垒球能源互联网技术创新重点领域及关键技术

 谢国辉，李琼慧

 （国网能源研究院，北京  1 02209）

摘要：推动全球能源互联网由战略构想转为现实行动，迫切需要加快能源电力技术创新。提出全球能源互联网技术创新的五大重点领域，涵盖大容量远距离输电技术、大电网安全运行和控制技术、新能源发电及并网调控技术、先进储能技术和互联网信息通信技术等，分析了各领域对全球能源互联网构建具有重要支撑作用的若干关键技术．研判了各类关键技术未来的研发重点、发展趋势和应用前景。

关键词：全球能源互联网：技术创新：五大重点领域；应用前景

0引言

 随着新能源的发展，未来能源发展将由“资源依赖型”转向“技术依赖型”，技术创新已经成为各国支撑新兴产业发展、抢夺未来技术制高点的重要抓手。全球能源互联网是对现有能源生产和消费方式的重大突破，进一步提升了特高压等远距离大容量输电技术、大电网运行控制技术以及新能源技术发展的重要性和战略意义，必将成为推动新一轮全球能源电力技术创新发展的强大引擎和不竭动力。

 推动全球能源互联网由战略构想转为现实行动，规模宏大且技术更加复杂，迫切需要加快能源电力技术创新，解决超大规模、超远距离的电能输送问题，交直流混合大电网的安全运行和稳定控制问题，跨时区、跨地域的“源一荷”互补优化问题．多种新型能源发电技术和并网调控问题，以及互联网信息技术融合应用等问题。

 目前，远距离大容量输电技术、大电网调度运行和控制技术已经取得了重要进展，中国特高压交直流输电关键技术、重大装备和工程建设，驾驭大电网安全运行、实现大范围资源优化配置的大电网调度运行和控制技术总体上走在了世界前列。在新型能源发电技术方面，风电和光伏发电技术取得重大进展，4～6 MW风机已经大规模商业化应用，晶硅、薄膜太阳电池最高发电效率突破20%。未来需要进一步突破包括适应极寒天气、更深海域的大容量高参数风机技术，以及更高效率、更低成本的太阳能电池技术等。在互联网信息技术融合应用方面，移动互联网、云计算、大数据和物联网等先进信息通信技术在电网配用电领域实现了广泛融合应用。未来需要进一步扩展应用领域，积极探索构建天地协同的通信体系和信息支撑体系。

 本文将在综合分析多种能源电力技术研究和应用现状的基础上．提出全球能源互联网技术创新的重点领域和关键技术，分析研判各领域关键技术未来研发重点、发展趋势和应用前景，以及对全球能源互联网构建的支撑作用。

1  全球能源互联网技术创新趋势和重点领域

  从构建全球能源互联网需要重点解决的技术问题出发，全球能源互联网技术创新趋势突出体现为以下三大方面。

 (1)突破多种新型能源发电技术，满足全球大型新能源基地的大规模开发和利用。风电、太阳能发电、海洋能发电等新能源基地是全球能源互联网重要的源端电源，需要进一步加快新能源发电技术创新，降低新能源发电成本，突破大容量储能技术，为新能源基地规模化开发创造条件。

 (2)发展先进大容量输电技术和特大型电网安全控制技术，确保新能源基地大规模外送和电网安全稳定运行。未来洲际互联大电网加快建设，海上、极地地区大型新能源基地开发将进一步推动输电技术向更大容量、更高电压等级、更灵活可靠接入的方向发展。

 (3)深度融合应用信息通信技术，全面提升电网智能化互动能力。为更好地适应全球能源互联网海量信息处理、能源流和信息流双向流动、高渗透率分布式电源接人、多元用户供需智能互动等新趋势，需要深度融合应用更先进的信息通信技术。

基于技术创新趋势分析．未来全球能源互联网技术创新的重点领域包括大容量远距离输电技术、大电网安全运行和控制技术、新能源发电及并网调控技术、先进储能技术和互联网信息通信技术等五大领域。如表1所示。

2大容量远距离输电技术

 重点需要突破特高压交直流输电技术及装备、柔性直流输电及直流电网等关键技术。

2.1  特高压交直流输电技术及装备

 为支撑洲际联网和偏远地区新能源基地电力外送，未来特高压输电技术将向更大容量、更高电压等级方向发展，输电距离超过3 000 km,输送容量超过1 000万kW,具备更大范围资源优化配置能力。

 目前，特高压直流输电的换流器、断路器、直流穿墙／换流变套管等高端装备还尚无法满足更高电压等级输电技术性能。未来需要重点突破±1 100 kV以上电压等级的直流输电关键技术和高端装备的制备、工艺技术，特高压交直流输电的电磁环境与电磁十扰防护技术、特高压设备状态评价、预警诊断技术等。建设适用于极端气候条件下的±1 100 kV及以上电压等级的特高压直流输电示范工程。

