如何打造弹性电网 应对可再生能源带来的挑战

不知道你说的大规模间歇式可再生能源指哪些。就我所知，可再生能源包括太阳能、水力、风力、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能等。海洋温差能是相对比较稳定的，水力发电采用水坝形式在发电期间也是属于比较稳定，其他能种会有波动，大概就是你说的间歇性。

这些可再生能源只是一种能量形式，最终一般都会用来发电，对传统电网来说，都是电，与传统火电相比，存在间歇和不稳定特点，容易产生谐波和负荷剧烈波动等情况，因此一般需要配备大规模储能系统进行调压，纯手敲，望采纳。

挑战二：缺乏通信的标准和协议。标准化的缺乏，特别是与分布式电源和储能相关的标准化的缺乏会抑制各运行单位(发电、输电、配电和电力消费者)之间的数据交换，阻碍系统的完全优化，使系统效率降低。

挑战三：互操作性标准有待完善。互操作性标准使电力系统的所有设备之间的协调成为可能。在一些领域，像分布式电源和储能，虽然有标准，但还很有限，分布式电源跟系统的互联，在缺乏协调功能的情况下，只能以局部的和自治的方式运行。分布式电源的发展需要从电网角度考虑，与电网协调运行。

挑战四：计算机网络安全。数据的安全、隐私保护与信息访问的权限等问题，还存在不确定性，这些问题都会阻碍智能电网解决方案的采用。未来能源互联网、智能交通等系统都会产生大量的数据，也将会造成新的数据安全的问题。

挑战五：研究适应分布式电源发展的运行和规划模型。智能电网模型需要综合考虑计算机网络、基础设施，市场，乃至国家政策方面的影响。未来的规划模型需要考虑在分布式电源高渗透率的条件下，如何优化系统运行，这是个重大挑战。

挑战六：负荷、电源计划安排和调度。在基于逆变器的可再生能源发电的数量日益增加的趋势下，电网兼容性标准需做出很大改变，而且必须修改成能同时管理传统发电和基于逆变器的可再生能源发电。现在对分布式电源的调度模式还不能使利益相关方均获益，现在还缺乏能识别最优负荷和电源平衡的好模型。

我非常认可国家进行可再生能源的替代行动，但要想大规模普及，不仅要考虑到清洁能源大规模项目所铺设的人力技术和资源成本。相关的法律规定和政策扶持也必须要尽快跟上。

对于清洁能源的替代和可再生能源的使用，不仅可以促进民生生活的秩序和空气的良好，也能够保障我国的现有生活和未来发展。但在现阶段还有更多的技术难关仍需解决和突破，这也是值得注意和考虑的。

可清洁能源的使用将会造福人民群众，并减少环境污染。

我们本身和自身的环境存在着相互影响的情况，通过可清洁能源不仅可以替代燃料燃烧可能产生的有害废物，也可以更好的保护家园，从而避免未来产生极端的频繁灾害天气对生活和出行造成影响。因此清洁环保能源的存在是非常重要的，对于未来国家之间的能源使用甚至外太空的能源使用技术而言都有着非常重要的前景方向。

许多可再生发电项目会受到地理环境以及天气周期的影响，影响了发电技术的运行和改进。

但不可忽视的是，相关的阻力和问题比如说水能，风能太阳能等，这些清洁项目虽然不会产生污染，但其发电规模和其发电设备会受到地理环境以及天气周期的影响，对于维持地区的长久和稳定发电而言，其实只能起到辅助作用。目前类似诸如核能以及其他的清洁煤发电项目，也受到了国家的关注和行业的研究。

针对可清洁能源的市场推进和研发，相关政策和扶持规定也有待完善。

要想真正的促进替代行动的落实和到位，相关法律法规的政策和扶持规定也是有待完善的。针对于某些企业的研发和分析给予一定的支持，并派遣相应的科研人员进行辅助帮助，可以更好的推进这类可再生能源替代项目的落地。

