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    專題報道-中國電源產業網-新能源與電源官方網站
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    從電力技術發展歷程理解能源互聯網

    2019-03-21   

    中國電源產業網

    導語:自2016年以來,互聯網+智慧能源(能源互聯網)作為電力體制改革的一部分,在全國漸成燎原之勢。全國各地發起或正在開展的能源互聯網項目不斷增加,以“多能互補、集成優化”為目標的綜合能源利用項目正在實踐著電力體制改革的精神。當審視它的產生、發展過程,研究它的采用的技術、發展目標、實現手段和發展方向的時候,讓我聯想到了電的發展史。

    自2016年以來,互聯網+智慧能源(能源互聯網)作為電力體制改革的一部分,在全國漸成燎原之勢。全國各地發起或正在開展的能源互聯網項目不斷增加,以“多能互補、集成優化”為目標的綜合能源利用項目正在實踐著電力體制改革的精神。當審視它的產生、發展過程,研究它的采用的技術、發展目標、實現手段和發展方向的時候,讓我聯想到了電的發展史。


    當今社會,我們真的無法想象:如果沒有了電,人類該如何生存。BBC曾經拍了一個三集紀錄片《The Story of Electricity》,帶領我們重新回顧電的發展歷史。


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    ▲BBC曾經拍了一個三集紀錄片《The Story of Electricity》


    我們都知道,最早的電起源于靜電。當時人們發現絲綢和玻璃摩擦后能夠吸起羽毛,還發現剛死的青蛙體內存在電(animal electric)。種種現象激起了科技先驅們對電的探索和研究。于是對電的研究不僅僅被用于娛樂或者魔術,而是轉向探究電到底是什么,如何控制它。在1831年法拉第發現電磁感應定律,并制成第一臺圓盤式單極直流發電機,電力才真正被控制和掌握。但直到Thomas Edison發明了燈泡后,電力才被用于民間。但由于直流電的低壓特性(最高2000V),以及難以進行電壓變化,使得電力的傳輸距離受到限制。為了使電被大家使用,Edison必須在居住區周圍建很多噪音很大的發電廠。所以,這時的電還是奢侈品,造價昂貴,尚不能被大眾所普遍消費。但人類對于光明的渴望使得Edison的電力事業得到了飛速發展。


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    ▲Thomas Edison發明了電燈


    我們要感謝NegolaTesla,他發明了三相交流電,并證明了三相交流電比直流電更高效和實用。然而,他無法說服Edison同意他的觀點。Edison從安全的角度向世人宣布交流電是危險的,并試圖游說通過立法禁止交流電的使用。于是,Tesla找到了Westinghouse。Westinghouse是個企業家,他敏銳地認識到了Tesla的電的價值。兩人很快達成了協議,并成立了Westinghouse Electric Company。很快,交流電的巨大優勢使得有趣的交直之爭進入了尾聲,Edison的公司也遭到了解散。


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    ▲交流電的巨大優勢使得有趣的交直之爭進入了尾聲


    然而真正使電得到廣泛利用的還應該感謝SamuelInsull(他曾是Edison的助手,在交直之爭中幫助Edison證明交流電的可怕和邪惡)。SamuelInsull認識到只有讓更多的人使用電,才能使發電企業獲得利益。他認識到,只有把電的成本攤到更多的用戶上,讓更多的用戶使用電,更長的時間用電,更大量地用電才能夠獲得收益。單純的照明不論從利用時間和消耗量上都不足以降低發電和輸電的成本。于是他將人們日常生活用電、工業用電、路燈照明等等進行整合,使電力在更廣泛地場景得到應用。


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    當電被更多的用戶使用,電的成本被攤銷的越多,電價就越便宜。電價便宜了以后,就有更多的用戶用電,產生了更大的用電需求,從而形成良性循環。當越來越多的用戶使用電力后,負荷越來越平衡,輸電損失越來越可控,就可以建設更大的發電廠。但建設大型電站需要大量的資金,Insull向公眾出售股票,并建立了美國的PUCs(Public Utility Commissions),為美國電力市場的充分競爭埋下了很好的基因,于是電力工業才真正建立起來并開始的快速發展。


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    ▲當越來越多的用戶使用電力后,就可以建設更大的發電廠


    交流電的出現使得產生大量噪音的電廠可以建在遠離用戶的地方。隨著電力的普及,電力的需求不斷擴大。隨著技術的進步和理論的不斷完善,為了獲取更大的利益和效益,更高效的機組和更大的電廠成為發展趨勢。隨著各國經濟的發展,電力的需求越來越旺盛,電廠也建得越來越大。大電廠建在資源集中的地方,如煤礦附近建設電廠催生了高壓、特高壓長距離輸電的出現。電力企業在大容量發電廠-高壓輸電-用電的思維上一路高歌猛進。此時的電力生產仍然以傳統的煤炭和石油為主,以集中式發電,長距離輸電為主。隨著數字化技術的提高,又出現了智能變電站和數字化電廠,而這些都是基于提高電廠或電站單體效率而產生的思想。


