壘球能源互聯(lián)網技術創(chuàng)新重點領域及關鍵技術
謝國輝，李瓊慧
（國網能源研究院，北京 1 02209）
摘要：推動全球能源互聯(lián)網由戰(zhàn)略構想轉為現(xiàn)實行動，迫切需要加快能源電力技術創(chuàng)新。提出全球能源互聯(lián)網技術創(chuàng)新的五大重點領域，涵蓋大容量遠距離輸電技術、大電網安全運行和控制技術、新能源發(fā)電及并網調控技術、先進儲能技術和互聯(lián)網信息通信技術等，分析了各領域對全球能源互聯(lián)網構建具有重要支撐作用的若干關鍵技術．研判了各類關鍵技術未來的研發(fā)重點、發(fā)展趨勢和應用前景。
關鍵詞：全球能源互聯(lián)網：技術創(chuàng)新：五大重點領域；應用前景
0引言
隨著新能源的發(fā)展，未來能源發(fā)展將由“資源依賴型”轉向“技術依賴型”，技術創(chuàng)新已經成為各國支撐新興產業(yè)發(fā)展、搶奪未來技術制高點的重要抓手。全球能源互聯(lián)網是對現(xiàn)有能源生產和消費方式的重大突破，進一步提升了特高壓等遠距離大容量輸電技術、大電網運行控制技術以及新能源技術發(fā)展的重要性和戰(zhàn)略意義，必將成為推動新一輪全球能源電力技術創(chuàng)新發(fā)展的強大引擎和不竭動力。
推動全球能源互聯(lián)網由戰(zhàn)略構想轉為現(xiàn)實行動，規(guī)模宏大且技術更加復雜，迫切需要加快能源電力技術創(chuàng)新，解決超大規(guī)模、超遠距離的電能輸送問題，交直流混合大電網的安全運行和穩(wěn)定控制問題，跨時區(qū)、跨地域的“源一荷”互補優(yōu)化問題．多種新型能源發(fā)電技術和并網調控問題，以及互聯(lián)網信息技術融合應用等問題。
目前，遠距離大容量輸電技術、大電網調度運行和控制技術已經取得了重要進展，中國特高壓交直流輸電關鍵技術、重大裝備和工程建設，駕馭大電網安全運行、實現(xiàn)大范圍資源優(yōu)化配置的大電網調度運行和控制技術總體上走在了世界前列。在新型能源發(fā)電技術方面，風電和光伏發(fā)電技術取得重大進展，4～6 MW風機已經大規(guī)模商業(yè)化應用，晶硅、薄膜太陽電池最高發(fā)電效率突破20%。未來需要進一步突破包括適應極寒天氣、更深海域的大容量高參數(shù)風機技術，以及更高效率、更低成本的太陽能電池技術等。在互聯(lián)網信息技術融合應用方面，移動互聯(lián)網、云計算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網等先進信息通信技術在電網配用電領域實現(xiàn)了廣泛融合應用。未來需要進一步擴展應用領域，積極探索構建天地協(xié)同的通信體系和信息支撐體系。
本文將在綜合分析多種能源電力技術研究和應用現(xiàn)狀的基礎上．提出全球能源互聯(lián)網技術創(chuàng)新的重點領域和關鍵技術，分析研判各領域關鍵技術未來研發(fā)重點、發(fā)展趨勢和應用前景，以及對全球能源互聯(lián)網構建的支撐作用。
1 全球能源互聯(lián)網技術創(chuàng)新趨勢和重點領域
從構建全球能源互聯(lián)網需要重點解決的技術問題出發(fā)，全球能源互聯(lián)網技術創(chuàng)新趨勢突出體現(xiàn)為以下三大方面。
(1)突破多種新型能源發(fā)電技術，滿足全球大型新能源基地的大規(guī)模開發(fā)和利用。風電、太陽能發(fā)電、海洋能發(fā)電等新能源基地是全球能源互聯(lián)網重要的源端電源，需要進一步加快新能源發(fā)電技術創(chuàng)新，降低新能源發(fā)電成本，突破大容量儲能技術，為新能源基地規(guī)�；_發(fā)創(chuàng)造條件。
(2)發(fā)展先進大容量輸電技術和特大型電網安全控制技術，確保新能源基地大規(guī)模外送和電網安全穩(wěn)定運行。未來洲際互聯(lián)大電網加快建設，海上、極地地區(qū)大型新能源基地開發(fā)將進一步推動輸電技術向更大容量、更高電壓等級、更靈活可靠接入的方向發(fā)展。