2.2柔性直流输电及直流电网

 柔性直流输电是实现新能源并网、城市供电、海岛互联以及分布式能源接人的重要技术，高压直流电网是柔性直流输电的升级版，可以支撑大规模新能源灵活接入，进一步提高电网运行的可靠性和安全性。柔性直流输电及未来直流电网技术将与特高压电网等多种先进输电技术共同支撑全球能源互联网建设，满足“一极一道”等全球大型新能源基地电力大规模送出。

 目前，高压柔性直流控制保护技术及装置、直流电缆及绝缘材料、多端柔性直流仿真测试技术能力仍不成熟，电压等级和输电能力有待进一步突破，直流电网技术还停留在概念没计和技术研究阶段。未来，需要突破基于架空线的柔性直流输电技术，以及直流电网规划与网架构建理论和控制保护技术，研制出高压柔性直流输电及直流电网的成套装备，包括高压直流断路器、高压DC/DC变换器、直流电网潮流控制器等。

预计在2030年左右，柔性直流输电工程的直流电压等级有望达到+800 kV及以卜，容量超过500万kW。多个直流电网将建成．包括欧洲超级电网和张北+500 kV直流电网等．如图1和图2所示。

3大电网安全运行和控制技术

 重点突破特高压交直流电网的建模和仿真技术、保护和控制技术等。

 未来随着特高压交直流电网快速发展和新能源大规模开发，大电网安全运行和控制面临巨大挑战。一方面，特高压交直流电网使得电网运行特性发生深刻变化，交流与直流、送端与受端相互影响．交直流故障连锁反应机理复杂，特高压多直流、大容量集中馈人带来电压稳定和频率稳定问题，给电网安全运行带来重大影响；另一方面．新能源发电的静态特性及电网发生故障时的暂态特性与传统同步发电机组有很大不同，对大电网运行的影响机理更加复杂。

 当前电力系统运行中应用的仿真理论和控制技术已不能适应未来电网发展和大规模新能源接入的要求，需要全面把握特大型电网发展的规律，开发出适应超大规模交直流混联系统、大规模新能源接入的电网建模技术、全电磁暂态仿真技术、大电网安全控制和保护技术、大电网优化调度技术等，提升电网安全稳定运行水平。

4新能源发电和并网调控技术

 重点突破风电、太阳能发电、海洋能发电设备本体技术及并网调控技术。

4.1  大容量高参数风机技术

为支撑全球能源互联网构建，满足北极风电、欧洲北海风电、澳大利亚海上风电等大型风电基地电力外送，需要进一步突破大型风机设计制造技术。预计在2030年年底，将实现20 MW及以上风机的商业化应用，如图3所示。全球风电装机达到16亿kW，比日前增长3倍左右。

4.2高效低成本太阳能发电技术

 太阳能发电在提高转化效率、降低发电成本、实现大规模商业化应用方面有着巨大的技术创新空间和广阔的发展前景。未来光伏、光热发电技术的进一步突破将加快全球能源互联网构建步伐，满足北非地区、南美洲东两海岸等大型太阳能发电基地开发利用。

预计2030年，晶硅和薄膜电池光能转换效率分别提高至30%和25%,钙钛矿型、叠层等三代太阳能电池效率有望超过50%。光伏发电平均度电成本相比口前下降幅度将超过50%，达到0.06—0.14美元／(kW - h)．全球光伏装机将达到17亿kW,比目前增长近6倍，如图4所示。光热发电技术成熟应用，塔式系统可能成为大规模光热电站开发的主流技术，平均度电成本将下降40%,降至0.11—0.16美元/(kW -h)。全球光热发电装机将达到2.6亿kW,比日前增长近50倍，如图4所示。

4.3  大规模海洋能发电技术

全球广阔的海洋能资源为全球能源互联网构建提供重要的源端能源。海洋能发电技术包括潮汐发电、波浪能发电、洋流能发电、温差发电等。其中，潮汐能开发利用最早、技术最成熟，但受装机规模限制，未来仍以分布式利用为主：波浪能、洋流能技术基本成熟，目前多项技术正开展技术示范．具备大规模集中开发的条件，未米还可能与海上风电基地捆绑建设，形成集中连片的大型海上可再生能源发电基地，如图5所示。

4.4大规模新能源并网调控技术

 大规模新能源并网调控是实现网源协调、确保全球能源互联网安全稳定运行的重要技术。未来．需要进一步突破复杂环境下新能源发电功率预测、大规模新能源基地电力外送与调控、多种新能源互补协调调度与控制技术，重点研发大规模风电场与太阳能电站集群控制与调度系统等。

