全球能源互聯網關鍵技術與研究展望

孫偉卿, 田坤鵬, 談一鳴, 曾平良

(1.上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2.中國電力科學研究院，北京 100192)

全球能源互聯網關鍵技術與研究展望

孫偉卿1, 田坤鵬1, 談一鳴1, 曾平良2

(1.上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2.中國電力科學研究院，北京 100192)

建設全球能源互聯網，是實現全球清潔能源大規模開發與廣域配置、推動世界能源變革的必由之路，其對于減少污染物和二氧化碳排放、以清潔和綠色方式滿足全球電力需求、改變人類文明發展方式具有重要意義。基于智能電網、特高壓、清潔能源的實質，介紹了全球能源互聯網的基本概念、總體布局和發展階段，以及歐洲—非洲、亞洲—歐洲等世界主要洲際互聯電網的發展實踐與未來規劃，并對具有互聯潛力的洲際電網進行了展望。總結了特高壓輸電技術、廣義儲能技術、高級量測體系等全球能源互聯網關鍵技術的應用現狀與發展趨勢，對全球能源互聯網的電網廣域運行決策分析、各參與主體利益的規劃和運行決策理論、“清潔替代”與“電能替代”等熱點問題進行了探討和展望。

電力; 全球能源互聯網; 可再生能源; 智能電網; 特高壓; 儲能技術; 碳排量

0 引言

自第二次工業革命以來，人類社會對電能的需求迅猛增長。據英國石油公司(British petroleum,BP)統計，2015年世界總發電量約為24 098 TWh[1]。雖然近年來，以風電和光伏為代表的可再生能源得到了快速發展，但目前人類消耗的電能仍有約70%來自化石燃料電廠。這些電廠在提供電能的同時也大幅增加了污染物和二氧化碳的排放量，對全球氣候變化造成了巨大影響。

對此，世界各個國家和組織制定了二氧化碳減排目標。例如，歐盟于2007年提出“20-20-20”目標，即到2020年，在1990年的基礎上實現二氧化碳排放量減少20%、能耗減少20%、可再生能源在能源消耗中所占份額達到20%[2]的目標。中國作為全球二氧化碳排放量大國，制定發布了《中國應對氣候變化國家方案》、《國家應對氣候變化規劃(2014-2020年)》等相關文件。在減少二氧化碳排放量的過程中，低碳電力[3]是重中之重，唯有在電源側實現電能的低碳供給，才能從根本上降低二氧化碳的排放量。

可再生能源主要包括水能、風能、太陽能、海洋能等，其資源豐富、開發潛力巨大。但其出力的不確定性導致其難以大規模就地消納。2014年7月，時任國家電網公司董事長的劉振亞在美國 IEEE 會議上發表署名文章，提出構建全球能源互聯網(global energy internet,GEI)。2015年9月，中國國家主席習近平在第70屆聯合國大會可持續發展峰會上發表的重要講話中倡議，探討構建全球能源互聯網，以清潔、綠色方式滿足全球電力需求。

本文介紹了全球能源互聯網的基本概念以及目前世界上主要洲際互聯電網的建設情況，分析了建設全球能源互聯網的關鍵技術，并展望了研究趨勢。

1 全球能源互聯網基本概念

全球能源互聯網是以特高壓為骨干網架(通道)，以輸送清潔能源為主導，全球互聯、泛在的堅強智能電網。全球能源互聯網將由跨國、跨洲骨干網架和各國各電壓等級電網(輸電網、配電網)構成，連接“一極一道”(北極、赤道)和各洲大型能源基地，適應各種分布式電源需要，將風能、太陽能、海洋能等可再生能源輸送給各類用戶[4]。其實質是“智能電網+特高壓+清潔能源”，總體布局如圖1所示。

圖1 全球能源互聯網布局示意圖

全球能源互聯網建設按照洲內互聯、洲際互聯、全球互聯三個階段推進。

第一階段(當前～2020年)：到2020年，在現有電網格局的基礎上，由西部不同資源類型的電網互聯形成西部電網，由東部主要受電地區電網互聯形成東部電網，從而形成送、受端結構清晰，交流和直流協調發展的兩個同步電網格局。

第二階段(2020年～2030年)：到2025年，建設東、西部電網同步聯網工程，國家電網形成一個同步電網的格局。到2030年，建成西南水電基地，東北、西北等能源基地，與周邊俄羅斯、蒙古、哈薩克斯坦等國家形成互聯。

第三階段(2030年～2050年)：大規模開發北極風電、赤道太陽能資源，建設全球可再生能源基地，洲際間多類型電力交互效益顯現，全球能源互聯網初具規模。到2050年，全球風能、太陽能等可再生能源基地全面開發，可再生能源發電替代化石能源占據絕對比重，化石能源的開發、輸送和消費規模急劇下降，全球能源互聯網全面建成。

