深度解读:从电力技术发展历程理解能源互联网

深度解读:从电力技术发展历程理解能源互联网

原文始发于微信公众号(坎德拉学院):深度解读:从电力技术发展历程理解能源互联网

自2016年以来,互联网+智慧能源(能源互联网)作为电力体制改革的一部分,在全国渐成燎原之势。全国各地发起或正在开展的能源互联网项目不断增加,以“多能互补、集成优化”为目标的综合能源利用项目正在实践着电力体制改革的精神。当审视它的产生、发展过程,研究它的采用的技术、发展目标、实现手段和发展方向的时候,让我联想到了电的发展史。

当今社会,我们真的无法想象:如果没有了电,人类该如何生存。BBC曾经拍了一个三集纪录片《The Story of Electricity》,带领我们重新回顾电的发展历史。

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▲BBC曾经拍了一个三集纪录片《The Story of Electricity》

我们都知道,最早的电起源于静电。当时人们发现丝绸和玻璃摩擦后能够吸起羽毛,还发现刚死的青蛙体内存在电(animal electric)。种种现象激起了科技先驱们对电的探索和研究。于是对电的研究不仅仅被用于娱乐或者魔术,而是转向探究电到底是什么,如何控制它。在1831年法拉第发现电磁感应定律,并制成第一台圆盘式单极直流发电机,电力才真正被控制和掌握。但直到Thomas Edison发明了灯泡后,电力才被用于民间。但由于直流电的低压特性(最高2000V),以及难以进行电压变化,使得电力的传输距离受到限制。为了使电被大家使用,Edison必须在居住区周围建很多噪音很大的发电厂。所以,这时的电还是奢侈品,造价昂贵,尚不能被大众所普遍消费。但人类对于光明的渴望使得Edison的电力事业得到了飞速发展。

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▲Thomas Edison发明了电灯

我们要感谢NegolaTesla,他发明了三相交流电,并证明了三相交流电比直流电更高效和实用。然而,他无法说服Edison同意他的观点。Edison从安全的角度向世人宣布交流电是危险的,并试图游说通过立法禁止交流电的使用。于是,Tesla找到了Westinghouse。Westinghouse是个企业家,他敏锐地认识到了Tesla的电的价值。两人很快达成了协议,并成立了Westinghouse Electric Company。很快,交流电的巨大优势使得有趣的交直之争进入了尾声,Edison的公司也遭到了解散。

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▲交流电的巨大优势使得有趣的交直之争进入了尾声

 

然而真正使电得到广泛利用的还应该感谢SamuelInsull(他曾是Edison的助手,在交直之争中帮助Edison证明交流电的可怕和邪恶)。SamuelInsull认识到只有让更多的人使用电,才能使发电企业获得利益。他认识到,只有把电的成本摊到更多的用户上,让更多的用户使用电,更长的时间用电,更大量地用电才能够获得收益。单纯的照明不论从利用时间和消耗量上都不足以降低发电和输电的成本。于是他将人们日常生活用电、工业用电、路灯照明等等进行整合,使电力在更广泛地场景得到应用。

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当电被更多的用户使用,电的成本被摊销的越多,电价就越便宜。电价便宜了以后,就有更多的用户用电,产生了更大的用电需求,从而形成良性循环。当越来越多的用户使用电力后,负荷越来越平衡,输电损失越来越可控,就可以建设更大的发电厂。但建设大型电站需要大量的资金,Insull向公众出售股票,并建立了美国的PUCs(Public Utility Commissions),为美国电力市场的充分竞争埋下了很好的基因,于是电力工业才真正建立起来并开始的快速发展。

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▲当越来越多的用户使用电力后,就可以建设更大的发电厂

交流电的出现使得产生大量噪音的电厂可以建在远离用户的地方。随着电力的普及,电力的需求不断扩大。随着技术的进步和理论的不断完善,为了获取更大的利益和效益,更高效的机组和更大的电厂成为发展趋势。随着各国经济的发展,电力的需求越来越旺盛,电厂也建得越来越大。大电厂建在资源集中的地方,如煤矿附近建设电厂催生了高压、特高压长距离输电的出现。电力企业在大容量发电厂-高压输电-用电的思维上一路高歌猛进。此时的电力生产仍然以传统的煤炭和石油为主,以集中式发电,长距离输电为主。随着数字化技术的提高,又出现了智能变电站和数字化电厂,而这些都是基于提高电厂或电站单体效率而产生的思想。

