中科院院士院士周孝信：能源转型中我国新一代电力系统技术发展趋势

2017城市能源互联网发展（北京）论坛暨能源互联网示范项目建设与合作研讨会于2017年12月1日在北京举办。主题报告环节，中科院院士院士周孝信发表演讲，主题是：能源转型中我国新一代电力系统技术发展趋势。

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周孝信：

我今天题目叫做“能源转型中我国新一代电力系统技术发展趋势”。主要内容有几个：

第一，能源转型与电力系统转型。搞了一辈子电力系统，电力系统要不要转型。

我国能源转型与革命的目标。习总书记2014年提出了能源发展战略思想，从那时候开始，给我们指明了方向。

我个人理解，以可再生能源逐步替代化石能源，实现可再生能源，清洁、低碳、高效能源体系，在一次能源生产和消费中占更大份额。它是新一代的能源系统，是我们能源革命核心目标。

能源转型主要指标在我们国家发改委和能源局，他们在去年发布的一些规划和战略里面，2020年一次能源  消费总量是50亿吨标准煤，非化石能源占一次能源消费15%以上。电力也有相应的目标，在“十三五”里提出来。

2030年，能源消费革命的战略进一步的明确这样一个思路。特别提到2030年初步构建现在的能源体系，还有很重要特征，非化石能源发电量在2030年，力争达到50%，2050年非化石能源占比超过一半，要建成这样一个现代能源体系，就是清洁低碳安全高效这样一个体系。

关于一次能源的消费，消费结构情况，这个现在看来有不同的一些想法，一个情景一一个情景二，整个一次能源消费里面到2050，煤占20%，油气占30%，非化石能源占50%。煤占得比较多，2050年，煤占40%，油气30%和化石能源30%，这个战略和国家战略不符。

2050年的情况还比较远，2030年，大家一件基本上是一致的。

能源转型过程里边，我们电力系统起什么样的作用？刚才讲非化石能源在一次能源消费中占比，比重，这个指标是非常核心的指标。指标要依靠什么来完成？事实上是依靠电力系统发电来完成，什么发电？非化石能源发电完成，占比要占整个非化石能源90%以上，主要是水电、核电、太阳能发电、风电、生物质这些加起来。要想实现国家能源转型目标，电力系统首先要转型。

我们用一个很简单的模型做的计算，基于国家能源发展战略目标来估算电力怎么办。算下来的情况，就是这张图。2020年的情况，2030年和2050年的情况。2020年，战略联盟，提出能源消费总量是50亿吨标煤，非化石能源占比按15%，人均用电按5千度，非化石能源的电量占比34.5%，这些完全可以实现。

2030年的情况，能源消费60亿吨标煤，非化石能源占比20%，人均年用电量按6千度算。算的结果，装机容量要到27亿千瓦/时，非化石能源发电量占比接近50%，刚才提到那个指标，战略报告里边提出要50%，我这算下来48%，也都差不多50%。

2050年的情况，人均消费总量还要降低，按55亿吨标煤，我们很大提高能源利用效率，效率增长使能源消费总量可以降低，我们最近做过一些分析，认为完全是没问题的。非化石能源占比25%，人均用电量按9千度算。装机容量到50亿千瓦。还有非化石能源电量占比，占78%，扣除核电10%，剩下70%左右是由可再生能源来提供的，包括水、电、风电、太阳能。要想达到我们国家的战略目标，就必须这样做。2050年这样一个情况，高比例可再生能源能不能在电力系统里运行，我们最近也做了研究，模拟往下算，应该是可以的，但是条件是什么？需要更多的储能，网间的传输线路要加强，另外我们发电资源灵活性要更高，包括火电。在这样的情况下是可以运行的。我们也有个数，今天没有说，因为报告还没出来。

这是刚才算的结果，做的一个趋势。能源转型和电力系统转型，从国家标来看我们电力系统必须转型。

第二，新一代电力系统及其主要技术特征。

哪几个技术特征，归纳四条。一条，高比例可再生能源，电力系统里面将来是高比例再生能源，发电量要达到70%，装机容量就更高了。第二，高比例的电力电子装备，这是和可再生能源相关，西部清洁能源东输，直流输电。第三，多能互补的综合能源电力系统，以电力系统为中心，多种能源协调、互补，提高能源利用效率。第四，信息物理融合的智能电力系统，在智能电网的基础上扩充，所谓深度融合比原来那个想法可能更进一步。

