能源互聯網支撐能源轉型
——訪國家電網全球能源互聯網研究院院長、中國工程院院士湯廣福

本刊記者 / 張化冰

能源互聯網是以可再生能源為優先，以電力能源為基礎，多種能源協同、供給與消費協同、集中式與分布協同，大眾廣泛參與的新型生態能源系統。加速推進電網與智能傳感、智能芯片、大數據、區塊鏈、人工智能、先進計算等信息技術的融合發展，共同構成能源流、業務流、數據流相融合的能源互聯網，形成強大的價值創造平臺，使電網的運行和業務能力水平實現大幅度提高。能源互聯網的建設必將帶來電網技術和生產模式變革，并強有力地支撐能源轉型

湯廣福，中國工程院院士。全球能源互聯網研究院院長，先進輸電技術國家重點實驗室主任。長期從事電力系統電力電子技術研究，在該領域重要裝備的系統設計、設備研發和工程應用方面做出了系統性貢獻，為實現電網靈活可控、遠距離大容量輸電、高效接納可再生能源提供了新的手段。獲國家技術發明二等獎1項，國家科技進步一等獎、二等獎各1項，省部級一等獎5項；獲授權發明專利77項，其中中國專利金獎1項、優秀獎3項。出版著作4部，發表學術論文100余篇。獲第九屆中國工程科技光華青年獎。

當前能源發展正處于轉型變革的關鍵時期，面臨著前所未有的機遇和挑戰。中國的能源轉型之路由于復雜性、長期性及迫切性等原因顯得異常艱難，必須統籌好保障安全與結構轉型，統籌好長期戰略和經濟發展，統籌好現有能源產業轉型升級和智慧能源系統建設。能源領域的智能化、去中心化態勢凸顯，以新能源和信息技術深度融合為特征的能源革命正推動人類社會進入全新的能源體系。

截至目前，五年間我國能源轉型深入推進，清潔低碳發展步伐加快，清潔能源消費占比提高6.6%，非化石能源消費比重提升到14.3%，天然氣消費比重達到7.8%。同時，累計退出煤炭落后產能8.1億噸，可再生能源裝機突破7億千瓦，清潔低碳已成為不可逆轉的發展大趨勢。

推動能源轉型，不僅在推進清潔低碳轉型方面要有新成效，在關鍵技術攻關方面也要有新突破，要緊跟世界能源科技發展大勢，集中力量突破一批卡脖子的技術裝備，加快部署儲能、氫能等戰略性前沿技術攻關，努力在新一輪能源科技革命中搶占先機。日前，《電力設備管理》雜志記者就能源轉型問題對國家電網全球能源互聯網研究院院長、先進輸電技術國家重點實驗室主任、中國工程院院士湯廣福進行了專訪。

能源轉型所面臨的挑戰

2018年全球能源消費198.4億噸標準煤，化石能源仍占據全球消費量約84.7%，而可再生能源增速最快；2018年中國能源生產總量約37億噸標準煤，能源消費總量46.4億噸標準煤，能源對外依存度20%，石油、天然氣和煤炭進口量均為世界第一。

截至2019年底，全國發電裝機容量201066萬千瓦。其中，火電裝機119055萬千瓦，占總裝機容量的59.2%；水電（35640萬千瓦）、核電（4874萬千瓦）、風電（21005萬千瓦）、太陽能發電（20468萬千瓦）等清潔能源裝機總容量已達81987萬千瓦，占總裝機容量的40.8%。根據預測，到2030年發電裝機約達30億千瓦，屆時清潔能源發電總成本有望低于化石能源電廠，可再生能源將成主力電源，占發電裝機占比將達52%（14.9億千瓦）。

國家發改委、國家能源局2017年聯合發布《能源生產和消費革命戰略（2016-2030）》提出，到2050年我國在能源生產（發電）環節非化石能源占一次能源的比重超過50%；在終端消費環節，電能于交通、工業、商業、居民生活等領域得到更廣泛應用，占終端能源消費比重持續提升，用電能效亟需提高；冷熱電多種能源共存，分布式電源廣泛接入，電動汽車與電網雙向互動規模更大；用戶側多種能源互聯互通、開放共享，供需互動，能源消費者同時也是能源生產者，能源消費模式更加多樣化。

就此湯廣福表示，據中國工程院研究預測，2035年中國能源生產總量將達47億噸標準煤，消費總量達57億噸標準煤，能源對外依存度約19%：“未來我國能源需求仍將進一步增加，但隨著能源轉型的不斷深入，2035年化石能源占能源消費總量將從2018年的85.6%下降到75%左右?！?/p>

