余貽鑫：中國工程院院士、天津大學(xué)教授。電力系統(tǒng)分析、規(guī)劃與仿真專家。長期結(jié)合電力系統(tǒng)工程實際進行深入的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性理論研究，特別是在電力大系統(tǒng)安全監(jiān)視、防御與控制中域的方法學(xué)方面，取得了開創(chuàng)性的國際先進成果，并在世界上首次把該成果用于實際電力大系統(tǒng)。獲國家科技進步二等獎和國家發(fā)明二等獎各1項、高校十大科技成果獎1項、省部一等獎5項。在著名刊物上發(fā)表論文300余篇，出版《電力系統(tǒng)安全域》和《智能電網(wǎng)的基本理念與關(guān)鍵技術(shù)》等7部著作。
“發(fā)展出題目，改革做文章”，分布式智能電網(wǎng)成為建設(shè)新型電力系統(tǒng)的“題眼”。
二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和，是黨中央統(tǒng)籌國內(nèi)國際兩個大局，經(jīng)過深思熟慮作出的重大戰(zhàn)略決策，事關(guān)中華民族永續(xù)發(fā)展和構(gòu)建人類命運共同體。近兩年來，實現(xiàn)“雙碳”目標的“1+N”政策體系通盤謀劃，時間表、路線圖、施工圖愈發(fā)明晰，“分布式”成為諸多重磅政策的一大“公約數(shù)”，將其看作構(gòu)建現(xiàn)代能源體系的必經(jīng)之路名副其實。
《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》指出，“加快發(fā)展非化石能源，堅持集中式和分布式并舉，大力提升風(fēng)電、光伏發(fā)電規(guī)模，加快發(fā)展東中部分布式能源”“加快電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施智能化改造和智能微電網(wǎng)建設(shè)”;《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》提出，“推動電網(wǎng)主動適應(yīng)大規(guī)模集中式新能源和量大面廣的分布式能源發(fā)展”;國家發(fā)改委發(fā)布“十四五”循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃，推行分布式能源及光伏儲能一體化系統(tǒng)應(yīng)用……
草蛇灰線，伏脈千里，能源結(jié)構(gòu)低碳化轉(zhuǎn)型加速推進、系統(tǒng)多元化迭代蓬勃演進、產(chǎn)業(yè)智能化升級進程加快、供需多極化格局深入演變，分布式智能電網(wǎng)登上歷史舞臺。上下求索，淬火成鋼，一旦艱難蟄伏的分布式智能電網(wǎng)迎來破局，必將在這場能源革命里大展拳腳。本刊記者針對分布式智能電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵問題專訪了中國工程院院士、天津大學(xué)教授余貽鑫，他認為分布式智能電網(wǎng)的提出恰逢其時，其像互聯(lián)網(wǎng)一樣將帶來顛覆性變革，激勵技術(shù)創(chuàng)新和新工業(yè)革命，是助力實現(xiàn)“雙碳”目標、保障能源安全、提升新能源終端消費比例的不二良方。
“分布式智能電網(wǎng)像互聯(lián)網(wǎng)一樣具備顛覆性”《中國電力企業(yè)管理》：
每逢出現(xiàn)新能源消納困難的情形,“分布式”便被頻頻提起。可喜的是，“分布式”白紙黑字寫進政策里，成為諸多重磅政策的高頻詞。您認為，分布式如何助力實現(xiàn)“雙碳”目標?
余貽鑫：電網(wǎng)的變化方興未艾，20世紀電網(wǎng)發(fā)展所依據(jù)的基本原理和假設(shè)都發(fā)生了翻天覆地的變化，如果不因時而變，會對能源安全造成嚴重的不良后果。在氣候變化、用戶期望、新技術(shù)涌現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟興起、配電網(wǎng)中可再生能源滲透率日益增長和無處不在的通信技術(shù)共同驅(qū)動下——分布式，即能源就地開發(fā)就地消納大勢所趨、勢不可擋。
從量上說，我國技術(shù)上可開發(fā)的風(fēng)能和太陽能潛力巨大，無論東部還是西部，完全可以滿足我國實現(xiàn)“雙碳”目標的需要。如果利用中東部的太陽能資源發(fā)電，可提供2050年的全社會年總用電量15萬億千瓦時的1/3。以光伏為例，可利用屋頂、灘涂、山坡、廢礦等就地開發(fā)模式，在同一地理空間對太陽能實現(xiàn)多元綜合利用，包括農(nóng)光、漁光、牧光互補以及建筑、交通、工業(yè)深度融合等。
從質(zhì)上講，氣候的破壞性事件增加了局部韌性的緊迫性，在自然災(zāi)害和外部襲擊、戰(zhàn)爭威脅等極端情況下，能源飯碗端在自己手里的重要性不言而喻。就地開發(fā)與消納的分布式模式下，電源離用戶盡可能地近，將波動性從源頭加以平滑，是解決“風(fēng)光”間歇性、多變性和不確定性問題的最好方式。這種模式不僅能節(jié)省電網(wǎng)建設(shè)費用、運行費用(過網(wǎng)費、網(wǎng)損)，還可提高供電可靠性，保證電網(wǎng)的韌性和抵御賽博攻擊。
《中國電力企業(yè)管理》：
自2006年起您就在國內(nèi)率先開展智能電網(wǎng)研究，作為該領(lǐng)域的奠基人，您認為“分布式智能電網(wǎng)”的內(nèi)涵是什么?
