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全球能源互联网关键技术与研究解读

来源:www.timetimetime.net 时间:2019-10-20 编辑:情感

自第二次工业革命以来,人类社会对电能的需求迅速增长。根据英国石油公司(BP)的数据,2015年全球总发电量约为太瓦时。尽管近年来风能、光伏等可再生能源发展迅速,但目前人类用电量的70%左右来自化石燃料发电厂。这些发电厂在提供电力的同时,也大大增加了污染物和二氧化碳的排放,对全球气候变化产生了巨大影响。

对此,世界各国和各组织都制定了二氧化碳减排目标。例如,欧盟在2007年提出了“20-20-20”目标,即到2020年,二氧化碳排放量减少20%,能源消费量减少20%,可再生能源在能源消费中的比重。这一比例达到了20%的目标。作为全球二氧化碳排放国,中国先后发布了[0x9a8b]和[0x9a8b]等相关文件。在减少二氧化碳排放的过程中,低碳动力是最重要的。只有供电侧的低碳电能供应才能从根本上减少二氧化碳排放。

可再生能源主要包括水能、风能、太阳能、海洋能等,资源丰富,发展潜力巨大。然而,其产出的不确定性使其难以大规模消除。2014年7月,时任国家电网公司董事长的刘振亚在美国ieee大会上发表署名文章,提议建设全球能源互联网(gei)。2015年9月,中国习近平主席在第七十届联合国大会可持续发展峰会上的重要讲话中倡导,探索全球能源互联网的建设,以满足全球清洁能源和绿色电力需求。

本文介绍了全球能源互联网的基本概念以及当前全球主要的洲际互联电网的建设,分析了构建全球能源互联网的关键技术,并期待其研究趋势。

1全球能源互联网的基本概念

全球能源互联网是一个强大的智能电网,以特高压为骨干网(通道),由清洁能源驱动,在全球范围内相互连接并无处不在。全球能源互联网将由跨国和洲际骨干网和各国的各种电压水平网(输电网和配电网)组成,将“一极”(北极,赤道)与各大洲的大型能源基地连接起来,以适应到各种分布式网络。电力需要向所有类型的用户提供风能,太阳能和海洋能等可再生能源。其本质是“智能电网+特高压+清洁能源”。

全球能源互联网的建设分为三个阶段:洲际互连,洲际互连和全球互连。

第一阶段(目前为2020年):到2020年,在现有电网模式的基础上,西部电网将由西部不同资源类型的电网互连形成,东部电网将由东部主要受电区的互连。两个同步电网结构清晰,交流和直流协调发展。

第二阶段():到2025年,建设东西方电网同步联网项目,将国家电网形成同步电网。到2030年,将建设西南水电基地,东北,西北和其他能源基地,并将与俄罗斯,蒙古和哈萨克斯坦等邻国建立互连。

第三阶段():大规模开发北极风电,赤道太阳能资源,建设全球可再生能源基地,洲际多类型电力互动受益,全球能源互联网已开始采取形状。到2050年,风能和太阳能等全球可再生能源基地将得到充分开发。可再生能源发电将取代绝对的化石能源。化石能源的开发,运输和消费规模将急剧下降,全球能源互联网将全面建立。

同时,全球能源互联网具有四个重要特征:强大的电网,广泛的互连,高智能和开放的互动。它可以实现能源传输,资源分配,市场交易,行业驱动和公共服务的五个主要功能。

2洲际互连网格

2. 1欧非互联电网

为了实现“ 20-20-20”目标,同时确保欧洲电网供电的安全性和可靠性并提高欧洲电力市场的整体效率,Stijn Cole和TilKristian Vrana等欧洲学者建议建立一个泛电网。 2008年欧洲输电网络,即“超级电网”。作为世界上最重要的电力负荷之一,欧洲的超级电网主要用于解决在南部和北非获得北极风能,北海风能和太阳能的问题,并实现清洁供应欧洲电气负载。

为了促进地中海沿岸和北非的太阳能资源的开发和利用,欧盟和北非地中海沿岸以及中东的43个国家于2008年共同制定并启动了地中海太阳能计划(MSP) ,希望使用集中式太阳能(CSP)技术来增强地中海国家的太阳能发电能力并向欧盟出口。

欧非互联电网的建设较早开始。在高压直流输电技术,储能技术,潮流调节与控制甚至政治和经济方面的实践中遇到的问题和困难是超级电网乃至世界。能源互联网的建设提供了良好的经验和启发。

2. 2亚欧互联电网

亚洲和欧洲之间存在明显的时区差异,并且负荷特性具有良好的互补关系。因此,亚欧互联电网具有良好的发展前景。考虑到欧洲和亚洲自然资源的分布和电力负荷,未来的亚欧互联电网将优先建设“中国-中亚-中欧”北部通道和“东南亚-印度-南部”欧洲”南通道。