什么叫新一代电力系统？在几年前我曾提出三代电网，第三代电网是新情况下，电力系统发展和原来是不一样的，和上个世纪前50年，小机组小电压的情况，和后几十年大机组超高压的情况不一样，化石能源讲日渐枯竭，环境要求越来越高，全球气候变化等等原因，第二代电力系统，依靠大电网超高压，不可持续的模式，要转型，转为第三代电力系统，可再生能源和清洁能源发电为主，骨干电源分布式电源结合，主干电网和局域网结合。一句话，基于可再生能源和清洁能源可持续发展综合能源电力发展的模式。

高比例可再生能源系统，实际上目前西部、北部一些省份是高比例了，像新疆已经超过了35%，像甘肃，41%，这些都是比较高的。即便是内地的省份，它的比例不高，但是  绝对值也是很大，像山东、江苏这些。看未来情况，这个比例还要高，未来的方向，从技术来看一定是高比例，可再生能源系统，带来一些问题。包括未来还要继续发展，风电成本逐步降低，光伏成本逐步降低等等还有光热发电，当然也面临系统着大挑战，在西部面临可再生能源进入弱电网的挑战，还有弃风弃光这些技术问题，我们希望通过技术问题解决，重要的还是体制问题。

第二个，高比例电力电子装备。首先我看直流输电。右边这张图，把特高压直流发电放在这个图上，这个都有数据，不细说了。这个发展还是很大很快，有一些工程在建设之中。还有新发展，柔性直流输电。它有很多的优点，传统的直流输电遇到一些困扰，比如换相失败等等问题，柔性直流输电，通过新一代的输电，已经在一些地方做一些示范的工程，而且现在正在对于一个张北到北京四端柔性直流输电工程，也算示范工程，核准开始建设，据说是很快。

大电网，像风能、太阳能、光伏接入电网都是里边变流器接入。

高比例电力电子装备电力系统的运行稳定性问题，还有惯性减小，传统电力系统中等干扰不怕，因为有惯性，发电机的转子，里边储存的能量可以对系统频率扰动抑制变化，接入电网都是变流器逆变器，使整个惯性大大减小，对我们是很大的挑战，现在正在想办法解决。包括逆变器、变流器里边能不能加以控制，和储能配合。

第三个特点，多能互补的综合能源电力系统。

我们分成两类，一个是源端基地综合能源电力系统，我们国家从可再生能源发展，最丰富的资源还是在我们国家西部，从未来2050年发展，我们需要几十亿千瓦的风能、太阳能，纯粹依靠东部的分布式发展还是不行不够，还是要在西部大规模的发展，发展，你就得当地怎么把它利用起来，一部分输送出来。这个就是搞一个综合能源系统。首先西部可再生能源包括一部分常规的能源，把它互联起来，相互补充，实现多能互补，中东部的输电，很大程度上提高东部线路上的利用率。另外一个，我就地利用，这个事以后做？为什么？我们没有那么多能力，把几十亿千瓦的电往东送，是不可能的，我们做了一个简单的分析，几年前，西电东送到底你有多大的可能性？你送多大的容量就差不多了，我们是4.5到5.5亿千瓦，目前是多少？目前1.7亿，我们十三五是2.7亿，在西部还是要就地转化，转化成不同能量的形式，保证储能、氢能，还有金属空气电池等等，多种多样的办法，我认为是必须的。储能我们眼界要宽一点，还要考虑别的，我们国家能源确实需要西部的能源往东部输送，纯输电是做不到的，我们做电力系统，不要把这些都压到电力系统身上，它做不完。

还有一个，终端消费综合能源消费系统。这个大家都很清楚，用户的多能互补，包括区域、城市、园区等等，热电能联产，多种能源的互补，最大的好处能源利用效率可以大幅度提供。

第四，信息物理融合智能电力系统。

智能电网基础上，我们进一步到能源互联网，这个能源互联网，核心的  意思是三个层次，一个是以电力系统核心和纽带，多种能源互补  互联互通的能源网，我认为能源互联网首先是一个能源网不是单纯的信息网。通过多能互补，大幅提高能源综合利用效率。第二点，能源系统与互联网技术深度融合的信息物理系统。这两方面的含义，一个以互联网思维和技术改造传统电力系统。电力系统的思维是垂直，我发电你用电，现在看来需要互联网这个思维，要辨别，以用户为中心，它也可以提供一部分能源等等，供能单位还要为它创造价值。这个是改造电力系统，广泛应用物联网、云计算、大数据，大幅提升能源电力系统的灵活性、适应性、智能化和运营管理水平，大幅度提高接收波动性可再生能源的能力，助力能源转型。我们电力要学习互联网的做法，另外互联网也要学习我们，早期互联网就是学习电力系统，电力系统能做到的事它做不到，十几年前，你们电力系统太好了，电机插电就有了，我们不行，我们不能一插计算能力就有了，分析信息就来了，现在都可以做到，所以我觉得这两种网一个信息网一个是我们的电力网、能源网，相互之间深度融合，首先是理念深度融合，完了是技术深度融合。第三，以用户为中心能源电力运营商业模式和业务业态，向用户提供  便捷互动的能源、电力综合服务，助力能源市场化和相关产业发展，提高人民生活质量。

