作者:甘晓 来源:中国科学报 发布时间:2014-3-12 8:12:21
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第436次香山科学会议研讨“未来电网”
 
为广泛探讨新能源革命背景下我国电网发展面临的各种挑战,展望未来电网模式和发展趋势,探究影响电网发展的关键因素和科学问题,评价新技术在电网发展中的应用前景并通过不同学科、专业的交叉融合引导深层次的电网科技创新,推动相关的学科发展,香山科学会议于2012年9月27日~29日在北京召开了以“未来电网及电网技术发展预测和对策”为主题的第436次学术讨论会。
 
会议聘请中国电力科学研究院周孝信院士、华中科技大学程时杰院士、中国电力科学研究院郭剑波教授、清华大学梁曦东教授、中科院电工所肖立业研究员担任会议执行主席。周孝信院士作了题为“未来电网和电网技术的发展前景”的主题评述报告。来自国内20多个单位的40余名专家学者围绕未来电网模式、新型输电方式、超导和先进储能技术以及新型材料、器件和输变电设备等中心议题进行了深入讨论。
 
第436次香山科学会议简报(摘要)
 
与会专家首先听取中国电力科学研究院周孝信院士作的题为“未来电网和电网技术的发展前景”的主题评述报告,并对一些热点问题展开讨论。专家们首先对我国2050年预计人均年用电量8000千瓦时这个指标开展热烈讨论。华北电力大学刘吉臻教授提出要从根本上改变生活习惯和消费观点,采用一种更加节能环保的生活模式,人均用电量应当控制下来,从而远小于这个数值。武汉大学孙元章教授、湖南大学曹一家教授附议这个观点。另外一些专家认为这个指标是合理的,甚至还可以更高一点。中国电力科学研究院郭剑波教授指出,根据多年的电力规划经验,我国“补课式”消费会促使人均用电量大幅度提高,甚至不用到2050年就会突破8000千瓦时。中国电力科学研究院李柏青教授、中科院电工所肖立业研究员附议这个观点。
 
大家一致认为,人均用电量指标应联合社会科学专家和电力专家进行深入研究。第二个热点问题是关于煤电和可再生能源发展比例。中科院电工所严陆光院士认为,40%的煤电比例可行性不高,风电、光电、核电的未来发展可能比预期要缓慢,因此煤电比例应该考虑为50%甚至60%更实际。第三个热点是关于输电规模问题。华北电力大学崔翔教授概算指出,7.1亿千瓦的输电容量,按现有输电技术来估算,需要100多条输电通道,但资源环境的限制使得建设如此多的输电通道是不可能的,因此必须有一个调整发展规模、改变发展模式和寻求新技术革命的过程。
 
一、未来电网模式和电力系统
 
中国电力科学研究院汤涌教授在题为“未来中国电网模式的分析与展望”的中心议题评述报告中指出,影响电网发展模式的主要因素包括电力流格局和电网技术两个方面。他提出了我国未来电网的发展模式,给出了2020年的电网场景,以及2020~2030年、2030~2050年的电网发展模式预测。
 
郭剑波教授在题为“超/特高压交直流输电系统”的报告中分析了我国电力发展现状和面临的挑战,提出未来大容量远距离输电技术的科学问题并建议开展合理的电源结构配比及前瞻性的送/受端电网规划研究工作;研究超大规模交直流混联电网深入的机理研究和分析方法;研究跨大区、强交互影响、分层分区、安全可靠、协调优化控制。肖立业研究员在题为“构建统一的新能源电网”的报告中指出,可再生能源具有时间、空间、资源、源—荷互补特性,未来电网的变革态势是从交流模式到直流模式。他提出了我国未来多层次直流环形电网的构想。国网智能电网研究院汤广福研究员在题为“多端直流输电和直流电网技术”的报告中指出,基于现代直流输电技术的多端直流输电和直流电网将成为解决这些问题的有效技术手段之一。
 
讨论中,严陆光教授指出,直流电网的概念是不够准确的,直流输电网可行但直流配网是否可行要研究。汤涌教授提出要结合需求、考虑技术发展,进一步研究建设直流电网的必要性。郭剑波教授认为,我国的直流输电已经占据国际主要地位,一方面交直流交互影响问题突出,但另一方面直流的协调控制对交流电网的稳定是有好处的。华南理工大学吴青华教授认为,应该更深入电力系统的本源来研究问题,不要简单断言直流或交流的发展模式。清华大学梁曦东教授认为,应该更多关注如何由现状过渡到未来电网的过程,而不是仅仅关注最后的场景。李柏青教授认为,目前直流电网的认识还不够清晰,需要梳理其技术逻辑。东北电力大学穆钢教授指出,我国电网的发展长期是以搭积木的模式滚动建设的,会不会存在数学上的“沙堆模型”的临界点,值得深入研究。上海交通大学程浩忠教授指出,在分析未来电网模式问题时,一定要充分考虑技术经济综合分析。孙元章教授提出要建立一套指标体系来评价电网模式,从而有利于电网模式的优化发展。
 