(3)深度融合應用信息通信技術，全面提升電網智能化互動能力。為更好地適應全球能源互聯(lián)網海量信息處理、能源流和信息流雙向流動、高滲透率分布式電源接人、多元用戶供需智能互動等新趨勢，需要深度融合應用更先進的信息通信技術。
基于技術創(chuàng)新趨勢分析．未來全球能源互聯(lián)網技術創(chuàng)新的重點領域包括大容量遠距離輸電技術、大電網安全運行和控制技術、新能源發(fā)電及并網調控技術、先進儲能技術和互聯(lián)網信息通信技術等五大領域。如表1所示。
2大容量遠距離輸電技術
重點需要突破特高壓交直流輸電技術及裝備、柔性直流輸電及直流電網等關鍵技術。
2.1 特高壓交直流輸電技術及裝備
為支撐洲際聯(lián)網和偏遠地區(qū)新能源基地電力外送，未來特高壓輸電技術將向更大容量、更高電壓等級方向發(fā)展，輸電距離超過3 000 km,輸送容量超過1 000萬kW,具備更大范圍資源優(yōu)化配置能力。
目前，特高壓直流輸電的換流器、斷路器、直流穿墻／換流變套管等高端裝備還尚無法滿足更高電壓等級輸電技術性能。未來需要重點突破±1 100 kV以上電壓等級的直流輸電關鍵技術和高端裝備的制備、工藝技術，特高壓交直流輸電的電磁環(huán)境與電磁十擾防護技術、特高壓設備狀態(tài)評價、預警診斷技術等。建設適用于極端氣候條件下的±1 100 kV及以上電壓等級的特高壓直流輸電示范工程。
2.2柔性直流輸電及直流電網
柔性直流輸電是實現(xiàn)新能源并網、城市供電、海島互聯(lián)以及分布式能源接人的重要技術，高壓直流電網是柔性直流輸電的升級版，可以支撐大規(guī)模新能源靈活接入，進一步提高電網運行的可靠性和安全性。柔性直流輸電及未來直流電網技術將與特高壓電網等多種先進輸電技術共同支撐全球能源互聯(lián)網建設，滿足“一極一道”等全球大型新能源基地電力大規(guī)模送出。
目前，高壓柔性直流控制保護技術及裝置、直流電纜及絕緣材料、多端柔性直流仿真測試技術能力仍不成熟，電壓等級和輸電能力有待進一步突破，直流電網技術還停留在概念沒計和技術研究階段。未來，需要突破基于架空線的柔性直流輸電技術，以及直流電網規(guī)劃與網架構建理論和控制保護技術，研制出高壓柔性直流輸電及直流電網的成套裝備，包括高壓直流斷路器、高壓DC/DC變換器、直流電網潮流控制器等。
預計在2030年左右，柔性直流輸電工程的直流電壓等級有望達到+800 kV及以卜，容量超過500萬kW。多個直流電網將建成．包括歐洲超級電網和張北+500 kV直流電網等．如圖1和圖2所示。
3大電網安全運行和控制技術
重點突破特高壓交直流電網的建模和仿真技術、保護和控制技術等。
未來隨著特高壓交直流電網快速發(fā)展和新能源大規(guī)模開發(fā)，大電網安全運行和控制面臨巨大挑戰(zhàn)。一方面，特高壓交直流電網使得電網運行特性發(fā)生深刻變化，交流與直流、送端與受端相互影響．交直流故障連鎖反應機理復雜，特高壓多直流、大容量集中饋人帶來電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定問題，給電網安全運行帶來重大影響；另一方面．新能源發(fā)電的靜態(tài)特性及電網發(fā)生故障時的暫態(tài)特性與傳統(tǒng)同步發(fā)電機組有很大不同，對大電網運行的影響機理更加復雜。
當前電力系統(tǒng)運行中應用的仿真理論和控制技術已不能適應未來電網發(fā)展和大規(guī)模新能源接入的要求，需要全面把握特大型電網發(fā)展的規(guī)律，開發(fā)出適應超大規(guī)模交直流混聯(lián)系統(tǒng)、大規(guī)模新能源接入的電網建模技術、全電磁暫態(tài)仿真技術、大電網安全控制和保護技術、大電網優(yōu)化調度技術等，提升電網安全穩(wěn)定運行水平。