下面几类技术突破和全局性影响，我把它归结五条。

第一，高效低成本太阳能风能发电技术。真是说达到这样一个高比例的水平，你的成本必须降低，而且效率要提高。现在看来还达不到这点，这些年进步非常快，特别是太阳能发电进步非常快，真正说实现我们最后的目标，实现转型必须要做到。

​有重点突破的技术，一个是光伏电池要提高效率，现在实验室做效率可以很高，工业化的生产还实现不了，听说是20%不到的  水平。

第二，宽禁带半导体电力电子器件。现在半导体比较脆弱，电力电子比较脆弱，一个是体积也大 ，频率高，效率损害就比较大，波载能力也比较低，怎么办？要新一代的电力电子，就是宽禁带半导体的电力电子器件。但是难度也很大，但是我觉得，也是必须突破的。

第三，储能技术。我们在现有的储能、储电技术进步基础上要进一步的发展，而且扩展我们的储能的视野，不仅仅储电还有储热还有储别的，储金属。使我们的储能在未来电力系统中发挥一个非常关键的作用，没有它是不行的，这个技术上还要进一步突破。

第四，先进输电线路技术。大家去过西北没有，河西走廊，最窄的地方十几公里宽，那里边密集排列了西能东输各种各样的线，包括高压输电线包括输油管道、输气管道都在那儿过，将来大量西电东送，我走廊是不够的，怎么办？想办法，技术突破，一个突破高强度低成本绝缘技术，使我们的线路，不一定用架通线，我们底下走电缆，成本要低、强度要高，这是有可能做到的。还有一个，我们用超导输电。最近有一个项目要进行研究，就是管道又输电又输燃料，每钢人超导输电管子里边也输氢，也是一个输能管道。电压是直流输电，里边还送一部分氢气，液态氢。当然这仅仅是一个设想，十几年前，我把它图拿来，但现在这么多年没有进展。现在超导技术也有进步，我们很有想法，也是专家几年前提出来，我这管道不要通氢气，可不可以直接通液化天然气，它的温度是110度K，温度比较高，这么高的温度，超导材料还没做到这么高，高温超导没高这程度，现在是93K五，我如果把超导天然气液化温度降到这样一个范围，提了25度到90K，这个时候两个就配起来，又能输液化天然气混合气体又能输电，这是最近发布的重点专项，《行动指南》里有，这是前几年专家提出来的设想，如果能实现当然非常好，目前还是一个理念能不能实现的问题，能实现成本到底怎么样，是下一步的问题。

第五，人工智能。人工智能大家谈得很多也很关注。到底会起什么作用？工业部门、电力系统、能源部门起什么作用，这个还是要继续探讨，电科院准备做这个工作，在准备进行研讨了。但是这个事要关注。首先要做大数据，大数据分析。话说大数据，数据从哪儿里，曾嵘教授讲的，芯片，就是传感通信两功能都有，价格很便宜，叫做无所不在的传感器，把我们装备信息全部收集起来，也不耗能，或者耗能耗得很少，又很便宜，这样的话大数据就有基础了，就叫物联网。还有深度学习，神经网络，这都是反应。最近一个新发展，叫阿尔法狗 Zero，不需要你这些经验，都可以自主来学习，进步，这些东西不太好说，我们能不能用，不能知道，但是这些事大家要关注。

建设清洁低碳安全高效的新一代能源系统是我国新一轮能源革命的核心目标，实现这一目标的关键作用。

电力系统以化石能源为主向低半可再生能源转型，将对能源转型目标的实现起关键作用。

第三代电力系统100多年来第一第二电力系统的传承和发展，是推动能源转型发展、构成新一代能源核心系统的电力系统。

高比例可再生能源、高比例电力电子装备，以及信息物理深度融合智能化是新一代的显著技术。

几类技术的突破有可能对未来能源电力系统的发展带来全局性、变革性甚至颠覆性的影响。谢谢大家！

（发言为现场速记整理，未经本人审核）