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    ▲大電廠建在資源集中的地方,催生了高壓、特高壓長距離輸電的出現


    在當代,電力的供應仍是基于化石燃料。在電力發展過程中,對電力工業思維產生深遠影響的當屬石油危機和幾次大停電事故。


    人類迄今經歷了三次石油危機。第一次石油危機發生在1973年的第四次中東戰爭。當時石油價格飆升4倍之多,使得以石油作為發電原料歐美國家的發電成本暴增,電價飛漲。在美國還造成了很多售電公司和輸電公司的破產。這次石油危機使得人們認識到,單靠一種能源形式供能是不可靠的。


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    ▲第一次石油危機


    1977年,紐約發生了大停電事故。停電事故必然會給人類的生產生活帶來很多不便,更為嚴重的是,長時間大規模的停電事故會導致一些惡性社會行為的發生。在1977年7月13日到14日,紐約市長達24小時的停電事故影響了900萬人口。大停電使人們認識到,長距離輸電存在著致命的缺陷,一旦輸電線路出現故障,將會對地區經濟產生毀滅性的打擊。


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    ▲1977年紐約發生了大停電事故


    同時,在集中電站和更長距離電力傳輸線路的發展思維中,人們發現電力的生產成本并沒有持續下降。為了滿足所有負荷的需求,電力的生產和傳輸必須按照最大負荷建設。由于負荷特有波動性,使得峰谷不斷加大,造成了輸電的利用率降低,損耗加大,成本加大。于是,人類開始重新審視電力工業的發展路線和發展理論,對電力供應安全性的迫切需求產生了分布式能源的發展思路。


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    ▲內燃機


    這里應該感謝科學技術的進步,小型內燃機或燃氣輪機的發展很快。人們發現在負荷附近安裝小型機組可以提供更便宜的電力,而且在提供電力的同時,還可以提供熱力需求,而且效率更高。在Thomas Edison時代,布置在居民區附近的發電機被大容量機組、遠距離輸電所取代跟當時發電機噪聲大、效率低轟隆隆應該有很大的關系。但如果以現在的眼光來看,Edison的思路是符合當前分布式發電模式的。


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    人類重新審視電力工業的發展路線和發展理論,對電力供應安全性的迫切需求產生了分布式能源的發展思路


    隨著新能源發電技術的提高和人們對環境保護、用電安全的需求,更多的發電形式被應用到能源的生產和消費環節。于是,人們開始向清潔低碳用能的方向發展。


    在1995年,正是認識到安全、環保等問題,丹麥開展了多能源綜合利用、多能互補的研究。丹麥選擇SAMS?島進行了實踐,由Alborg大學開展規劃研究和評估,結論認為Sams?島在2010年實現了理論意義上的100%零碳排放。丹麥稱之為smart energy system,就是我們時下常說的能源互聯網(互聯網+智慧能源)。Sams?是丹麥的一個離岸小島,當前已成為世界上第一個在現代生活與生產狀態下的“零碳”地區。其更加宏偉的目標是2030年全島完全不使用燃油,即實現真正意義上的100%可再生能源系統,零碳排放地區。


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    ▲SAMS?島南部距海岸約三公里的大型風力發電機組


    那么什么是能源互聯網?這里引用《關于推進“互聯網+”智慧能源發展的指導意見》(發改能源[2016]392號)所述:“互聯網+”智慧能源(以下簡稱能源互聯網)是一種互聯網與能源生產、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的能源產業發展新形態,具有設備智能、多能協同、信息對稱、供需分散、系統扁平、交易開放等主要特征。在全球新一輪科技革命和產業變革中,互聯網理念、先進信息技術與能源產業深度融合,正在推動能源互聯網新技術、新模式和新業態的興起。能源互聯網是推動我國能源革命的重要戰略支撐,對提高可再生能源比重,促進化石能源清潔高效利用,提升能源綜合效率,推動能源市場開放和產業升級,形成新的經濟增長點,提升能源國際合作水平具有重要意義。這里的論述包羅萬象,涵蓋了技術、市場、目標、策略,使人很難抓住重點。


    再引述清華大學編寫的《能源互聯網發展研究》的論述:能源互聯網是以互聯網的理念構建的新型信息與能源高度融合的網絡,是以電力網絡為基礎架構,協同了冷、熱、氣等多種能源所形成的智慧網絡。


