中科院院士周孝信：能源转型中我国新一代电力系统的发展前景

2018年3月7-8日，由中国电工技术学会和国家自然科学基金委电工学科主办的“第五届电工学科青年学者学科前沿研讨会”，在福州举办，会议由福州大学电气工程与自动化学院承办。

中国科学院院士、中国电力科学研究院名誉院长周孝信应邀在会上发表演讲，报告题目为“能源转型中我国新一代电力系统的发展前景”。

经我刊编辑征求周院士同意后，特将该报告整理发布在本微信号上，以飨读者。

一、能源转型与新一代电力系统

习近平总书记2014年6月在中央财经领导小组第六次会议上发表重要讲话，提出了推动能源消费革命、能源供给革命、能源技术革命、能源体制革命和全方位加强国际合作等重大战略思想，为我国能源发展改革指明了方向。

以可再生能源逐步替代化石能源，实现可再生能源等清洁能源在一次能源生产和消费中占更大份额，实现能源转型，建设清洁低碳、安全高效的新一代能源系统是我国新一轮能源革命的核心目标。

我国能源转型的主要指标

能源转型中我国一次能源消费结构演化趋势

基于国家能源生产和消费战略的能源系统发展目标估算汇总表

电力系统转型是实现能源转型的主要支撑

我国三代电力系统(三代电网)的发展及阶段特征

基于国家能源发展战略目标估算的中长期能源电力发展模型示意图

2017年电力装机容量和用电量

我国(2020-2030-2050)发电装机容量和年发电量情景模型估算

我国(2020-2035-2050)发电装机容量和年发电量情景估算

能源转型中发电装机和电量结构演化趋势

二、新一代电力系统的主要技术特征

新一代电力系统的主要技术特征是：1）高比例可再生能源电力系统；2）高比例电力电子装备电力系统；3）多能互补的综合能源电力系统；4）信息物理融合的智能电力系统。

1）高比例可再生能源电力系统

2017年底,全国并网风电装机达到1.6367亿kW,太阳能发电装机达到1.3025亿kW。新能源装机容量占全国总量17%。但我国西部北部省份新能源装机占比可达20-30%以上。

我国新能源开发在西北部省份主要采取大规模集中开发模式。西部北部省份风电开发占全国开发总量80%，太阳能光伏占50%。我国东部光伏发电主要采取分布开发模式。

2016年甘肃省的风电和太阳能光伏发电开发

大规模风电太阳能发电接入电网

2）高比例电力电子装备电力系统

我国电力系统中直流输电的快速发展

2016年我国的超/特高压直流输电工程

柔性直流输电技术和直流电网

大量风电光伏电力电子变换器接入电网

安徽金寨县光伏扶贫

江苏常州孟河5MW农光互补

浙江嘉兴秀洲光伏小镇和光伏科创园

高比例电力电子装备电力系统的运行稳定性问题

3）多能互补的综合能源电力系统

面向用户的综合能源系统

4）信息物理融合的智能电力系统

三、几类技术突破的全局性影响

几类技术突破的全局性影响：1）高效低成本太阳能风能发电技术；2）高效低成本长寿命储能技术；3）高可靠性低损耗电力电子技术；4）高强度绝缘技术和超导输电技术；5）新一代人工智能技术。

1）高效低成本太阳能、风能发电和电网友好技术：其大规模开发应用，将有可能颠覆传统发电方式，告别化石能源主导电力生产的时代。

2000年至今，7年来大型地面光伏全生命周期平准成本（LCOE）下降了85%。美国能源部（DOE）预计光伏发电成本2030年前降至3美分/kwh。与火电、水电、核电机组相比，新能源建设周期短，50MW风电项目建设周期约为几个月，MW级光伏电站建设周期不到半年，新能源装机占比可迅速提高。

2）高效低成本长寿命储能技术：它的规模化广泛应用，将有可能颠覆传统电力系统运行方式，开启全新的电力生产分配新模式。

磷酸铁锂电池成本价2015年约3000元/kwh，2020年预计达到1000元/kwh；2016年锂离子电池综合度电成本接近0.65元/kwh，2030年预计0.12元/kwh，储能系统成本的显著下降将解决新能源发电波动不平衡问题；预计到2030年，以锂空气电池为代表的超高比能电池，比能量有望达到8-10kwh/kg（汽油热值5.94kwh/kg），超高比能储能技术将有望改变电网发/输/配/用的形态；储热、储氢技术的发展。

3）高可靠性低损耗电力电子技术：它的推广应用，将推动电网中电力电子装备升级换代，促进新一代直流输配电网的形成和发展。

SiC和GaN等宽禁带电力电子器件的发展，将推动高压直流输电和直流电网具有更大容量、更高效率和更高可靠性；以此为基础的高压直流断路器也是直流电网的主要组成部分

采用新型电力电子元件的交流FACTS装置和交直流能量路由器直接接入电网，具有更高功率体积比和更低损耗，适用于构建直流配电网或作为微网功率转换装置，将给中低压主动配网和微电网带来革命性变化。

4）高强度绝缘技术和超导输电技术：它们的开发应用将颠覆传统输电线路，成就输配电线路新形态。

高击穿场强、高非线性、耐高低温、耐电痕化等绝缘材料技术的发展，可以提高设备长期安全性，实现电气设备小型化、大容量化，显著提高电气设备的工作性能。

超导输电将为未来电网提供一种全新的低损耗、大容量、远距离直流输电，以及有可能实现输送电力和基于天然气混合气体燃料的一体化能源管道。

5）新一代人工智能技术: 探索应用于电网的设备管理、运行调度、市场交易等领域，开启自主互动新模式。

2016年5月，美国白宫科学和技术政策办公室宣布成立机器学习和人工智能国家科学技术委员会，并编制《国家人工智能研究和发展战略计划》

人工智能首次超越人类表现的主要里程碑包括：国际象棋（1997年）、Atari游戏（2013年）、图像识别（2015年）、语音识别（2015年）、围棋（2016年AlphaGo，2017年AlphaGoZero自我强化学习）；2017年年7月我国发布《新一代人工智能发展规划》，提出2020、2025、2050三步走的战略。

在智能电网发展的基础上，基于先进传感、物联网、大数据、云计算、深度学习、区块链等信息通信、互联网和人工智能技术，应用于电网的智能设备、智能调度、智能交易，有可能颠覆传统电力系统的设备管理、系统调度、能量管理和交易方式，促进新一代电力系统的经济性和安全可靠性较传统系统有大幅度提高。

四、总结

1）建设清洁低碳、安全高效的新一代能源系统是我国新一轮能源革命的核心目标，能源转型是实现这一目标的关键步骤；

2）电力系统由以化石能源为主向低碳可再生能源为主转型，将对能源转型目标的实现起关键作用；

3）第三代电力系统是100多年来第一、二代电力系统的传承和发展，是推动能源转型发展、构成新一代能源系统核心的新一代电力系统；

4）高比例可再生能源、高比例电力电子装备接入电网，多能互补综合能源以及信息物理深度融合智能化电网，是新一代电力系统的显著技术特征；

5）几类技术的突破有可能对未来能源电力系统各环节的发展形态、系统整体效率、运行控制方式和运营模式带来全局性、变革性甚至颠覆性影响。