二、新型输电方式和输电技术
 
梁曦东教授在题为“新型输电方式与输电线路”的中心议题评述报告中指出,在未来二三十年内架空线路由于其综合性价比优势,仍将是输电的主要方式。
 
崔翔教授在题为“输电线路的电磁环境”的报告中,分析了以架空线路为载体的开放式输电线路对人类及其他人造物理系统带来的电磁环境问题。清华大学周远翔教授在题为“未来电网中的大容量电缆输电与气体绝缘管道输电”的报告中,介绍了大容量电缆输电与气体绝缘管道输电的技术特点和应用场合,提出了未来混合模式输电网络模式构想。华中科技大学文劲宇教授在题为“无线能量传输技术及其应用”的报告中指出,电力中继卫星是一种解决远距离传输的新技术。
 
讨论中,吴青华教授指出,应该鼓励输电技术相关的基础研究并加大支持。周孝信教授指出,未来架空线研究中的关键问题就是降损。严陆光教授认为,输电线路的电晕问题需要更透彻的研究。李柏青教授建议,明确无线能量传输的技术需求,在输电方式有关导线研究中加入对电力系统影响因素的考虑。郭剑波教授强调,要关注电缆劣化和失效的判断、预报及评价指标研究。
 
三、超导和先进储能技术
 
中科院电工所林良真研究员在题为“超导电力技术及其发展前景”的中心议题评述报告中指出,超导电力技术是电力工业的高技术储备,超导电力技术在应对未来电网的重大挑战方面将发挥重大或不可替代的作用。华中科技大学程时杰院士在题为“未来电力系统中的储能技术”的中心议题评述报告中给出了储能技术的定义并指出,储能技术在电力系统中的广泛应用将在发、输、配、用电的各个环节对传统电力系统带来根本性影响。
 
严陆光教授在题为“关于发展高温超导输电的建议”的报告中强调,大力促进高温超导输电技术的研究和应用,并建议在国家层面快速推动高温超导输电的实际应用和商业化发展。上海电缆所魏东研究员在题为“商业化超导电缆的研制”的报告中,对超导电缆商业化的若干问题进行了探讨。中国电力科学研究院来小康教授在题为“储能技术现状与发展方向”的报告中介绍了储能技术的发展现状和未来发展趋势,指出储能技术可使间歇性的、低密度的可再生能源得以广泛、有效地利用。中科院工程热物理所陈海生副研究员在题为“压缩空气储能系统研究进展”的报告中指出,压缩空气储能是一项能够实现大规模和长时间电能存储的成熟储能技术,是目前大规模储能技术的研发热点。
 
讨论中,李柏青教授指出,储能技术和超导技术都要有明确的服务对象和应用场景,才能取得突破和被采用。穆钢教授认为,很多隐性的储能手段也需要引起关注。华北电力大学赵书强教授认为,化学储能装置因为能量密度低,大规模使用后需要考虑其后期处理的问题。周孝信教授强调,应认真分析电力系统需要的储能技术及储能规模。
 
与会专家认为:超导和储能技术的突破将对电力生产、传输和运行各环节产生革命性的影响;对于超导和储能技术,不仅要关注其诸多优势,而且要充分考虑其成本和代价问题;储能技术可以有多种形式,不仅可以储电,还可以储热、储氢等,而压缩空气储能则是一个值得关注的方向;超导技术的健康发展离不开国家战略的支持,同时也需要商业化的运作模式。
 
四、新型材料、器件和输变电设备
 
西安交通大学李盛涛教授在题为“新型输变电设备”的中心议题评述报告中指出,直流输变电设备的设计制造方法尚不成熟,具有固体绝缘的特高压干式直流套管和直流电力电缆是技术瓶颈,其关键是电气绝缘。
 
国网智能电网研究院于坤山教授在题为“新型电力电子材料和器件”的报告中,介绍了国内外广泛研究的几种新型电力电子材料的特性和研究进展,介绍了新型功率器件技术的最新进展和未来发展,分析了材料和器件技术进步对未来电网应用的影响。中科院电工所李耀华研究员在题为“直流电网的新型电力电子装置”的报告中,分析了未来直流电网应用的几种新型电力电子装置的主要关键技术及未来发展趋势。西安交通大学荣明哲教授在题为“新型高压直流输电装备”的报告中,分析了现有高压直流开断技术中存在的关键科学问题,强调要通过自主创新解决高压多端电压源直流输电技术推广中的瓶颈问题。
 