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▲大电厂建在资源集中的地方,催生了高压、特高压长距离输电的出现

在当代,电力的供应仍是基于化石燃料。在电力发展过程中,对电力工业思维产生深远影响的当属石油危机和几次大停电事故。

人类迄今经历了三次石油危机。第一次石油危机发生在1973年的第四次中东战争。当时石油价格飙升4倍之多,使得以石油作为发电原料欧美国家的发电成本暴增,电价飞涨。在美国还造成了很多售电公司和输电公司的破产。这次石油危机使得人们认识到,单靠一种能源形式供能是不可靠的。

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▲第一次石油危机

1977年,纽约发生了大停电事故。停电事故必然会给人类的生产生活带来很多不便,更为严重的是,长时间大规模的停电事故会导致一些恶性社会行为的发生。在1977年7月13日到14日,纽约市长达24小时的停电事故影响了900万人口。大停电使人们认识到,长距离输电存在着致命的缺陷,一旦输电线路出现故障,将会对地区经济产生毁灭性的打击。

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▲1977年纽约发生了大停电事故

同时,在集中电站和更长距离电力传输线路的发展思维中,人们发现电力的生产成本并没有持续下降。为了满足所有负荷的需求,电力的生产和传输必须按照最大负荷建设。由于负荷特有波动性,使得峰谷不断加大,造成了输电的利用率降低,损耗加大,成本加大。于是,人类开始重新审视电力工业的发展路线和发展理论,对电力供应安全性的迫切需求产生了分布式能源的发展思路。

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▲内燃机

这里应该感谢科学技术的进步,小型内燃机或燃气轮机的发展很快。人们发现在负荷附近安装小型机组可以提供更便宜的电力,而且在提供电力的同时,还可以提供热力需求,而且效率更高。在Thomas Edison时代,布置在居民区附近的发电机被大容量机组、远距离输电所取代跟当时发电机噪声大、效率低轰隆隆应该有很大的关系。但如果以现在的眼光来看,Edison的思路是符合当前分布式发电模式的。

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人类重新审视电力工业的发展路线和发展理论,对电力供应安全性的迫切需求产生了分布式能源的发展思路

随着新能源发电技术的提高和人们对环境保护、用电安全的需求,更多的发电形式被应用到能源的生产和消费环节。于是,人们开始向清洁低碳用能的方向发展。

在1995年,正是认识到安全、环保等问题,丹麦开展了多能源综合利用、多能互补的研究。丹麦选择SAMSØ岛进行了实践,由Alborg大学开展规划研究和评估,结论认为Samsø岛在2010年实现了理论意义上的100%零碳排放。丹麦称之为smart energy system,就是我们时下常说的能源互联网(互联网+智慧能源)。Samsø是丹麦的一个离岸小岛,当前已成为世界上第一个在现代生活与生产状态下的“零碳”地区。其更加宏伟的目标是2030年全岛完全不使用燃油,即实现真正意义上的100%可再生能源系统,零碳排放地区。

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▲SAMSØ岛南部距海岸約三公里的大型风力发电机组

那么什么是能源互联网?这里引用《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》(发改能源[2016]392号)所述:“互联网+”智慧能源(以下简称能源互联网)是一种互联网与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合的能源产业发展新形态,具有设备智能、多能协同、信息对称、供需分散、系统扁平、交易开放等主要特征。在全球新一轮科技革命和产业变革中,互联网理念、先进信息技术与能源产业深度融合,正在推动能源互联网新技术、新模式和新业态的兴起。能源互联网是推动我国能源革命的重要战略支撑,对提高可再生能源比重,促进化石能源清洁高效利用,提升能源综合效率,推动能源市场开放和产业升级,形成新的经济增长点,提升能源国际合作水平具有重要意义。这里的论述包罗万象,涵盖了技术、市场、目标、策略,使人很难抓住重点。

再引述清华大学编写的《能源互联网发展研究》的论述:能源互联网是以互联网的理念构建的新型信息与能源高度融合的网络,是以电力网络为基础架构,协同了冷、热、气等多种能源所形成的智慧网络。

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我理解的能源互联网主要是基于电力电子技术、互联网及大数据技术的一次技术与资源的充分整合(资源、资本、技术)。能源互联网将传统的线性(Linear)能源供给和消费模式转变为互联互通的网状(interconnected)模式,整合了冷、热、电等多种能源品种,使缺少灵活性的能源在不同能源品种间实现补偿。