4新能源發(fā)電和并網調控技術
重點突破風電、太陽能發(fā)電、海洋能發(fā)電設備本體技術及并網調控技術。
4.1 大容量高參數(shù)風機技術
為支撐全球能源互聯(lián)網構建，滿足北極風電、歐洲北海風電、澳大利亞海上風電等大型風電基地電力外送，需要進一步突破大型風機設計制造技術。預計在2030年年底，將實現(xiàn)20 MW及以上風機的商業(yè)化應用，如圖3所示。全球風電裝機達到16億kW，比日前增長3倍左右。
4.2高效低成本太陽能發(fā)電技術
太陽能發(fā)電在提高轉化效率、降低發(fā)電成本、實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應用方面有著巨大的技術創(chuàng)新空間和廣闊的發(fā)展前景。未來光伏、光熱發(fā)電技術的進一步突破將加快全球能源互聯(lián)網構建步伐，滿足北非地區(qū)、南美洲東兩海岸等大型太陽能發(fā)電基地開發(fā)利用。
預計2030年，晶硅和薄膜電池光能轉換效率分別提高至30%和25%,鈣鈦礦型、疊層等三代太陽能電池效率有望超過50%。光伏發(fā)電平均度電成本相比口前下降幅度將超過50%，達到0.06—0.14美元／(kW - h)．全球光伏裝機將達到17億kW,比目前增長近6倍，如圖4所示。光熱發(fā)電技術成熟應用，塔式系統(tǒng)可能成為大規(guī)模光熱電站開發(fā)的主流技術，平均度電成本將下降40%,降至0.11—0.16美元/(kW -h)。全球光熱發(fā)電裝機將達到2.6億kW,比日前增長近50倍，如圖4所示。
4.3 大規(guī)模海洋能發(fā)電技術
全球廣闊的海洋能資源為全球能源互聯(lián)網構建提供重要的源端能源。海洋能發(fā)電技術包括潮汐發(fā)電、波浪能發(fā)電、洋流能發(fā)電、溫差發(fā)電等。其中，潮汐能開發(fā)利用最早、技術最成熟，但受裝機規(guī)模限制，未來仍以分布式利用為主：波浪能、洋流能技術基本成熟，目前多項技術正開展技術示范．具備大規(guī)模集中開發(fā)的條件，未米還可能與海上風電基地捆綁建設，形成集中連片的大型海上可再生能源發(fā)電基地，如圖5所示。
4.4大規(guī)模新能源并網調控技術
大規(guī)模新能源并網調控是實現(xiàn)網源協(xié)調、確保全球能源互聯(lián)網安全穩(wěn)定運行的重要技術。未來．需要進一步突破復雜環(huán)境下新能源發(fā)電功率預測、大規(guī)模新能源基地電力外送與調控、多種新能源互補協(xié)調調度與控制技術，重點研發(fā)大規(guī)模風電場與太陽能電站集群控制與調度系統(tǒng)等。
5先進儲能技術
儲能技術是支撐全球能源互聯(lián)網構建的_重點領域。儲能技術突破將推動新能源發(fā)電成為主力電源．保障傘球大型新能源基地提供可持續(xù)的電力供應。
電儲能是儲能技術領域研究和應用的熱點。電儲能包括物理儲能、化學儲能、其他儲能等。物理儲能主要有抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能：化學儲能主要有鈉硫電池、鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池、鎳氫電池等；其他儲能包括超導磁儲能、超導電容、氫儲能等。目前，相對成熟的儲能技術類型主要是抽水蓄能：已經開展工程示范的儲能類型主要有壓縮空氣儲能、鋰離子電池、飛輪儲能、全釩液流電池等；未來值得關注的前沿電儲能技術包括新型儲能電池、氫儲能、超導磁儲能等。
5.1 化學儲能技術
相比物理儲能，化學儲能在能量密度、安裝環(huán)境及選址、移動便利等方面都具有相對優(yōu)勢。目前，全球處于商用和示范應用、實驗室研發(fā)或概念設計階段的儲能電池超過30種。已示范應用的電池技術包括三元材料鋰離子電池、全釩／鋅溴液流電池、鉛碳電池等；處于實驗室研發(fā)階段的電池技術包括鋰硫電池、半固態(tài)液流電池、鋰空氣電池、鋁空氣電池等。