在北部通道,中国的新疆地区拥有丰富的风能和光能资源,并有9个风区,如大板城和准格尔盆地。根据国家气象局风能太阳能评估中心的分类标准,它位居全国前茅。它的装机容量约为330 GW,太阳年小时数为2 5503 500 h,辐照度为5 5006 600 MJ/m2。同时,新疆位于中国``一带一路''国家战略丝绸之路经济带的核心地区。自然资源和地理位置的优势使中国的新疆和西北可再生能源基地成为亚欧互联电网。这是非常重要的。另一方面,中亚五个国家(哈萨克斯坦,乌兹别克斯坦,吉尔吉斯斯坦,土库曼斯坦,塔吉克斯坦)拥有丰富的可再生能源,并具有良好的发展潜力。然而,随着近年来中亚五个国家经济的稳定增长,电力短缺问题变得越来越明显,其中哈萨克斯坦最为明显。哈萨克斯坦是独联体国家俄罗斯最大的电力出口国。据统计,2014年,其从俄罗斯进口的电力达到6.4亿千瓦时,约占全国用电量的8%。因此,在中国新疆和中亚建设可再生能源基地,不仅可以满足该地区自身的电力需求,而且还可以向东欧和中欧负荷中心供电。

在南通道,东南亚的水电资源丰富,中东的太阳能资源丰富。因此,南通道将其作为连接印度和南欧的支持,以实现通道上可再生能源的最佳分配。东南亚的人口密度相对较高,并且在全球范围内保持较高的GDP增长率(不丹7.6%,老挝7.5%,印度7.3%,越南6.6%,缅甸6 5%,2015年数据),将释放强劲的未来的用电量。目前,南方电网已形成3条220kV和3倍110kV线路,通过云南和广西向越南供电。供电区域覆盖包括越南的老街在内的七个省。此外,南京电网计划在2016年至2020年之间向越南输送75亿千瓦时的电力。据统计,自2004年9月启动第一条中越电力互连线以来,南方电网已累计输送32条电力。越南北部的十亿度电。

2. 3个其他洲际网格

除了上述的欧非和亚欧互联电网之外,世界其他大洲与国家之间互联电网的需求和潜力也很大。例如,日本提议建立一个使用超高压直流输电技术的“亚洲超级电网”,以连接中国,日本,俄罗斯,韩国,蒙古和其他国家,并提供风能等可再生能源。俄罗斯远东水电,中国内蒙古和蒙古的太阳能。电力被输送到中国东部沿海地区以及日本和韩国的负荷中心,形成多国互连的电网。

此外,亚非网络可以与欧非和亚欧互联电网形成一个大型网络,以实现欧洲,亚洲和非洲的可再生能源的最佳分配和消耗。北美-南美网络有助于利用气候和季节差异来实现负荷。互补功能;大洋洲-亚洲网络,从澳大利亚沙漠提供太阳能和海上风能向亚洲供应;亚洲-北美和欧洲-北美的网络可以产生显着的峰值突破优势,时区差异更大。

全球能源互联网的三大关键技术

3. 1特高压输电技术

全球能源互联网使用特高压输电网作为骨干网,以实现大规模,大规模部署全球可再生能源。因此,特高压输电技术是关键。

在特高压交流输电方面,中国国家电网公司克服了电压控制,外部绝缘配置和电磁环境控制方面的一系列难题。 2009年,它完成了金东南南阳荆门交流1000 kV特高压输电线路的运营。该线路总长654 km,稳定的输电容量为5 GW,已成为世界上第一条用于商业运营的特高压交流输电线路。

在特高压直流输电方面,中国国家电网公司克服了由于升压而在复杂环境中产生的绝缘和电磁问题,以及超大容量变流器技术等问题。准东-渭南±1100 kV的建设于2016年开始。特高压直流输电项目。它的换向能力为24 GW,总长度为3 324 km。该系统计划于2018年建成并投入使用。与特高压交流输电系统相比,直流系统具有工程造价低,节省输电通道,输电效率高,调整灵活等优点。稳定,可以实现异步组网功能。另外,基于高压直流(HVDC),使用多端子HVDC(MTDC)和基于柔性源传输的多端子HVDC(VSC-MTDC)来构建DC。传输网络提供了更多解决方案。但是,在实践中,仍然有必要结合工程实践,综合评估后选择交直流输电方案。

3. 2通用储能技术

狭义的储能技术包括物理储能(例如抽气储能,压缩空气储能,飞轮储能等),化学储能(例如钠硫电池,新锂电池等)和电磁能存储(例如超导磁存储)。能量,超级电容器的能量储存等)和相变能量的储存(如冰储存等)四大类。目前,可应用于电网削峰填谷的大型电网级储能设备基本上只是抽水蓄能和电池蓄能。抽水蓄能技术成熟,储能成本低,已被大规模应用。截至2014年底,全球约有1.5亿千瓦的储能项目投入运行,其中超过99%是抽水蓄能电站。但是,抽水蓄能电站的建设受到地理和水文环境的限制。电池储能能量密度高,但制造和运营成本高。

全球能源互联网以广泛的方式大规模分配和使用可再生能源。为了稳定可再生能源的波动性,对储能能力的需求非常高。仅仅依靠现有的储能技术无法满足其经济需求。因此,有必要扩展狭义的储能技术,即使用广义的储能技术来规范电网的运行。

