周孝信：解读新一代电力系统储能技术等与能源互联网

在新一代电力系统中，有很多新技术出现并迅速崛起，主要包括新能源发电技术、各类型储能技术、电力电子技术、新型输电技术、电力系统运行稳定性分析与控制技术以及新一代人工智能技术。随着工业化、城市化进程的不断加剧，资源的使用也在急速上升。为了让企业和社会获得可持续发展，为了给人们创造一个良好的生活环境，推进能源生产和消费革命的任务已经迫在眉睫。构建清洁低碳、安全高效的新一代能源系统，以实现最大限度地开发利用可再生能源、最高程度地提高能源利用效率，已成为我国能源转型与革命的核心战略目标。

（来源：微信公众号：“电气应用”ID：ELEC_APPLICATION）

电力系统的衍变

新一代能源系统是以电力为中心，以电网为主干和平台，各种一次、二次能源的生产、传输、使用、存储和转换装置以及信息、通信、控制和保护装置直接或间接所构成的网络化物理系统。总而言之，能源转型的核心是新一代电力系统。

回顾电力系统的发展历程，第一代电力系统是19世纪末至20世纪60年代，特点是小机组、低电压、小电网和小规模，电网安全和供电可靠性低，此时的电源和电网处于初级发展模式。第二代电力系统是20世纪70年代至21世纪初，特点是大机组、超高压和大电网，安全性和可靠性得以提高，但大电网停电风险依然存在，且仍然高度依赖化石能源，是一种不可持续的发展模式。

第三代电力系统是从21世纪初至21世纪中叶，以可再生能源和清洁能源发电为主（占比超过60%~70%），骨干电源与分布式电源结合，主干电网与局域配电网、微电网相结合。在这期间，供电可靠性大幅提高，基本可以排除用户意外停电的风险，且是以非化石能源为主的综合能源电力系统，是一种可持续的发展模式。

新一代电力系统的四大特征

第三代电力系统是100多年来第一代、第二代电力系统的传承和发展，是新形势下推动能源转型发展、构成新一代能源系统核心的新一代电力系统。新一代电力系统主要有以下四大特征。

（1）拥有高比例的可再生能源

我国新能源近些年呈现爆发式增长，2005~2017年风电装机容量增长近150倍，2010~2015年光伏发电装机容量增长100倍，2015年后每年装机量接近翻倍增长。未来，可再生能源发电量占比仍将逐步提高，预计2040年超过50%，2050年达到67%左右，逐步成为电力系统第一大主力电源。

（2）拥有高比例的电力电子装置

随着风力、光伏发电产业的快速发展，新能源大量替代传统火电，风力、光伏发电装机量持续增加，在总发电装机容量中的占比不断提高。预计2050年，风力、光伏发电总装机容量占比将接近70%。与此同时，电力电子装置在源端的应用将日益广泛，如直驱式风力发电机组变流器、光伏电站与分布式光伏逆变器、非水储能电站和分布式储能逆变器。此外，超/特高压直流输电、柔性直流输电和直流电网建设快速发展。 2010年以来，我国已先后投入了12条±800 kV以上电压等级的特高压直流工程，现在还有一条准东－皖南特高压直流输电线路没有正式投运。截止2018年1月，在运±800 kV直流输电线路已达20 647 km。在西电东输的带动下，将来的输电容量还要继续增大，线路还要继续向前铺设，因此电力电子装置在电力系统的比例将会越来越高。另外，变频负荷的大量使用也是其中一个特点，这将依赖于现代电力电子换流与功率控制技术。预计未来将有90%的电能需要经过电力变换后使用，含有电力变换中间接口装置的多样性、强非线性负荷数量将急剧增加。比如民用、工业和交通等各领域，都要使用电力电子装置。

（3）多能互补的综合能源电力系统

电力系统要扩展范围，除了提供电力以外，在多种能源互补的情况下，未来将向综合能源供应商的角色转型。有两方面内容，一是源端基地综合能源电力系统，其中包括：水电、风电、光伏发电、灵活煤电等能源基地及储能，通过直流输电网实现多能互补向中东部输电；通过电力供热制冷、产业耗电及多种途径就地消纳；电解制氢、制甲烷就地利用或通过天然气管道东送。二是终端消费综合能源电力系统，其中包括：基于各类清洁能源满足用户多元需求的区域综合能源系统和清洁能源微电网；主动配电网架构下直接面向各类用户的分布式能源加各类储能、新能源微电网；基于天然气和清洁能源的分布式冷热电联产系统。

（4） 信息物理融合的智能电力系统

在能源互联网中，信息系统和物理系统将渗透到每个设备，信息流通过系统网络将与电力流进行有效结合。以电网为核心构建能源互联网，整合各种可再生能源和传统能源。这里很重要的一点就是互联网思维和理念的渗透，不是单纯的多能互补，而是要体现以用户为中心来构建能源共享平台，使信息流和电力流有效结合，真正实现开放、共享和高效用能。

新一代电力系统的关键技术

在新一代电力系统中，有很多新技术出现并迅速崛起，主要包括新能源发电技术、各类型储能技术、电力电子技术、新型输电技术、电力系统运行稳定性分析与控制技术以及新一代人工智能技术。

（1）高效、低成本的风力、光伏发电技术

光伏和光热发电效率近年来不断提升，主要得益于新材料的开发、制造工艺的改善以及光伏电池转化效率的提升。另外，风/光发电成本持续降低，近十年来，我国光伏组件价格从每瓦近50元降至2.22元，逆变器从每瓦2元降至0.2元左右，光伏系统成本从每瓦60元降至5元左右，度电成本累计下降约90%，2018年光伏领跑基地最低中标电价已降低至0.31元/kW·h。风力发电方面，预计未来十年，我国陆上风电度电成本将下降约30%左右。