他強調，能源消費的變化給每一個人都帶來了全新的挑戰：“諸如智能用電設施對電力供需互動的需求，電-光-熱-氣等多種能源高效綜合利用的需求，大型電力用戶對用電能效管理的需求，家庭分布式光伏、電動汽車等發/用電設備快速發展的挑戰，以及末端電力用戶期待獲得更多的知情權和參與感等?！?/p>

他指出，目前廣泛應用的化石能源，在生產、運輸、使用的各環節都會對空氣、水質、土壤等造成一定的污染，因此能源綠色轉型成為必然選擇，而大力開發清潔能源是未來世界能源發展的必然趨勢。

他認為，因應于能源轉型，首先要面對電力體制改革所帶來的諸多挑戰。就電網企業而言，電力市場體制落后、電價機制僵化、難于實現能源資源的高效配置等問題，都嚴重制約著電網技術創新和成果應用。

“2015年發布的《中共中央國務院關于進一步深化電力體制改革的若干意見（中發[2015]9號）》象征著電力體制改革在電網領域的進一步深入，售電側和增量配網業務就此不再由電網企業獨家經營而全面放開，售電公司和分布式電源大量出現，形成了產銷一體和供需直接交易等新業態?！?/p>

“地方性電力企業、發電企業、水、油、熱、氣等公用事業企業進入電力運營市場，以及分布式能源企業、工業園區等與客戶進行直接交易，都對傳統電網企業帶來了前所未有的挑戰。諸如行業外公司紛紛采用互聯網的創新方法開展跨界經營，對傳統電力市場和電力經營所形成的沖擊，以及阿里巴巴、騰訊等綜合服務平臺提供商通過個性化電力金融平臺購售電服務所帶來的挑戰等?！?/p>

湯廣福就此強調，能源轉型過程中清潔能源是關鍵，而電網則是核心：“以電為中心，采用能源互聯網技術實現對多種能源的協調和高效消納，是支撐能源結構變革的重要手段。能源互聯網具備靈活接入能力，可支撐大規?？稍偕茉唇尤?；能源互聯網具備優化配置能力，可實現大范圍電力能源優化配置；能源互聯網具備開放互動特征，可滿足用戶多樣化能源需求?！?/p>

他認為，能源互聯網是電網企業面對能源轉型的主要發展方向，現代電網面臨能源轉型的挑戰主要體現在五個方面：

“一是可再生能源并網消納問題突出。2018年風電+光伏裝機超過3.5億千瓦，棄風、棄光率超過10%，棄風、棄光電量超過350億千瓦時（原因：政策機制+技術能力）；雖然2019年棄風、棄光率及棄風、棄光電量都大為降低，但預計到2030年風電與光伏裝機總計將達10億千瓦，消納矛盾將更為突出?！?/p>

“二是電網支撐新形態源-荷平衡挑戰大。電網技術和裝備將具備更強的柔性調控能力，但大規模、廣泛的可再生能源接入以及多元供需用電的狀況，將使電網將由源隨荷動轉變為源荷共動的全新電網形態與運行調控模式，最終導致電網抗擾動能力持續下降?！?/p>

“三是用戶用電選擇少、互動弱、能效低。目前用戶和電網互動性不足，嚴重制約可再生能源消納與資產效益發揮；中國單位GDP能耗是全球均值1.6倍，節能空間巨大；預計到2030年終端電能消費占比將大幅提升，由此供需互動模式也急待創新?！?/p>

“四是電網基礎支撐技術薄弱。部分高端電力裝備基礎材料與核心元器件尚需依賴進口，微型傳感器、人工智能融合應用剛剛起步，電工裝備企業核心競爭力與國際知名企業差距較大；預計到2030年基礎支撐能力將得以全面提升，核心器件材料將自主可控，國際競爭力將大大增強?！?/p>

“五是電力市場滯后，政策體制制約發展。目前電力市場體制落后，電價機制僵化，交易品種、交易規模、運作水平都有待提升，市場化程度還不夠高，難于實現能源資源的高效配置，嚴重制約電網技術創新和成果應用。未來需逐步完善交易機制，搭建全國統一電力市場交易平臺；預計到2030年能源電力政策和體制將得以全面創新，技術支撐能力和手段都將大幅提高?！?/p>