中国产业调研网发布的2015-2022年中国电网行业发展现状调研与发展趋势分析报告认为，近年来，我国电网基本建设投资规模不断扩大，占比稳步提高，一批国内外瞩目的电网工程相继开工、建成、运行。2012年，全国电网工程建设完成投资3693 亿元，比上年增加0.2%。面对风电、光伏等新能源的快速发展，以大规模利用可再生能源和智能化为特征的我国现代电网架构开始显现。

2013 年，全国电网工程建设完成投资3894亿元，同比增长5.44%。电网投资（按月累计额）的同比增速大体呈现“前高后低”的特点。截至2014年底，全国 电网220千伏及以上输电线路回路长度、公用变电设备容量分别为57.20万千米、30.27亿千伏安，分别同比增长5.2%和8.8%。

2015 年3月，《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》出台，在发电侧和售电侧开放市场引入竞争，价格由市场形成，同时管住中间的输配电网环节，电网公司一家 垄断局面将被打破。目前电网建设已成为我国电力建设的主要方向，电网建设前景诱人。“十三五”期间，我国电网投资规模持续扩张，到2020年将全面建成统 一的坚强智能电网，初步实现建设世界一流电网的目标。

我国电网投资一直处于垄断的状态，其中南方电网负责投资、建设和运营广东、广西、云南、贵州和海南等南方五省的电网，国 家电网公司负责投资、建设和运营全国 26 个省市的电网，同时地方供电企业如内 蒙古电力公司、陕西地方电力集团、广西水利电业集团、四川水电投资经营集团 和山西国际电力集团等在本省范围内进行小规模电网投资，我国的配电网投资形 成了以两大电网巨头为主、地方供电企业为补充的市场格局。 国家电网和南方电网两大巨头的供电量占了全国供电量的 90%以上，在 2013 年更是达到了 97%的高位，虽然此后占比有所下降，但是仍稳定在 90%以上，处 于绝对优势地位，其他地方供电企业仅占了不到 10%的供电市场份额。

经历了100多年的发展，电网的规模和结构形态发生了很大的变化，即从最初的局域小规模电网发展到区域中等规模电网，进而发展到今天的跨区互联大电网。如今，电网已经为人类供应了大约四分之一的终端能源，成为现代能源体系的重要组成部分，电力在终端能源消费结构中的比例已经成为一个国家发达程度的标志之一。

未来电网将呈现以下重要发展趋势：第一，可再生能源将成为电网中的主要一次能源来源。第二，电网的结构和运行模式将发生重大变化。第三，新材料技术将在电网中得到广泛地应用。第四，物理电网将与信息系统高度融合。

广义的电网是发电设备、输配电设备和用电设备采用一定的结构和运行模式构建起来的统一整体。因此，自从有了发电机及其相应的供电系统，便有了电网。1882年，爱迪生公司在纽约建成世界上第一座正规的直流电站和相应的供电系统，可以认为是人类首个真正意义上的电网。然而，由于当时不能为直流电升压，输电距离和输电容量受到极大的限制，于是，特斯拉于1887年发明了交流发电机和多相交流输电技术。1897年，美国西屋公司在尼亚加拉水电站的首台交流发电机投入运行并为35公里外的水牛城供电，从此确立了现代电网的基础。

经历了100多年的发展，电网的基本形态没有根本性的变化，即电网以铜、铝等为基本导电材料、以传统电力设备为基础、以可调度能源（如化石能源、水力和核能等）作为电力的主要一次能源来源、以交流为运行模式的基本形态。然而，电网的规模和结构形态发生了很大的变化，即从最初的局域小规模电网发展到区域中等规模电网，进而发展到今天的跨区互联大电网。例如，2012年，我国发电总装机容量已经接近12亿千瓦，年总发电量接近5万亿度，我国电网已经基本形成了“西电东送、南北互供、全国联网”的总体格局，已经覆盖了全国大部分地区，成为世界最大的电网之一。如今，电网已经为人类供应了大约四分之一的终端能源，成为现代能源体系的重要组成部分，电力在终端能源消费结构中的比例已经成为一个国家发达程度的标志之一。