（2）高效、低成本及长寿命的储能技术

储能技术可以实现能源“断点续传”，支撑能源和信息的实时交互。在物理基础层面，储能可消纳弃风弃光，助力可再生能源比例的提高；在价值实现层面，创新的价差套利模式，可提高系统综合效益。近年来，电池储能技术发展迅速。2018年，锂离子电池的技术进步和成本下降将首次触及循环寿命5 000次、系统成本1.5元/W·h的商业化应用拐点，下一步将可能实现循环次数大于15 000次、能源效率大于90%、系统成本少于1.0元/W·h以及度电成本少于0.2元的目标。随着储能系统综合度电成本不断下降和《关于促进储能技术和产业发展的指导意见》等政策文件的相机发布，在电网峰谷电价差的引导下，以电化学储能为主的用户侧分布式储能得到迅速发展。

（3）高可靠性、低损耗的电力电子技术和新型输电技术

电力电子技术的发展，提高了能源传输与分配的安全性、可控性，推动了能源互联。新一代半导体技术——宽禁带半导体技术的推广应用，将极大推动电网中电力电子装备的升级换代，有效推动直流输配电网的建设和发展，对于新能源接入电网也将带来极大改善。

（4）电力系统运行稳定性分析与控制技术

当大量的电力电子装置和新能源接入电网之后，电网特性将发生重大变化，需要解决的问题也更加复杂。例如，直流输电受端故障闭锁引起的交直流输电系统大范围功率转移、连锁故障的分析与控制，系统惯性减少造成的频率波动和频率稳定的分析与控制，受端多馈入直流换相失败再起动引起的电压稳定问题分析、仿真和控制，随着风电VSC等电力电子设备的增加，电力电子设备之间及与交流电网之间相互作用产生的宽频振荡现象，弱交流互联下VSC-HDVC并网小信号稳定机理分析与控制，以及由于西电东输引发的对仿真分析的需求等。过去数十年间，电网运行分析工作经历了由省、区域电网独立分析向全网一体化分析模式转变的历程，仿真手段也经历了从单纯的机电暂态仿真逐步向机电－电磁混合仿真以及全电磁仿真发展的过程，如今需要新一代的电力系统仿真平台作为技术支撑。

（5）安全、高效及低成本的氢能生产储运和应用技术

当前，国家战略需求是实现能源清洁、可持续的供给，但煤炭、石油等化石能源的清洁利用难，风/光等新能源发电并网消纳难，因此创新思路是：以氢为桥梁，构建高效、可靠和清洁的风/光－煤能源系统。氢储能技术的应用，将为新能源的进一步开发利用提供新的思路。

（6）新一代人工智能技术

新一代电力系统能够实现信息实时交互、网络连接互动、多种能源协同以及需求实时响应。人工智能技术与电网应用技术的融合，将逐步实现智能传感与物理状态相结合，数据驱动与仿真模型相结合，辅助决策与运行控制相结合，从而有效提升驾驭复杂电网的能力，提高电网运营的安全性和经营服务模式变革。未来，机器感知、机器学习和机器思维等人工智能关键技术将得到广泛应用，支撑电网的智能化发展。

新一代电力系统与能源互联网

传统电力系统本身就具有互联网特性。在电源侧，传统电力系统中各类一次能源发电和分散化布局的电源结构，通过大规模互联的输配电网络，连接千家万户使用，具有天然的网络化基本特征；在负荷侧，传统电力系统终端用户用电早已实现“即插即用”，电力用户根据需要从网上取电，具有典型的开放和分享的互联网特征。但是，传统电力系统不支持用户分布式电源的“即插即用”，无法实现用户与电网之间能源和信息的双向流动，且不适应多种形式能源的协同互补，提高能源利用率的能力受限。因此，传统电力系统不能适应分散化布局用户能源电力的市场化，为能源电力用户服务的能力受限。

能源互联网的提出，为传统电力系统解决上述问题提供了可行的发展路径。能源互联网是以可再生能源为优先、电力能源为基础、各种能源协同互补、供给与消费协同、集中式与分布式协同及大众可参与的新型生态化能源系统。利用能源互联网，可提高可再生能源比重，促进互联网与能源系统的深度融合，实现多元能源的有效互补与高效利用。

新一代电力系统继承了传统电力系统中各类一次能源发电和分散化布局的电源结构，通过大规模互联的输配电网络，连接千家万户使用，具有天然的网络化基本特征。新一代电力系统发展了传统电力系统终端用户用电的“即插即用”，支持用户分布式发电上网，实现了能源和信息的双向流动，具备完整的开放、分享的互联网特征。新一代电力系统在源端能源基地和终端消费网络支持多种形式能源的协同互补，可大幅度提升能源的综合利用效率，提升可再生能源的消纳能力。此外，新一代电力系统在智能电网的基础上，与信息技术深度融合形成的能源互联网，为高比例可再生能源接入系统的调动控制、运行优化和市场化运作提供有力支撑，并进一步拓展了为用户提供综合能源服务的功能，是新一代电力系统的重要发展方向。

结束语

1）第三代电力系统是100多年来第一代、第二代电力系统的传承和发展，是新形势下推动能源转型发展的新一代电力系统。

2）高比例的可再生能源、高比例的电力电子装置接入电网、多能互补综合能源以及信息物理融合智能化是新一代电力系统的显著特征。

3）高效、低成本的风力、光伏发电技术，高效、低成本及长寿命的储能技术等六类关键件技术的开发应用将有可能对新一代电力系统产生全局性影响。

4）在智能电网的基础上，与信息技术深度融合，实现多能协同互补的能源互联网，是新一代电力系统的重要发展方向。

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