湯廣福表示，為支撐能源互聯網構建，需要持續加大堅強智能電網關鍵技術開發，加速推進電網與智能傳感、智能芯片、大數據、區塊鏈、人工智能、先進計算等信息技術的深度融合。

能源互聯網關鍵技術問題

對于中國能源轉型，湯廣福認為可通過全面提升電網智能化、數字化、清潔化和再電氣化的水平，全力打造以電網為核心的安全高效智慧能源系統。重點布局高比例可再生能源并網、電網柔性互聯與安全高效運行、供需互動與綜合能源系統、先進電力裝備、可再生能源與儲能、前沿交叉技術等研究方向，實現電網基礎理論和技術的提升，引領智能電網未來發展方向。就此他從六個方面進行了具體闡述。

一、高比例可再生能源并網

發電功率預測技術。需要對新能源大規模入網所帶來的發電功率的變化有相當精準的預測。開展數值天氣預報，目前的預報系統運算速度196萬億次/秒，2小時完成72小時預報，精度85%，未來需要進一步提升超短期/短期/中長期一體化功率預測能力，精度達到90%以上。

與常規發電集群協調控制技術。開展“風火打捆”設計與集中送出技術，突破風、光、儲聯合發電的多組態運行方式，開展跨區、跨流域的風、光、水、火聯合運行。

協同規劃與運行技術。開展常規能源、新能源與電網之間協調規劃設計，加快抽水蓄能、儲能等靈活電源建設，推動火電機組調峰改造。

并網主動支撐與協調控制技術。要完成次同步振蕩抑制、虛擬同步機等技術的示范應用，虛擬同步、協調控制、儲能等要實現“主動支撐和自主運行”。

二、電網柔性互聯與安全高效運行

大電網分析與仿真技術。交直流混聯大電網取得重要進展，支撐長期安全可靠運行，隨著大量電力電子裝備接入，理論、方法將更加復雜，仿真難度進一步提高。

電網智能調度運行技術。大電網調度實時監控、一體化決策等取得突破，D5000得到廣泛應用，未來需要引入“互聯網+”、云計算、大數據及人工智能等，提升調度能力和智能化水平。

柔性交直流輸電技術。靈活交流輸電（FACTS）采用電力電子裝備和控制技術，以增強交流電網調節和潮流優化能力，并提供緊急功率和電壓支撐，實現系統的靈活柔性運行和安全可控，支撐可再生能源接納，已經完成6大類FACTS示范及應用。柔性直流輸電是繼交流輸電、常規直流輸電后的一種新型直流輸電方式，是目前世界上可控性最高、適應性最好的輸電技術，為電網靈活控制水平的提升提供了一種有效的技術手段，現完成南匯、舟山、廈門、渝鄂等柔性直流輸電示范工程，正在建設世界首個張北500千伏直流電網。隨著SiC技術逐步成熟及應用，這些電力電子裝備成本降低35%、體積減少40%、損耗降少50%。

智能輸變電運行技術。建成“8交10直”特高壓輸電工程，直流技術和裝備已經進入巴西，當前急需解決多饋入受端故障換相失敗抑制等挑戰。

就此湯廣福表示，中國目前已經建成了30個高壓直流輸電工程，最高電壓等級達±1100千伏，換流器總容量超過2.79億千瓦，相當于全國發電總裝機容量的14.7%，而這也為實現能源互聯網奠定了堅實的基礎。

“自主研發的技術支撐我國成功中標巴西美麗山II期特高壓直流工程，實現了換流閥等高端電力裝備從引進到出口的轉變，提升了我國在國際電工裝備領域的國際地位和話語權。而自主技術走出國門，也深刻改變了國際直流輸電市場格局?！?/p>

三、供需互動與綜合能源系統

源網荷友好互動技術。江蘇建成源網荷友好互動系統，實現376萬千瓦的秒級、200萬千瓦毫秒級控制，未來更大范圍和規模源網荷互動，支撐分布式能源和電網發展。

電力市場支撐技術。市場化程度不高，品種和規模、運作水平待提升，新業態、新業務、新模式下體制機制待探索，隨著交易機制逐步完善，需搭建全國統一電力市場交易平臺。

車聯網技術。建成國內外接入充電樁數量最多、覆蓋范圍最廣的車聯網平臺，拓展“出行+引流”、有序充電、輔助調頻、削峰填谷等新型服務模式；V2G、V2V、V2I、V2P。

綜合能源與智能用電技術。完成高可靠性供電、微網、智能配電、智慧城市能源互聯網等工程示范，開展冷-熱-電-氣-儲多能融合系統，增值服務，開展智能終端開發，提升電網與用戶友好互動水平。