展望未来，我们认为，未来电网将呈现以下重要发展趋势：

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再生能源将成为电网中的主要一次能源来源

人类已经认识到化石能源是不可持续的能源，有必要大力发展可再生能源来替代之。这是因为：（1）核能在本世纪中叶前难以成为主导能源。核裂变能的原料也属于有限资源，且其利用存在安全风险，核废料处理也比较复杂。由于核裂变能的利用还涉及到国际安全环境，当前的核裂变能技术出口是受到国际有关条约严格控制的。尽管核聚变能可满足人类长期发展需求，但其应用前景尚不明朗，ITER（国际热核聚变堆）计划到本世纪中叶才能建成首个示范电站。（2）可再生能源是可持续发展的绿色能源，且可开采量足够人类使用。据统计分析，地球上接收的太阳能是人类目前能源需求总量的10000倍。地球上的风能总量也达到了目前人类能源需求总量的5倍，如果再算上水力资源、生物质能源、地热能、海洋能，则可再生能源的总量更大。由此可见，可再生能源发展潜力巨大。（3）可再生能源目前已经得到很大的发展。随着技术不断进步，可再生能源发电的单位成本呈逐年下降趋势。根据欧洲、美国和日本等发达国家和地区的预计，到2020年，光伏发电基本上可以实现平价上网。（4）国际已经有共识认为，可再生能源今后仍然会快速发展，且将逐渐成为主导能源。例如，2012年，国际能源署（IEA）发布的《2012年世界能源展望》，对2035年前的全球能源趋势作出了预测：到2015年，可再生能源将成为全球第二大电力来源，并在2035年接近第一大电力来源——煤炭的发电量。欧共体联合研究中心预测认为：到2050年可再生能源将占总能源需求的52%。由于可再生能源的主要利用方式是发电，因此，如果未来人类使用的能源将主要来自可再生能源，则电网中的一次能源也将主要来自可再生能源。

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电网的结构和运行模式将发生重大变化

现代电网存在结构不尽合理和交流电网的固有安全稳定性等问题，亟待解决。随着可再生能源越来越多地接入电网，将对电网带来一系列新的严峻挑战，这主要是由可再生能源具有不可调度性、波动性、分散性、发电方式多样性和时空互补性等特点决定的。“结构决定功能、模式决定成败”，因此从改变电网结构和运行模式入手，是解决电网现有问题和应对未来挑战的重要手段之一。（1）从结构上讲，由于未来电力资源与负荷资源的地理分布不匹配，以及可再生能源在广域范围具有良好的时空互补性，因而保持和发展一个规模适当的大电网是十分必要的。同时，由于可再生能源具有分散性，就地利用资源的分布式发电和面向终端用户的微型电网也将会大量出现，因此未来电网的结构将呈现大电网和微型电网并存的格局。其次，为了保障供电的安全可靠性，需要发展环形网络。针对不同电压等级，宜采用多层次的环状结构网络，并实现相邻层次间和同层次不同区域环形电网间的互联，以构造一个多层次网状结构的网络。（2）在运行模式上，需要发展直流电网模式或交直流混合电网模式。这是因为，直流输电网不存在交流输电网固有的稳定问题，因此，采用直流输电网，将从根本上解决交流电网所固有的安全稳定性问题。从配电网和微电网层面来讲，未来的直流负荷将占相当高的比重且分布式电源（如光伏发电或储能）也将以直流为运行模式。与此同时，还需要采用“分层分区运行、总体协调互动”的模式，以充分实现广域范围内各种资源的优化互补利用和区域电网间互为备用和支撑。电网结构和模式的改变将带来大量的科技创新机遇，值得关注。