余貽鑫：簡單來說，智能電網(wǎng)是如同互聯(lián)網(wǎng)一樣智能的電網(wǎng)，是電網(wǎng)的第二次智能化，集成的能量與通信體系打通了現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)鏈的“最后一公里”，將從根本上改變?nèi)藗兊纳詈凸ぷ鞣绞?，并像互?lián)網(wǎng)一樣激勵類似的變革。
智能電網(wǎng)的特點，是電力和信息的雙向流動性，從而建立一個高度自動化和廣泛分布的能量交換網(wǎng)絡(luò)。任何智能電網(wǎng)的命脈都是用以驅(qū)動應(yīng)用的數(shù)據(jù)和信息，而這些應(yīng)用又反過來促使開發(fā)新的和改進的運營策略成為可能。電力系統(tǒng)任一領(lǐng)域，從電力用戶、電力市場、服務(wù)提供商、運行、發(fā)電、輸電和配電，所收集到的數(shù)據(jù)都可能同其他領(lǐng)域的改善相關(guān)。智能電網(wǎng)將把工業(yè)界最好的技術(shù)和理念應(yīng)用于電網(wǎng)，以加速智能電網(wǎng)的實現(xiàn)，如開放式的體系結(jié)構(gòu)、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議、即插即用、共同的技術(shù)標準、非專用化和互操作性等。
分布式是智能電網(wǎng)最基本的特征之一。除分布式發(fā)電以外，還包括各種分布式儲能、高級量測體系(AMI)、需求響應(yīng)、混合電氣車輛(PHEV)和插電式電動汽車(V2G) 的智能充電(包括監(jiān)視與控制的執(zhí)行)，商業(yè)及客戶服務(wù)以及應(yīng)用與未來服務(wù)(如為生產(chǎn)型消費者買/賣功率提供/詢問市場數(shù)據(jù))等。
分布式電源將極大地改變配電網(wǎng)的功能：如保護和自動化、電壓與無功控制、實時優(yōu)化與網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、運行計劃與風(fēng)險調(diào)度以及電網(wǎng)規(guī)劃等，并在配電網(wǎng)絡(luò)中帶來新問題與新功能：如電壓穩(wěn)定評估，孤島的負荷/發(fā)電平衡，以及市場功能等。人們將面臨如何處理數(shù)十萬分布式電源的問題，這使得電網(wǎng)成為一個超復(fù)雜系統(tǒng)，該系統(tǒng)必須有足夠靈活性和可靠性。實現(xiàn)這一目標的方法是設(shè)計一個“自愈”電網(wǎng)，其中包括高水平的監(jiān)測和自動化。為了保證整個系統(tǒng)的正常運行，所有的自動化都必須依靠強大的監(jiān)測、仿真和建模(數(shù)字孿生)工具。這些預(yù)測分析工具的一個關(guān)鍵性能是其比實時更快的分析系統(tǒng)的能力，向調(diào)度員提出控制措施以確保系統(tǒng)安全。
“建設(shè)分布式智能電網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)獨一無二”《中國電力企業(yè)管理》：
當前的電網(wǎng)和智能電網(wǎng)的區(qū)別和差距主要體現(xiàn)在哪些方面?