通用储能,也称为虚拟储能,是指可以改变电能的时空特性,在电力供需之间起到缓冲调节作用的所有设备和措施,包括负荷响应和负荷管理,电动汽车充电排放管理,多能源互联系统(如电转储热,电转储气等)。广义的储能能力具有巨大的潜力和显着的经济效益。它是未来电力系统的关键研发方向之一。

3. 3高级测量系统

全球能源互联网是将能源传输,资源分配,市场交易,信息交换和智能服务集成在一起的“物联网”。它是一个构建,共享,互连,开放且兼容的“巨型系统”。使用先进的计量基础架构(AMI)来测量,收集,存储,分析,使用和传输用户用电数据,电价信息和系统运行状态,可以实现测量设备的互连,并实现全球能源互联网智能。大型电网改造,互动和运行的重要基础。借助AMI,电网与用户实现了双向交互,使电力用户逐渐从传统的刚性负载向柔性负载转变,成为电力系统运行和互操作性的重要参与者。同时,AMI通信中的信息安全问题,大数据带来的云存储和云计算问题以及提取有价值信息的大数据技术将成为构建全球能源互联网的关键技术。

4全球能源互联网研究讨论

4. 1电网的广域运行决策分析

建立全球能源互联网是一个新的研究课题。尽管可以从传统的网格分析理论中部分借鉴它,但是它并不完全适用。原因是:传统的电网分析理论主要研究单个系统在短时间内的系统运行特性,其供电和负载相对独立。全球能源互联网研究是一个在广泛的区域中相互连接的系统,它水平跨越多个国家和时区,因此其功率和负载高度相关且互补。

一方面,对于电源,大风能与光伏基础输出之间存在很强的相关性,即由于地理位置的相关性,风能或光伏的相关性甚至是风和光的相关性。对于负载,由于温度和天气等因素的影响,不同区域的负载之间也存在相关性。

另一方面,在不同时区的电源和负载之间存在互补性。例如,中国新疆的风力发电基地位于东六区,德国柏林的负荷中心位于东一区。两者之间有5小时的时差。这意味着新疆0:00时的风电峰值输出正好解决了晚上7点柏林的峰值用电问题。

因此,研究电网的广域运行决策分析方法,包括网络源协调计划,跨时区功率平衡等,是决定全球能源互联网能否有效运行的重要因素之一。

4. 2考虑每个参与者利益的计划和运营决策理论

传统电网分析中的市场是统一的,但是在全球能源互联网环境中,市场机制并不相同。在分析过程中,需要考虑整个网络和子系统的好处。具体而言,在全球能源互联网规划中,有必要对区域之间电力平衡的物理和经济层进行系统的整合分析,并实现动态演绎和分阶段规划,以确定互联国家的电力贸易状况。互连方式和传输能力。在探索全球能源互联网的运行机制时,有必要建立一个符合各国实际情况的国际通用电力市场互联互通标准,并努力实现全球统一的能源互联互通运营体系。兼容性,效率和互补性。

鉴于经济发展水平的不同,电网的投资主体,电价机制和电力市场的开放性,我们必须始终坚持“共同产业,共同建设,共享和共享”的原则。建立全球能源互联网的过程中实现“双赢”。程度,需求和平等协商的差异,以建立基于当地条件和普遍利益的合作机制,促进合作和双赢,并改善环境,经济和社会的综合利益。

4. 3“清洁更换”和“电力更换”

随着清洁和可再生能源的大规模发展和全球部署,其经济将大大改善。预计到2025年左右,该成本将基本等于化石能源发电的成本,并且到2030年至2050年将更具竞争力。结合环境成本,到2050年,化石能源,陆上风力发电和光伏发电成本将分别为20/kWh,6/kWh和5/kWh。明显的成本优势将导致电能的“清洁替代”。

另一方面,电力终端的利用效率可以达到90%以上,远高于煤炭,石油和天然气的利用效率。随着电力成本的急剧下降,用电代替煤,用电代替石油,并用电替代是大势所趋。从2000年到2015年,全球能源消耗在终端能源消耗中的比例从15.4%增加到19.0%,中国从10.9%增加到22%。据估计,到2050年,电力将占全球终端能源消耗的50%以上。这意味着,即使不考虑其他增长因素,使用“电能替代”也可以使全球电能增加约1.5倍。

因此,如何量化和计算各个行业“电能替代”的发展程度,区域“电能替代”对负荷增长的影响以及“电能替代”的驱动力分析都是值得探讨的课题。进一步研究和讨论。

5结论

对于清洁能源和可持续发展的世界各国来说,全球能源互联网是必然的选择。这将对人类社会的发展方式,地球的自然环境以及全球能源资源的重新配置产生重大影响。通过国内互连和洲际互连的过程,将实现全球能源互连的目标。面对这个新话题,大多数电力工人必须掌握全球能源互联网的“智能电网+特高压+清洁能源”的本质,在关键技术领域取得突破,实现世界范围内的电能广泛分配,实现各主体参与合作共赢的局面,实现各行业能耗的“清洁替代”和“电能替代”。

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