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新材料技术将在电网中得到广泛的应用

在电网的结构和模式确立以后，电网的运行性能在很大程度上就取决于电气设备了，而电气设备是由各种材料按照特定的结构制造而成的，材料的特性在很大程度上直接决定了电气设备的性能。过去100多年来，对电网发展影响最大的创新来自新材料技术—电力电子器件的发明及其在电网中的应用，而像氧化锌避雷器、六氟化硫断路器、碳纤维复合芯导线等技术发明，其根本创新之处在于新材料的应用。展望未来，随着新材料技术的不断发展，新材料技术将在电网中得到广泛的应用。（1）首先，高压大功率电力电子器件（如宽禁带半导体器件等）和装备将会使得对高压大功率电力的变换和控制，如同集成电路对信息的处理（实际上也就是对低压小电流的电能的变换和控制）一样灵活高效。由于未来电网中的大量可再生能源电力是变幻莫测的，而电力用户对电力的需求也具有多样性且也是随时变化的，因而对电力的变换和控制的目的就是将变幻莫测的电源变成能满足用户需求的电力。从这个意义上讲，电力电子器件和装备的广泛使用，将使得电网像计算网络处理和分配信息资源一样来处理和分配电力，因而可以把未来电网看成是一个“能源计算网络”，各种电力资源通过“能源计算网络”有机组织、联系和控制起来，从而为用户提供可靠的电力。因此，这个“能源计算网络”也可以称之为“云电力网络”，而用户从“云”中获取可靠的电力。（2）新型高性能的电极材料、储能材料、电介质材料、高强度材料、质子交换膜和储氢材料等的发明和使用，将使得高效低成本电力储能系统成为现实并进入千家万户，从而优化电网的运行、简化电网的结构和控制，并对电源波动和电网故障作出响应。电力储能系统就如同计算网络中的信息储存系统一样，对于未来电网是必要的。（3）高性能的超导材料在电网中的应用，将大大降低电气设备的损耗、重量和体积，并可提高电气设备的极限容量和灵活性，超导限流器还可以有效地限制故障电流并保护其他电气设备和整个电网的安全稳定性。正因为如此，美国能源部甚至将超导技术视为“21世纪电力工业唯一的高技术储备”。（4）其他新材料，如纳米复合材料、场（包括电场和磁场）控和温控的非线性介质材料、低残压压敏电阻材料、新型绝缘材料、绝缘体—金属相变材料、新型铁磁材料、用于高效低能耗的电力传感器材料（如巨磁阻材料、压电晶体、热电材料等）都将可能在未来电网中得到广泛的应用。

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物理电网将与信息系统高度融合

如果把电网比喻成为一个人的话，那么物理电网就是人的骨骼、肉体和器官，而电网信息系统则提供相当于人的感觉能力、分析能力和决策能力。当前的电网，不仅在物理层是不完善的，而且其信息系统的建设与未来需求还有很大的差距。有关该方面的内容，也就是国际上近些年谈得很多的所谓“智能电网”的概念，本文不宜做过多的重复。但是，需要说明的是，在现有电气设备的基础上，仅仅依靠提升电网的信息化程度，远远解决不了未来电网所面临的问题。改变电网的结构和运行模式、提升电气设备的性能和采用新型功能的电气设备，对于解决未来电网的问题同样重要甚至是更为根本性的。另外，需要强调的是，能够从创新材料入手发展具有自适应功能的电力设备和保护设备，就可以显著降低电网对于传感、通讯和数据处理的技术要求，这对于提高电网的安全可靠性和综合效益是非常有益的。因此，切忌认为将信息技术用于电网就是未来电网发展的全部。

2、政府制定相关法律法规、政策的初衷，无非是尽可能的促进和激励可再生能源发电市场的发展、规范相关市场的正常运作。所以这些法律法规、政策的前景，很大程度上是受到了可再生能源发电技术不成熟、资源分布不均等因素的制约。

3、可再生能源发电，尤其是风电、光伏发电目前的瓶颈，一方面有市场规范、政策等的不完善造成的制约，另一方面与技术发展的瓶颈、资源分布不均有关。现在的状况是，政策逐步趋于完善，但是技术发展、资源利用却严重滞后。举例来看，水电资源主要分布在南方，尤其是西南地区，小水电等的发展不容乐观，远距离输电也成为难题；风电资源主要分布在沿海和西北地区，资源分布不均，输电建设跟不上，同时技术不成熟导致大量的风机脱网问题，电能无法上网输出；光伏发电，不适用于大规模的发电，只限于小范围的利用，短时间内难以形成规模。风、光发电本身具有间歇性，发电不稳定，同样影响了电网的安全稳定。