余貽鑫：“風(fēng)光”的間歇性、多變性和不確定性導(dǎo)致其很難單獨運行，需要采用一些功率補償或者平滑的措施支撐其安全并網(wǎng)運行——包括(初期的)火電機組靈活性改造、儲能、需求響應(yīng)和電動汽車，后兩者既是靈活性措施，又具有不確定性。同時，當前配電網(wǎng)絡(luò)是按單向潮流設(shè)計的，不具備有效集成大量分布式電源的技術(shù)潛能，分布式發(fā)電并網(wǎng)存在諸多障礙，包括電力系統(tǒng)應(yīng)對惡意行為和自然災(zāi)害脆弱等。
因此，建設(shè)新型電力系統(tǒng)需要一個能接納高比例分布式可再生能源、抗擾能力強、適應(yīng)雙向潮流的電力交換網(wǎng)絡(luò)。相比之下，在智能電網(wǎng)中，用戶通過分布式電源和需求響應(yīng)能夠積極參與電網(wǎng)優(yōu)化運行。分布式智能電網(wǎng)具有自愈功能，可安全、可靠、有效地向用戶提供高質(zhì)量的電能;更加高效，少增加乃至不增加基礎(chǔ)設(shè)施就能滿足日益增長的電力消費需求;更加包容，能夠容易和透明地接受各種類型的可再生能源，特別是分布式“風(fēng)光”和儲能;更具激勵性，消費者與電力企業(yè)實時溝通，通過市場實現(xiàn)雙贏;抗災(zāi)能力強，使系統(tǒng)有抵御人為攻擊和自然災(zāi)害的能力等優(yōu)勢。
比如，未來的配電網(wǎng)、微網(wǎng)、建筑單元(大樓、工廠和住宅等)與輸電系統(tǒng)的差異將逐步消失，具有本地發(fā)電和雙向電力潮流的特點，都將配有能量管理系統(tǒng)(EMS)并按照“將系統(tǒng)分解為群集(clusters)的層次結(jié)構(gòu)”和“每個集群(Cluster)都保持自己的凈能量平衡和自優(yōu)化”的規(guī)范管理和運行。
《中國電力企業(yè)管理》：
高標準、高要求、高科技，自然也是高難度，分布式智能電網(wǎng)要想真正落地并非易事。從我國現(xiàn)實條件出發(fā)，發(fā)展分布式智能電網(wǎng)面臨哪些重大挑戰(zhàn)?
余貽鑫：我國所面臨的挑戰(zhàn)是獨一無二的。
首先，要搞清中國能源轉(zhuǎn)型的規(guī)模。顯而易見的是，中國可再生能源替代化石能源的體量比世界上任何地方都多、占比更大;其次，中國是煤炭為主的能源體，且電力需求仍在繼續(xù)增長，2050年全社會總用電量會比現(xiàn)在翻一番，約為15萬億千瓦時/年，轉(zhuǎn)型需要特定技術(shù)的革新;再者，中國煤炭資源集中度特別高，這意味著轉(zhuǎn)型會嚴重影響依賴于煤炭的地區(qū)，這些地區(qū)能源轉(zhuǎn)型更加困難，許多原有勞動力崗位將難以維持，除非找到讓他們能夠創(chuàng)造與原來所創(chuàng)造價值相當?shù)墓ぷ鲘徫?，不過已有研究表明，能源完全轉(zhuǎn)型所創(chuàng)造的工作崗位將比整體失去的工作崗位多;第四，中國現(xiàn)實電網(wǎng)靈活性資源以燃煤火電為主，但未來它會大幅度削減;處于第二位的靈活性資源是水電，而我國水電中，可支持電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力也較少，一方面是中國地貌特殊，另一方面是中國電力設(shè)計過去是專注于千瓦時低成本設(shè)計，而未重視提供能源的時間和靈活性。所以可以說，電網(wǎng)的創(chuàng)新和技術(shù)發(fā)展旨在提升靈活性。從分布式智能電網(wǎng)的角度看，高效、長壽命、可靠、價格合理和有較長放電持續(xù)時間的化學(xué)電池的開發(fā)是當前最迫切的任務(wù)。
簡而言之，中國面臨的挑戰(zhàn)主要有三個：一是快速開發(fā)足量的低碳能源;二是避免轉(zhuǎn)型對一些地區(qū)及勞動者造成不利影響;三是提升電源系統(tǒng)的靈活性，以平衡低碳能源的多變的輸出。這不僅是分布式智能電網(wǎng)的發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，也是整個能源轉(zhuǎn)型面臨的問題。我們所面臨的挑戰(zhàn)是極其廣泛的，涉及許多技術(shù)、體制和社會問題，電網(wǎng)變遷的過程必將改變整個行業(yè)的業(yè)務(wù)模型。智能電網(wǎng)不僅涉及到廣泛的利益相關(guān)者，而且其組織、研發(fā)和實施均很復(fù)雜，需要深刻轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的電網(wǎng)理念，這其中挑戰(zhàn)與機遇并存。
“智能電網(wǎng)將激勵技術(shù)創(chuàng)新和新工業(yè)革命”《中國電力企業(yè)管理》：
您認為當前應(yīng)該如何建設(shè)分布式智能電網(wǎng)?
