歐美等發達國家最終能夠避免出現交流特高壓,一個重要原因是他們實現了第二次能源轉型,大幅提高了天然氣在能源消費結構中的占比。2015年歐洲天然氣發電量占全社會用電量比例超過17%,俄羅斯達到50%,美國為32%。由于天然氣電廠都建在用電端,自然減少或避免了電力的遠距離輸送。
 
  我國天然氣目前在一次能源消費中的占比約為7%,發電量占全社會用電量比例約3%,提升的空間還相當大。煤電和氣電都可以承擔電網的調峰和保安任務,但由于碳排放量不同,在能源轉型過程中,首先退出的肯定是煤電,氣電在電網中的比例越大,煤電退出的速度也越快。法國能夠宣布2021年關停所有煤電廠,就是因為法國的煤電目前只占總裝機的2.3%。
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