5先进储能技术

 储能技术是支撑全球能源互联网构建的_重点领域。储能技术突破将推动新能源发电成为主力电源．保障伞球大型新能源基地提供可持续的电力供应。

 电储能是储能技术领域研究和应用的热点。电储能包括物理储能、化学储能、其他储能等。物理储能主要有抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能：化学储能主要有钠硫电池、铅酸电池、锂离子电池、液流电池、镍氢电池等；其他储能包括超导磁储能、超导电容、氢储能等。目前，相对成熟的储能技术类型主要是抽水蓄能：已经开展工程示范的储能类型主要有压缩空气储能、锂离子电池、飞轮储能、全钒液流电池等；未来值得关注的前沿电储能技术包括新型储能电池、氢储能、超导磁储能等。

5.1  化学储能技术

 相比物理储能，化学储能在能量密度、安装环境及选址、移动便利等方面都具有相对优势。目前，全球处于商用和示范应用、实验室研发或概念设计阶段的储能电池超过30种。已示范应用的电池技术包括三元材料锂离子电池、全钒／锌溴液流电池、铅碳电池等；处于实验室研发阶段的电池技术包括锂硫电池、半固态液流电池、锂空气电池、铝空气电池等。

目前，储能电池成本仍然很高，除电动汽车电池外．储能电池尚未实现大规模商业化应用。提高功率密度与能量密度、与可再生能源联合运行、降低成本、提高安全性等是储能电池技术创新的重点。根据IRENA、IEA预测，2020年锂离子电池、液流电池成本下降明显，分别从当前550美元／( kW -h)、680美元／(kW -h)下降至200美元/(kW -h)、350美元／(kW -h)，降幅接近50%。2050年各种储能电池技术成本均能够降至200美元／( kW．h)以下。如图6和图7所示。

5.2  氢储能技术

 氢储能是指通过热化学制氢、电制氢、生物制氢等多种制氢技术．将其他形式能量转化为氢气贮存。当前，大规模新能源发展为新能源制氢提供新的机遇．已经成为制氢技术领域研发和项目示范应用的热点。

目前．全球新能源制氢示范项目约30个，主要集中在德国等欧洲国家。中国新能源制氢刚起步．张北开工建设全球规模最大的风电制氢项目．配套风电装机容量达到20万kW,电解设备1万kW,如表2所示。

 由于新能源制氢能够消纳过剩新能源电力，平衡电网负荷和调节电力供需，未来具有较好应用前景。在源端，新能源制氢能够将弃风、弃光电量通过制氢合成天然气进入输气管道，实现过剩新能源电力的转化和储存，推动电网与气网的有效融合。在受端，可以利用低谷新能源制氢，为推动终端电能替代开辟新途径。目前，经济性差是氢储能发展的最主要障碍。制氨的电解设备投资为1500～3 000美元/kW．是燃煤电厂单位造价的2倍多。因此，降低制氢成本是氢储能技术仓U新的方向，

6互联网信息通信技术

 信息通信技术是实现电网智能化、互动化和大电网安全运行控制的重要基础。随着全球能源互联网的发展，信息通信的内容和覆盖范围将大幅扩张，迫切需要在信息通信技术领域有更大的创新和突破。

目前，“互联网+智慧能源”加快发展．极大地推动了大数据、云计算、物联网、移动互联网等信息技术在配用电领域实现广泛应用。各国也同步开展了相关研究和实践，例如，德国E-Energy计划、美国北卡州立大学FREEDM计划以及日本数字电网等。为满足全球能源互联网各个环节海量信息交互和决策的需要，未来“互联网+智慧能源”将以电力系统为核心．进一步突破和应用先进信息技术实现多种能源融合和高效利用。发电、输电、配电、用电设备和用户连接到能源互联网后，可以进行实时信息交换，并通过整合运行数据、天气数据、气象数据、电网数据、电力市场数据等．实现对整个能源互联网的效率优化和安全调度，如表3所示。

7结语

 构建并推动全球能源互联网发展．必将带动特高压电网、新能源、储能、信息通信等领域的技术创新取得重大突破。未来．需要尽快突破一批制约全球能源互联网发展的核心关键技术．重点包括特高压交直流输电、柔性直流输电及直流电网、大电网仿真和运行控制、大容量风机设计制造、高效太阳能发电、化学储能技术、“互联网+智慧能源”等．并依托技术创新突破．加快推进±1 100 kV特高压直流输电、张北可再生能源柔性直流送出与消纳、百兆瓦及以上大规模电力储能等示范工程建设。