讨论中,汤广福教授指出,材料技术发展会对电力系统带来变革。汤涌教授建议,要关注电力系统发展中有迫切需求的关键器件、设备的研究。上海交通大学程浩忠教授指出,我国的制造业比较大,但不够强。材料、设备、器件的技术比较弱,终端系统却比较强,建议加大研究力度,资助制造业的发展。林良真教授建议,要加强绝缘材料在低温下绝缘机理和绝缘特性的研究。
 
五、会议总结与专家建议
 
与会专家经过充分讨论,对未来电网的发展形成以下基本共识:
 
1. 20世纪末至本世纪初,伴随着全球气候变化加剧和传统能源日渐枯竭,一场新的能源革命悄然兴起。以可再生能源逐步替代化石能源,实现可再生能源和核能等清洁能源在一次能源生产和消费中占更大份额,建立可持续发展的能源系统是这一新能源革命的主要目标。
 
2. 在新能源革命条件下电网的重要性日益突出。电网将成为大规模新能源电力输送和分配网络;与分布式电源、储能装置、能源综合高效利用系统有机融合,成为灵活、高效的智能能源网络;具有极高的供电可靠性,基本排除大面积停电风险;与信息通信系统广泛结合,建成能源、电力、信息综合服务体系。
 
3. 按不同发展阶段的主要技术经济特征,电网可分为三代。未来电网是第三代电网,是一代电网、二代电网在新能源革命条件下的传承和发展,支持大规模新能源电力,大幅降低大电网的安全风险并广泛融合信息通信技术,是电网的可持续化、智能化发展阶段。从现在起到2050年将是我国电网由第二代向第三代转型的过渡期。与电源的转型相配合,电网发展的总体趋势将是国家骨干输电网与地方输配电网、微网相结合的发展模式。
 
4. 在未来相当长时间内我国仍有大容量远距离输电的需求。对我国未来(2020~2050年)电力发展和输电需求的初步估算结果表明,按未来达到中等发达国家人均年用电8000千瓦时的水平计算,全国年用电量12万亿千瓦时,按满负荷下年运行5000小时计,全国发电等价装机容量为24亿千瓦。若考虑其中煤电占10亿千瓦(装机比例为41.6%),四分之一容量西电东送,再加上西部水电、风电和光电,西电东送的整体规模依然很大。
 
5. 从现在到2030年我国输电骨干网仍将基本保持超/特高压交直流输电网模式,但在基础研究和前沿高科技研发的支持带动下,将有可能出现新的输电方式突破。从2030年到2050年的远期阶段,技术发展的积累和突破有可能对输电网模式产生革命性的影响。根据技术突破程度的不同可能有两种模式:即超/特高压交直流输电网模式(延续目前发展模式)、多端高压直流输电网和超/特高压交流输电网的混合模式,后者更依赖于相关先进技术的重大突破、必要性和技术经济的优越性。
 
6. 电网发展模式与电力系统;输电方式和输电技术;超导电力技术;电力系统储能技术;新型电力电子材料、器件和装备;直流输电装备是支撑未来电网发展的6个关键技术领域。上述6个关键领域的重大问题和关键技术如下:
 
(1)电网发展模式与电力系统。未来20~30年我国输电骨干网仍将基本保持超/特高压交直流输电网模式,为适应未来接纳大规模可再生能源电力和各种电源大范围电能传输、互补的需求,多端直流输电和直流输电网技术将会得到发展。基于我国大容量远距离输电的需求和上述电网技术发展趋势的判断,电网发展模式与电力系统领域近期必须开展重大关键技术研究:包括适应我国能源发展的电网发展模式、特征及电网构建的基础理论与关键技术;超大规模交直流电网结构优化的数学方法和关键技术;大规模新能源与可再生能源接入电网的规划与运行控制技术;大规模交直流混联电力系统的保护与控制技术;基于实时广域信息的交直流混联电力系统安全稳定控制技术;交直流混联电力系统多尺度精细化建模和先进仿真技术;电网的模式演化及未来直流电网的构造;直流电网的安全稳定控制;直流电网协调调度与优化运行,以及数学和系统科学、最优化理论与控制科学、信息与计算科学在电力系统的应用。
 