與此同時，全球能源互聯網具備網架堅強、廣泛互聯、高度智能、開放互動四個重要特征，可實現能源傳輸、資源配置、市場交易、產業帶動、公共服務五個主要功能。

2 洲際互聯電網

2.1 歐洲—非洲互聯電網

為實現“20-20-20”目標，同時保證歐洲電網供電的安全性和可靠性、改善歐洲電力市場的整體效益，Stijn Cole、TilKristian Vrana等歐洲學者于2008年提出建設一個泛歐洲的輸電網絡，即“超級電網”[5]。歐洲作為全球重要的電力負荷之一，其超級電網的主要建設目的在于解決北極風電、北海風電[6]以及南歐和北非太陽能的接入問題，實現歐洲電力負荷的清潔供給[7]。歐洲超級電網可再生能源分布如圖2所示。

圖2 歐洲超級電網可再生能源分布示意圖

為促進地中海沿岸以及北非太陽能資源的開發與利用，歐盟和地中海沿岸的北非、中東地區等43個國家共同制定，并于2008年啟動了地中海太陽能計劃(mediterranean solar plan，MSP)，希望借助集中式太陽能發電(concentrated solar power,CSP)技術提高地中海周邊國家的太陽能發電能力，并可出口歐盟。

歐洲—非洲互聯電網的建設起步較早，其實踐工程中遇到的關于高壓直流輸電技術、儲能技術、潮流調節與控制，乃至政治與經濟等方面的問題與困難，為我國超級電網乃至全球能源互聯網的建設提供了很好的經驗與啟示[8]。

2.2 亞洲—歐洲互聯電網

亞洲與歐洲存在較為顯著的時區差異，且負荷特性具有較好的互補關系，因此亞洲—歐洲互聯電網具有良好的發展前景?？紤]到歐亞自然資源和電力負荷分布，未來亞洲—歐洲互聯電網優先考慮建設“中國—中亞—中歐”北通道和“東南亞—印度—南歐”南通道。

在北通道上，我國新疆地區風能和光能資源豐富，擁有達坂城、準格爾盆地等九大風區，根據國家氣象局風能太陽能評估中心劃分標準，居全國前列。其可裝機容量約為330 GW，太陽年日照小時數為2 550～3 500 h，輻射照度為5 500～6 600 MJ/m2。與此同時，新疆位于我國“一帶一路”國家戰略中絲綢之路經濟帶的核心區域，良好的自然資源與地理位置優勢，使得我國新疆及西北可再生能源基地在亞洲—歐洲互聯電網中的地位顯得極其重要。另一方面，中亞五國(哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦、吉爾吉斯斯坦、土庫曼斯坦、塔吉克斯坦)可再生能源資源豐富，具有很好的開發潛力。但隨著中亞五國近年來經濟的穩定增長，電力緊缺問題日益顯現，其中又以哈薩克斯坦最為明顯。哈薩克斯坦是俄羅斯在獨聯體內最大的電力出口對象國。據統計，2014年其從俄羅斯進口的電量達6.4億kWh，約占其全國用電量的8%。因此，在我國新疆和中亞地區建設可再生能源基地，不但可以滿足該地區自身的電力需求，還能向我國東部以及歐洲中部負荷中心輸送電能。

在南通道上，東南亞水電資源豐富，中東太陽能資源豐富。因此，南通道以此為支撐連接印度和歐洲南部，實現該通道上可再生能源的優化配置。東南亞具有相對較高的人口密度，并在全世界范圍內保持較高的GDP增長速率(不丹7.6%、老撾7.5%、印度7.3%、越南6.6%、緬甸6.5%，2015年數據)，未來將釋放電力消費的強勁增長動力。目前，中國南方電網有限責任公司通過云南、廣西，已經形成了三回220 kV、三回110 kV線路向越南送電的格局，供電區域遍及越南老街等七省。除此之外，南京電網還計劃在2016年～2020年，向越南累計送電75億kWh。據統計，自2004年9月第一條中越電力聯網線路架通以來，南方電網已累計向越南北部送電達320億kWh。

2.3 其他洲際互聯電網

除了上述介紹的歐洲—非洲和亞洲—歐洲互聯電網以外，世界其他大洲和國家之間也存在互聯電網的需求與潛力。例如，日本提議建設“亞洲超級電網”，采用超高壓直流輸電技術連接中國、日本、俄羅斯、韓國、蒙古等國，將俄羅斯遠東的水電，中國內蒙古以及蒙古境內的風能、太陽能等可再生能源和電力輸送至中國東部沿海及日韓負荷中心，形成跨國互聯電網，如文獻[9]中的“泛東亞能源互聯網”。