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    我理解的能源互聯網主要是基于電力電子技術、互聯網及大數據技術的一次技術與資源的充分整合(資源、資本、技術)。能源互聯網將傳統的線性(Linear)能源供給和消費模式轉變為互聯互通的網狀(interconnected)模式,整合了冷、熱、電等多種能源品種,使缺少靈活性的能源在不同能源品種間實現補償。


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    多能互補是能源互聯網建設的核心目標,以負荷平衡為目標的多種能源能否實現平衡、能否實現彼此協調和互援至關重要。人們對環境的重視使能源的生產方式轉向了可再生能源和清潔能源,通過先進技術的采用提高能源利用效率和降低碳排放。人們對用能安全的考慮是能源生產轉向了分布式能源,通過在負荷中心建設分布式電站,實現區域能源的自給,提高用能的可靠性和安全性。


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    社會的發展過程就是不斷滿足人類需求的過程。滿足對電、熱、冷、交通、通信、水、氣等的需求?;趥鹘y化石能源供應體系下,人們建設發電廠生產電,送到用戶后產生熱和冷,建設供熱電站生產熱,提供燃油滿足交通,利用電力實現通信和水的供應。通過儲存化石燃料,能夠隨時滿足發電廠、加油站的需求,進而滿足人民的需求。


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    在降低碳排放和功能安全需求的驅動下,人們開始尋找替代能源。風電、太陽能、海洋能、生物質能等可再生能源進入視野。但先天的波動性使得新能源的使用受到限制。在能源互聯網思維下,波動性的能源通過互相結合,可以提供穩定的能源供應。在這里,科學技術的發展為這種結合提供了支撐,尤其是儲能技術的發展,將能源的生產和消費集中在一個消費區域成為可能。


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    當解決了困擾能源波動性問題后,區域能源互聯網應運而生。于是產生了智慧微電網、智慧熱網以及智慧燃氣網。智慧電網將柔性電力負荷如熱泵、電動汽車與波動性能源整合,如風能和太陽能;智慧熱網利用分布式供冷和供熱,將電力需求和熱力需求進行整合。通過儲熱技術的使用將提供額外的靈活性并回收能量生產系統中的熱量損失;智慧燃氣網將電力、熱力和交通整合,通過燃氣儲存技術提高系統的柔性。若采用燃氣液化技術,液化天然氣存儲將更方便。


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    在負荷集中的地方,利用現代技術將多種能源形式進行整合,可以在能源端、生產端、消費端分別耦合,也可以將消費端和能源端整合,從而實現自循環的經濟發展模式。下圖是能源互聯網概念圖。


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    ▲能源互聯網概念圖


    電力電子技術的發展使得直流電不能變壓的劣勢得到克服,將交流和直流在各種電壓等級實現互換和融合。比如,±800kV高壓直流輸電和±500kV柔性直流輸電就是利用了電力電子技術的發展成果對長距離高壓輸電技術產生影響。而中低壓交直流混合配電網概念的興起將會對配電系統的發展產生影響。電力電子技術使得對電的控制更加可能,使得交流電使用和傳輸的制約因素得以規避。


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    互聯網的思維和大數據技術將電力的生產、傳輸和使用有機結合,充分挖掘各個環節的特性,預測各個環節的能力,使發電、輸電、用電互補、可控、可調。


    回過頭來看,在人類探究電過程中有兩個重要的因素起著關鍵作用:欲望和技術進步。人類征服世界的欲望從來沒有停止過,這種欲望使人類一直想控制世界,使世界為人類使用。放到電的上面,自從人類發現了電的現象后,就一直想控制電。而這種欲望也激發了人類創造的激情,不斷創造新的技術,新的技術又幫助人們更好的研究電和利用電。但單純的有欲望、激情和技術還不足以使電得到廣泛普及,還需要商業、金融。缺少商業和經濟的推動與支持,電就沒法為更多的人所熟悉和使用,也無法獲得發展。


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    當能源互聯網的理念產生后,我們會發現,能源互聯網里所涉及的很多技術都已經存在。我們只需要對這些現有的技術進行分解和整合,就能夠產生新的技術。當有了電力電子技術和網絡通信技術后,通過對能源生產、傳輸、消費數據的采集和分析,掌握其特性,能源可以不再以單一的模式存在。尤其是波動性可再生能源可以互相補償,協調配合滿足人類生產和生活的需求。


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    因此,能源互聯網已經不再遙遠,在分解和整合的理念下,以能源互聯網的思維構建的綜合能源體系肯定會發展起來。能源互聯網做為新興能源業態的發展,需要相關技術的進一步整合和創新。能源互聯網項目已經突破了常規工程項目的規劃、建設思路,集成了能源規劃、技術創新、管理知識、商業模式、運營模式、顧客管理等多領域知識,需要人員思想和觀念的更新。


                                                                                                           


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