因此，现阶段法律法规、政策随着相关经验的积累可以逐步完善，但是可再生能源发电的技术亟需突破，这就需要技术人员努力解决尚存的问题，储能技术的发展对解决上述问题至关重要，应当引起足够重视。

尽管我国在建立可再生能源市场方面做了许多工作，但也还存在很多问题，主要表现在：对建立完善可再生能源市场的战略性、长期性和艰巨性的认识不足；由于成本相对过高以及产品自身特点原因，目前可再生能源还缺乏广泛的社会认同和完善的市场环境。

2．政策体系不完善，措施不配套

虽然我国颁布了可再生能源法，其制度建设要求也比较全面，但是政策措施和制度建设不配套，尚未完全适应可再生能源发展的要求。

主要是：

（1）各种可再生能源发展的专项规划或发展路线图未能及时出台，尚未形成明确的规划目标引导机制；

（2）缺乏市场监管机制，对于能源垄断企业的责任、权力和义务，没有明确的规定；也缺乏产品质量检测认证体系；

（3）可再生能源的规划、项目审批、专项资金安排、价格机制等缺乏统一的协调机制；

（4）规划、政策制定和项目决策缺乏公开透明度；

（5）缺乏法律实施的报告、监督和自我完善体系。

（6）缺乏可再生能源与社会和自然生态环境保护的协调发展保障机制和政策，特别是水电、生物质能还需要完善移民安置、土地利用和生态保护配套政策。

3．技术研发投入不足，自主创新能力较弱

为了尽快降低成本、克服电网等外部支撑条件的限制，必须依赖持续不断的技术创新和产业化应用。虽然我国在可再生能源利用关键技术研发水平和创新能力方面有所提高，但总体上和国外发达国家相比仍然明显落后，主要表现在：

（1）基础研究薄弱，创新性、基础性研究工作开展较少、起步较晚、水平较低，如光伏发电技术、纤维素制乙醇等技术，缺乏大规模发展所需的技术基础；

（2）缺乏强有力的技术研究支撑平台，难以支持科技基础研究和提供公共技术服务；

（3）缺乏清晰系统的技术发展路线和长期的发展思路，没有制定连续、滚动的研发投入计划；

（4）用于研发的资金支持明显不足。

4．产业体系薄弱，配套能力不强

我国近年来产业的快速发展是建立在国内外资金快速投入的基础之上。在技术上，我国仍落后于世界最先进水平，产品缺乏竞争力；在关键工艺、设备和原材料供应方面，仍严重依赖进口，受制于国外技术的垄断，如大型风电机组的轴承、太阳能电池的核心生产装备、纤维素乙醇所需的高效生物酶等。尽管近来经过努力，这些情况有了改观，但从产业长远发展考虑，产业体系薄弱仍是困扰行业发展的重要问题。

能源专家报告说，使用风能、太阳能、地热和水（水力发电，（潮汐和波浪）为所有需要电力运作的经济部门供电的能源，包括电网本身、运输、供暖和制冷、工业以及农业、林业和渔业，将大大减少能源消耗，减少空气污染造成的死亡，创造数以百万计的就业机会，斯坦福大学大气与能源项目主任马克·雅各布森在接受《生活科学》杂志采访时说：“稳定能源价格，节省数万亿美元的医疗保健和气候相关费用。我们为139个国家中的每一个制定了各自的计划，这些计划占全球排放总量的99%以上。”。[十大最疯狂的环保理念]

这项研究着眼于世界能源需求，从2012年开始，预测到2050年。2012年，世界用电量为12.105万亿瓦，相当于12.105万亿瓦。研究人员在研究报告中写道，到2050年，如果不发生任何变化，世界将需要20.604tw，而且每个国家都继续采用其目前用于满足能源需求的相同方法。

，但如果这些相同的商业部门转向可再生能源来满足其所有电力需求，世界将需要研究显示，仅需11.804TW就能满足全球电力需求。研究人员称，这是因为电比燃烧更有效。在解释研究要点的视频中，雅各布森举了一个例子：他说，在电动汽车中，80%到82%的电被用于移动汽车；其余的则被浪费为热量。另一方面，在以汽油为动力的汽车中，燃料中只有17%到20%的能量用于移动汽车，其余的能量被浪费为热量，他说，