目前，儲能電池成本仍然很高，除電動汽車電池外．儲能電池尚未實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應用。提高功率密度與能量密度、與可再生能源聯(lián)合運行、降低成本、提高安全性等是儲能電池技術創(chuàng)新的重點。根據(jù)IRENA、IEA預測，2020年鋰離子電池、液流電池成本下降明顯，分別從當前550美元／( kW -h)、680美元／(kW -h)下降至200美元/(kW -h)、350美元／(kW -h)，降幅接近50%。2050年各種儲能電池技術成本均能夠降至200美元／( kW．h)以下。如圖6和圖7所示。
5.2 氫儲能技術
氫儲能是指通過熱化學制氫、電制氫、生物制氫等多種制氫技術．將其他形式能量轉化為氫氣貯存。當前，大規(guī)模新能源發(fā)展為新能源制氫提供新的機遇．已經成為制氫技術領域研發(fā)和項目示范應用的熱點。
目前．全球新能源制氫示范項目約30個，主要集中在德國等歐洲國家。中國新能源制氫剛起步．張北開工建設全球規(guī)模最大的風電制氫項目．配套風電裝機容量達到20萬kW,電解設備1萬kW,如表2所示。
由于新能源制氫能夠消納過剩新能源電力，平衡電網負荷和調節(jié)電力供需，未來具有較好應用前景。在源端，新能源制氫能夠將棄風、棄光電量通過制氫合成天然氣進入輸氣管道，實現(xiàn)過剩新能源電力的轉化和儲存，推動電網與氣網的有效融合。在受端，可以利用低谷新能源制氫，為推動終端電能替代開辟新途徑。目前，經濟性差是氫儲能發(fā)展的最主要障礙。制氨的電解設備投資為1500～3 000美元/kW．是燃煤電廠單位造價的2倍多。因此，降低制氫成本是氫儲能技術倉U新的方向，
6互聯(lián)網信息通信技術
信息通信技術是實現(xiàn)電網智能化、互動化和大電網安全運行控制的重要基礎。隨著全球能源互聯(lián)網的發(fā)展，信息通信的內容和覆蓋范圍將大幅擴張，迫切需要在信息通信技術領域有更大的創(chuàng)新和突破。
目前，“互聯(lián)網+智慧能源”加快發(fā)展．極大地推動了大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網、移動互聯(lián)網等信息技術在配用電領域實現(xiàn)廣泛應用。各國也同步開展了相關研究和實踐，例如，德國E-Energy計劃、美國北卡州立大學FREEDM計劃以及日本數(shù)字電網等。為滿足全球能源互聯(lián)網各個環(huán)節(jié)海量信息交互和決策的需要，未來“互聯(lián)網+智慧能源”將以電力系統(tǒng)為核心．進一步突破和應用先進信息技術實現(xiàn)多種能源融合和高效利用。發(fā)電、輸電、配電、用電設備和用戶連接到能源互聯(lián)網后，可以進行實時信息交換，并通過整合運行數(shù)據(jù)、天氣數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、電網數(shù)據(jù)、電力市場數(shù)據(jù)等．實現(xiàn)對整個能源互聯(lián)網的效率優(yōu)化和安全調度，如表3所示。
7結語
構建并推動全球能源互聯(lián)網發(fā)展．必將帶動特高壓電網、新能源、儲能、信息通信等領域的技術創(chuàng)新取得重大突破。未來．需要盡快突破一批制約全球能源互聯(lián)網發(fā)展的核心關鍵技術．重點包括特高壓交直流輸電、柔性直流輸電及直流電網、大電網仿真和運行控制、大容量風機設計制造、高效太陽能發(fā)電、化學儲能技術、“互聯(lián)網+智慧能源”等．并依托技術創(chuàng)新突破．加快推進±1 100 kV特高壓直流輸電、張北可再生能源柔性直流送出與消納、百兆瓦及以上大規(guī)模電力儲能等示范工程建設。
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