(2)输电方式和输电技术。该领域的关键科学问题主要包括围绕输电线路、输电管道、电缆用的各种电工材料及其组合,在恒定或交变或瞬变的电气应力、机械应力、温度梯度作用下的综合性能研究以及长年的性能稳定研究。未来二三十年内,架空输电线路仍将是各种输电方式中最主要的方式。架空线路输电的制约因素主要是输电走廊、电磁环境、大气环境和可靠性。架空线路智能化监测、综合利用或提升已有走廊输电能力的技术值得研究。高电压大容量电缆输电、尤其是高电压大容量气体绝缘管道输电作为架空线路的补充在解决局部地段输电走廊瓶颈的问题上有一定优势,值得大力研究。架空线路、电缆和管道输电的研究应主要集中在各种新型、高性能电工材料及其性能提升和长期稳定性方面。
 
(3)超导电力技术。该领域的关键问题主要包括:高性能超导材料的电磁特性及其与多物理场的相互作用机理与规律;交流高温超导线圈的稳定性及动态特性;低温高电压放电规律与机理;超导电力应用的新原理与新型拓扑结构;超导电力装置的动态特性及其与电网的相互作用机理;超导直流骨干网的结构及其运行特性。超导材料的突破是超导电力技术得以规模化应用的关键,应推动超导材料及相关科学的研究。建议国家持续支持超导电力的应用基础和关键技术研究、试验和示范,积极推动有需求、有效益的实际应用。
 
(4)电力系统储能。该领域的关键问题主要包括:储能在电力系统中的应用耦合机制及能量管理控制理论,满足长寿命、低成本、高安全及高效率要求的储能装置本体技术。电力系统储能技术的突破将带来电力系统的变革,它可提高电网接纳可再生能源发电的能力,提高现有电网设备的利用率和电网运行效率,提高供电可靠性和电能质量。多种储能方式、载体和规模在电力系统中都有应用前景。应开展电力系统中储能应用需求的系统研究,针对当前及未来的突出需求开展基础研究和关键技术攻关,组织先进装备制造业、新能源发电行业和电力系统开展储能应用技术的研究和试验示范。
 
(5)新型电力电子材料、器件和装备。该领域的关键问题主要包括高性能碳化硅材料、器件理论,尤其是新型器件结构和制备工艺问题;高性能碳化硅功率器件产业化过程中的长期可靠性问题;基于新型功率器件的新装置及其应用系统。新型电力电子器件及其装备是支撑未来电网的关键,其中以碳化硅为代表的宽禁带半导体材料及器件可望大幅度提高未来电力电子装置的性能;以电压源型直流输电装置等为代表的新型电力电子装置在电力系统中具有广泛的应用前景。应组织材料、器件、电力电子装置、电力系统等学科开展基础研究和联合攻关,取得突破;应尽快开展从新型电力电子材料、器件到装置的全面基础性研究,突破材料和器件关键工艺和技术、创新电压源换流装置拓扑和控制技术,支撑电网技术发展。
 
(6)直流输电装备。该领域的关键问题主要包括:高压直流绝缘的状态表征和绝缘特性演变规律及新型绝缘材料、直流断路器的拓扑和短路电流限流机理及标准等。基于电压源直流输电(VSC-HVDC)在可再生能源电力接入电网和分布式电力系统中具有广泛的应用前景,应着重开展VSC-HVDC中主要电力设备如高压直流套管、直流电缆、直流断路器的相关基础理论研究和联合技术攻关。
 
与会专家建议:为保障国家电力能源安全供应的重大需求,应推动重大电工装备、电网技术和电工材料的重大专项基础研究,促进关键电力技术的突破及其在电力系统的早日应用。建议近期的研究项目:
 
1. 建议设立“直流输电装备和系统相关基础科学问题研究”国家“973”研究计划项目,着重解决新型电压源型直流输电系统、新型直流断路器和高压直流套管、直流电缆等相关重要基础科学问题,为我国新型电压源直流输电系统和新型直流断路器等的研制与应用打下理论基础。
 
2. 建议设立“电力系统先进储能系统的关键基础科学问题研究”国家“973”研究计划项目,着重解决电力系统(含电动汽车)中急需应用的新型蓄能电池、大规模压缩空气等储能系统的集成机理与设计优化,满足长寿命、低成本、高安全及高效率要求的储能装置本体技术,储能系统与电力系统的耦合和集成控制机理与能量管理控制,为储能系统在可再生能源的大规模发展、提高电力系统效率和发展智能电网等方面发挥积极作用奠定理论基础。
 
(本报记者甘晓采访整理)
 
《中国科学报》 (2014-03-12 第7版 专题)
 
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