四、先進電力裝備

電工新材料。在電纜、變壓器鐵芯、導線等材料方面具備了自主研發能力，需要開展材料基因組工程方法；研發電容器薄膜、納米晶合金及磁芯等材料；布局石墨烯、超導等前沿材料。

大功率電力電子器件。掌握硅基、SiC器件關鍵技術，建成6英寸碳化硅器件全套中試線，急需攻克失效機理、壽命預測、可靠性提升技術，研制更高電壓、更大電流、更低損耗的器件。

裝備智能化。建成智能變電站站4900座，占全部110（66）kV及以上變電站的21.1%，建成10kV/5MVA柔性變電站，具備能量變換、潮流控制、無功補償、故障隔離等多種功能。

柔性輸變電裝備。完成6類FACTS裝備研制與示范；建成±30kV南匯、±200kV舟山、±320kV廈門、±420kV渝鄂等工程，200kV直流斷路器工程應用，下一步研制基于SiC新型柔性輸變電裝備。

就此湯廣福指出，隨著這些工程的建設，大量領先于世界的高端電力裝備也得到了應用并經受了考驗。

“如200千伏/15kA/3ms的高壓直流斷路器于2016年成功應用于舟山工程，這也是混合式直流斷路器的世界首次工程應用，截至目前已成功分斷了舟山5端柔性直流工程的多次直流側短路故障，有力保障了舟山電網的可靠運行?！?/p>

“近些年投運的廈門柔性直流輸電工程，換流裝備額定容量為1000兆瓦、額定直流電壓±320千伏，工程可滿足廈門島內不斷增長的供電需求，保證臺風等自然災害影響下的供電可靠性，并節約有限航道資源?！?/p>

五、可再生能源與儲能

風力發電技術。陸上風電技術成熟，基礎與共性技術研究滯后，海上風電開發經驗不足，發展空間巨大，呈現出大型化、智能化、高效化、高可靠性等發展趨勢，經濟性顯著提升。

光伏發電技術。產業規模與制造能力世界先進，場景多元化、產品多樣化發展；提效率、發展空間巨大，與大數據、云計算、物聯網、人工智能、儲能等有機融合，應用到更多行業。

氫能技術。在氫氣制備、儲運與利用三個環節中均存在著需要攻克瓶頸問題，未來要實現大規模、高效、低成本的可再生能源制氫，掌握大規模儲氫、輸氫落地技術。

儲能技術。抽蓄仍占規模優勢，電化學儲能、儲熱實現突破，加強壓縮空氣儲能、氫儲能探索，降低儲能單位成本，實現規模應用，支撐新能源并網消納。

六、電網前沿交叉

電力芯片與智能傳感量測技術。主控、通信、傳感等芯片產品主要依賴國外廠商，影響電網本質安全。在傳感方面缺乏系統性布局，傳感器需要向高精度、高集成、低功耗、微型化方向發展。

大數據與區塊鏈技術。初步建成全業務統一數據中心，試點“國網云”，實現電網運檢智能分析管控等業務云上運行，開展基于區塊鏈的智能電網研究，如分布式發電并網控制、電力交易等。

人工智能與先進計算技術?！吧顚又悄堋睉?，推進人工智能在源網荷友好互動、故障辨識、災害預警、電力市場交易等應用，由于數量呈幾何級增長，急需解決億級規模并有復雜關系數據分析與計算問題。

信息通信與網絡安全技術。企業專網、電力無線專網，網絡覆蓋能力逐步增強，支持多業務并行處理，實現安全事件自動發現和告警，加強人工智能和安全態勢分析預測。

湯廣福強調，我國能源要實現清潔、低碳、安全、高效的發展目標，大力開發風光等清潔能源，推動能源高質量轉型，未來10至20年將是我國能源轉型的關鍵時期。

“面對轉型帶來的挑戰，要加大電力科技創新力度，提升電網智能化、數字化、清潔化、再電氣化的水平，全力打造以電網為核心的安全高效智慧能源系統，支撐能源結構變革；重點開展六個方面技術攻關，促進大規模清潔能源的開發與應用，推動經濟社會可持續發展?！?/p>

他說：“要加大電網基礎研究力度，瞄準電網科技領域卡脖子問題，如電工材料、電力芯片、電力電子器件以及相關工業軟件，加大持續投入力度，開展戰略研究，為下一代電網建設、能源轉型提供基礎支撐?！?/p>