余貽鑫：未來電網(wǎng)具有超復(fù)雜性，電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的研究至關(guān)重要，當屬優(yōu)先級，它是整個電網(wǎng)最高級別的描述，也是最頂層的模型——具有分層分區(qū) (群)的體系結(jié)構(gòu)的智能電網(wǎng)，可以從本質(zhì)上保證供電安全。
分層分區(qū)的概念看似與當今的電力系統(tǒng)并無太大不同，在許多方面差異不大。但是一個關(guān)鍵的不同是，潮流不再只是從大型系統(tǒng)到用戶單向流動。大電網(wǎng)上的大多數(shù)節(jié)點、配電系統(tǒng)乃至終端用戶的電表都可以注入和吸收功率，并且可以在這兩個模式之間平穩(wěn)地切換;再加上多種規(guī)模的經(jīng)濟高效的儲能的加入，將改變一切。具體而言，具有分層分群體系結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)像互聯(lián)網(wǎng)一樣智能，并且具有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，特別適合將來的電網(wǎng)的需要。未來的智能電網(wǎng)的分層分群的體系結(jié)構(gòu)，使電網(wǎng)能夠在擾動發(fā)生時做出自愈的響應(yīng)，在緊急狀態(tài)下它能分片實現(xiàn)“自適應(yīng)孤島運行”，并在其后能夠快速恢復(fù)全系統(tǒng)的正常運行，從而將停電損失減到最小。事實上，在未來電網(wǎng)中，每個群集都是一個堅強的局部電網(wǎng)，是“結(jié)構(gòu)清晰、局部堅韌、快速恢復(fù)”的電網(wǎng)。需要指出的是，監(jiān)管結(jié)構(gòu)、行業(yè)結(jié)構(gòu)和控制/協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)是一致的，均需要采用分層、分群體系結(jié)構(gòu)的模型以確?？煽啃载?zé)任。
以微網(wǎng)為例，互聯(lián)電力系統(tǒng)理念下放到配電系統(tǒng)，每個微網(wǎng)相當于一個平衡區(qū)，可以看作“好市民”，區(qū)內(nèi)裝有能夠做出響應(yīng)的控制系統(tǒng)。大量技術(shù)的、成本的和社會的因素都匯集在一起，使得微網(wǎng)成為電力基礎(chǔ)設(shè)施中最大的變革。
脫碳和韌性(Resiliency)目標推動了新的電氣化需求和分布式電源的增長，除非通過激勵措施和電網(wǎng)服務(wù)機會來塑造，否則可能會增加運行挑戰(zhàn)和昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施需求。實現(xiàn)廣泛電氣化的政策、倡議和項目是地方政府在其總體計劃和氣候行動計劃中處理的問題。有必要在社區(qū)和配電公司之間建立伙伴關(guān)系，以設(shè)計和實施高價值的地方電氣化和韌性項目。
《中國電力企業(yè)管理》：
建設(shè)分布式智能電網(wǎng)的過程，也是催生新技術(shù)和商業(yè)模式的過程。您預(yù)測未來將有哪些新業(yè)態(tài)出現(xiàn)?
余貽鑫：與分布式智能電網(wǎng)相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)非常之廣，用極其廣泛來形容一點都不為過。大致可以分為三類，一是智能電網(wǎng)技術(shù)，二是電網(wǎng)可帶動的技術(shù)，如風(fēng)力發(fā)電機組、插件式的電動汽車、光伏發(fā)電裝置、綠色節(jié)能建筑和智能家電等，三是為智能電網(wǎng)創(chuàng)建平臺的技術(shù)，如綜合的通信技術(shù)、傳感和計量技術(shù)、應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)、儲能技術(shù)、電力電子技術(shù)和診斷技術(shù)、先進的控制方法和完善的接口以及決策支持系統(tǒng)。
以一個場景為例，分布式智能電網(wǎng)中，電力與燃氣和熱力系統(tǒng)加速耦合，未來將形成以智能電網(wǎng)為核心的智能的綜合能源系統(tǒng)(能源互聯(lián)網(wǎng))?？砂央娋W(wǎng)暫時接納不了的風(fēng)光電量轉(zhuǎn)換成“氫”(P2G)注入燃氣網(wǎng)或存儲，抑或轉(zhuǎn)換成熱加以存儲，可提升整個能源互聯(lián)網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟性。“將系統(tǒng)分解為群集(clusters)的層次結(jié)構(gòu)”和“每個集群(Cluster)都保持自身凈能量平衡和自優(yōu)化”，也將導(dǎo)致能源互聯(lián)網(wǎng)像互聯(lián)網(wǎng)一樣聰明。
若分布式智能電網(wǎng)建成，那么人類社會必將邁進一個新時代。屆時可再生能源和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將深度融合，重構(gòu)一套強大的新基礎(chǔ)設(shè)施。在這一愿景中，數(shù)以億計的人們會從他們家中、辦公室和工廠的可再生能源中生產(chǎn)綠色能源，并在“能源互聯(lián)網(wǎng)”中彼此分享，就像現(xiàn)在我們在線創(chuàng)造和分享信息。通過部署各種儲能技術(shù)，能量將存儲在每一棟建筑和整個基礎(chǔ)設(shè)施中，交通車輛將轉(zhuǎn)變成電動和燃料電池汽車。
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