能源也需要用于开采、提炼和运输化石燃料。因此，转向100%的可再生能源将消除这些能源密集型和环境破坏性的过程，报告作者说，在他们的研究中，雅各布森和他的同事展示了风、水、地热和太阳能如何满足全球对11.804太瓦能源的需求避免到2050年全球气温预计将比工业化前高出2.7华氏度（1.5摄氏度）。研究人员概述了这样做将如何拯救400万至700万人的生命，否则这些人可能死于由空气污染引起的疾病，为各国节省超过20万亿美元的健康和气候成本，雅各布森在接受《生活科学》采访时说：

“对我来说，这似乎是一件不费吹灰之力的事。

这项研究建立在雅各布森之前的工作基础上，雅各布森开始了他的研究科学家生涯，试图了解空气污染是如何影响气候的。”。他说，在最初的几年里，他专注于解决问题，但到了1999年左右，他开始寻找解决方案。

在2009年，雅各布森和马克·德鲁奇，加州大学伯克利分校交通研究所的研究科学家，雅各布森和德鲁奇在《科学美国人》杂志上发表了一份研究报告，概述了一项为全世界提供100%可再生能源的计划。

在接下来的几年里，致力于在州一级研究这些问题的后续研究，目前研究人员已将这项研究扩展到139个国家。世界上其余59个国家的详细能源数据并不存在，因此无法纳入该研究，科学家们说，“KDSPE”“KDSPs”是向100%可再生能源基础设施过渡的总成本——一个计划将国家首次移至80%可再生能源的计划。到2030年5月，乍一看，le energy似乎有些令人望而却步，但雅各布森和他的团队也计算出了这些数字。

雅各布森说，在所有国家平均起来，建设可再生能源系统（包括储存和传输）的成本是8.9%千瓦时。在一个没有过渡和保持现有化石燃料系统的世界里，成本是9.8美分/千瓦时。

不包括社会成本。

化石燃料能源伴随着健康和气候相关的成本。作者估计，到2050年，各国每年将在与全球变暖有关的环境、财产和人类健康问题上花费28万亿美元，包括洪水、房地产破坏、农业损失、干旱、野火、热应激和中风、空气污染、流感、疟疾、登革热、饥荒，海洋酸化等等。[气候变化将影响你健康的5种方式]

，如果世界不采取行动应对气候变化，地球两极的冰继续以目前的速度融化，世界7%的海岸线将被淹没，雅各布森说：

雅各布森说，可再生能源的社会总成本——包括健康和气候问题的成本，以及风能、水和太阳能的直接成本——约为化石燃料的四分之一。

“在其他世界，你可以将社会总成本降低约75%，“他说。”研究显示，这项技术的成本效益是巨大的。

几个国家已经开始转向可再生能源组合，以满足所有商业部门100%的电力需求。名单中包括塔吉克斯坦（76.0%）、巴拉圭（58.9%）、挪威（35.8%）、瑞典（20.7%）、哥斯达黎加（19.1%）、瑞士（19.0%）、格鲁吉亚（18.7%）、黑山（18.4%）和冰岛（17.3%）。

到目前为止，美国的可再生能源发电量仅占其总发电量的4.2%。但研究人员称，中国有优势。这项研究发现，像美国这样的国家，每人口拥有更多的土地，将有最容易的时间进行过渡。预计最困难的国家是那些地理位置小但人口众多的国家。据雅各布森说，新加坡、直布罗陀和香港等国家将面临100个可再生能源面临的最大挑战。“KDSPE”“KDSPS”仍有解决问题的方法。他补充说，这些地区可以转向海上风能，也可以与邻国交换能源。

“有了这些信息，我们给各国带来了信心，相信它们能够自给自足，”雅各布森说我希望不同的国家能在2050年和2030年分别承诺100%和80%的可再生能源。

这项研究于8月23日在线发表在《焦耳》杂志上。

最初发表在《生命科学》上。