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多能互补是能源互联网建设的核心目标,以负荷平衡为目标的多种能源能否实现平衡、能否实现彼此协调和互援至关重要。人们对环境的重视使能源的生产方式转向了可再生能源和清洁能源,通过先进技术的采用提高能源利用效率和降低碳排放。人们对用能安全的考虑是能源生产转向了分布式能源,通过在负荷中心建设分布式电站,实现区域能源的自给,提高用能的可靠性和安全性。

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社会的发展过程就是不断满足人类需求的过程。满足对电、热、冷、交通、通信、水、气等的需求。基于传统化石能源供应体系下,人们建设发电厂生产电,送到用户后产生热和冷,建设供热电站生产热,提供燃油满足交通,利用电力实现通信和水的供应。通过储存化石燃料,能够随时满足发电厂、加油站的需求,进而满足人民的需求。

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在降低碳排放和功能安全需求的驱动下,人们开始寻找替代能源。风电、太阳能、海洋能、生物质能等可再生能源进入视野。但先天的波动性使得新能源的使用受到限制。在能源互联网思维下,波动性的能源通过互相结合,可以提供稳定的能源供应。在这里,科学技术的发展为这种结合提供了支撑,尤其是储能技术的发展,将能源的生产和消费集中在一个消费区域成为可能。

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当解决了困扰能源波动性问题后,区域能源互联网应运而生。于是产生了智慧微电网、智慧热网以及智慧燃气网。智慧电网将柔性电力负荷如热泵、电动汽车与波动性能源整合,如风能和太阳能;智慧热网利用分布式供冷和供热,将电力需求和热力需求进行整合。通过储热技术的使用将提供额外的灵活性并回收能量生产系统中的热量损失;智慧燃气网将电力、热力和交通整合,通过燃气储存技术提高系统的柔性。若采用燃气液化技术,液化天然气存储将更方便。

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在负荷集中的地方,利用现代技术将多种能源形式进行整合,可以在能源端、生产端、消费端分别耦合,也可以将消费端和能源端整合,从而实现自循环的经济发展模式。下图是能源互联网概念图。

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▲能源互联网概念图

电力电子技术的发展使得直流电不能变压的劣势得到克服,将交流和直流在各种电压等级实现互换和融合。比如,±800kV高压直流输电和±500kV柔性直流输电就是利用了电力电子技术的发展成果对长距离高压输电技术产生影响。而中低压交直流混合配电网概念的兴起将会对配电系统的发展产生影响。电力电子技术使得对电的控制更加可能,使得交流电使用和传输的制约因素得以规避。

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互联网的思维和大数据技术将电力的生产、传输和使用有机结合,充分挖掘各个环节的特性,预测各个环节的能力,使发电、输电、用电互补、可控、可调。

回过头来看,在人类探究电过程中有两个重要的因素起着关键作用:欲望和技术进步。人类征服世界的欲望从来没有停止过,这种欲望使人类一直想控制世界,使世界为人类使用。放到电的上面,自从人类发现了电的现象后,就一直想控制电。而这种欲望也激发了人类创造的激情,不断创造新的技术,新的技术又帮助人们更好的研究电和利用电。但单纯的有欲望、激情和技术还不足以使电得到广泛普及,还需要商业、金融。缺少商业和经济的推动与支持,电就没法为更多的人所熟悉和使用,也无法获得发展。

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当能源互联网的理念产生后,我们会发现,能源互联网里所涉及的很多技术都已经存在。我们只需要对这些现有的技术进行分解和整合,就能够产生新的技术。当有了电力电子技术和网络通信技术后,通过对能源生产、传输、消费数据的采集和分析,掌握其特性,能源可以不再以单一的模式存在。尤其是波动性可再生能源可以互相补偿,协调配合满足人类生产和生活的需求。

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因此,能源互联网已经不再遥远,在分解和整合的理念下,以能源互联网的思维构建的综合能源体系肯定会发展起来。能源互联网做为新兴能源业态的发展,需要相关技术的进一步整合和创新。能源互联网项目已经突破了常规工程项目的规划、建设思路,集成了能源规划、技术创新、管理知识、商业模式、运营模式、顾客管理等多领域知识,需要人员思想和观念的更新。

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