此外，亞洲—非洲聯網可與歐洲—非洲和亞洲—歐洲互聯電網形成大聯網，實現歐亞非大陸可再生能源的優化配置與消納；北美洲—南美洲聯網有利于利用氣候和季節差異，實現負荷特性的互補；大洋洲—亞洲聯網，可將澳大利亞沙漠地區的太陽能和西北部的海上風能供應給亞洲；亞洲—北美洲和歐洲—北美洲聯網則可利用較大的時區差產生顯著的錯峰效益。

3 全球能源互聯網關鍵技術

3.1 特高壓輸電技術

全球能源互聯網以特高壓輸電網為骨干網架，可實現全球可再生能源的大規模、大范圍配置。因此，特高壓輸電技術是關鍵。目前，交、直流各電壓等級的輸電容量與輸電距離如表1、表2所示[10]。

表2 直流電壓等級額定輸電容量與輸電距離

在特高壓交流輸電[11]方面，我國國家電網公司克服了電壓控制、外絕緣配置、電磁環境控制等一系列難題，于2009年建成投運晉東南—南陽—荊門交流1 000 kV特高壓輸電線路。該線路全長654 km，具備穩定輸送5 GW電力的能力，已成為世界首條實現商業運營的特高壓交流輸電線路。

在特高壓直流輸電方面，我國國家電網公司克服了因電壓提升帶來的復雜環境下的絕緣和電磁問題，以及超大容量換流技術等難題，于2016年開工建設準東—皖南±1 100 kV特高壓直流輸電工程。其換流容量達24 GW，線路全長3 324 km，計劃于2018年建成投運。

與特高壓交流輸電系統相比，直流系統具有工程造價低、節省輸電走廊、輸電效率高、調節靈活等優點，而且系統穩定，可實現非同步聯網功能。此外，在高壓直流輸電(high voltage direct current, HVDC)基礎上，多端直流輸電技術[12](multi-terminal HVDC，MTDC)和柔性直流輸電技術[13](voltage source converter based multi-terminal HVDC,VSC-MTDC)為構建直流輸電網絡提供了更多的解決方案。但是，在實踐中仍需結合工程實際，綜合評價后選擇交、直流輸電方案[14]。

3.2 廣義儲能技術

狹義的儲能技術包括物理儲能(如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等)、化學儲能(如鈉硫電池、新型鋰電池等)、電磁儲能(如超導磁儲能、超級電容器儲能等)和相變儲能(如冰蓄冷等)四類[15]。圖3給出了各類儲能技術的成熟程度示意圖。

圖3 各類儲能技術的技術成熟度示意圖

目前能夠應用于電網削峰填谷的大型電網級儲能設備基本只有抽水蓄能和電池儲能兩種。抽水蓄能技術成熟，儲能成本較低，已被大規模應用。截至2014年底，全球投運約1.5億kW儲能項目，其中99%以上是抽水蓄能電站。但抽水蓄能電站的建設受地理和水文環境的約束較大。電池儲能能量密度高，但制造和運行成本較高。

全球能源互聯網在廣域范圍內大規模配置和使用可再生能源，為平抑可再生能源的波動性，對儲能容量的需求極大，僅僅依靠現有的儲能技術無法滿足其經濟上的需求。因此，必須將狹義的儲能技術加以拓展，即利用廣義儲能技術調節電網運行。

廣義儲能，也稱虛擬儲能[16]，指的是一切能夠改變電能時空特性,在電能供需之間發揮緩沖調節作用的設備和措施，包括負荷響應和負荷管理、電動汽車充放電管理[17]、多能源互聯系統[18](如電轉熱儲能、電轉氣儲能等)。廣義儲能容量潛力巨大，經濟效益顯著，是未來電力系統的重點研究和發展方向之一。

3.3 高級量測體系

全球能源互聯網是集能源傳輸、資源配置、市場交易、信息交互、智能服務于一體的“物聯網”，是共建共享、互聯互通、開放兼容的“巨系統”。應用高級量測體系(advanced metering infrastructure,AMI)[19]測量、收集、儲存、分析、運用和傳送用戶用電數據、電價信息和系統運行狀況，可實現量測設備的互聯互通，是實現全球能源互聯網智能化、互動化和大電網運行控制的重要基礎。借助AMI，電網與用戶實現了雙向互動，使電力用戶逐漸從傳統的剛性負荷向柔性負荷[20]轉變，成為電力系統運行和互操作的重要參與主體。與此同時，AMI通信過程中的信息安全問題，海量數據帶來的云存儲和云計算[21]問題，以及提取有價值信息的大數據技術，都將成為建設全球能源互聯網的關鍵技術。

4 全球能源互聯網研究探討

4.1 電網的廣域運行決策分析

建設全球能源互聯網是一個全新的研究課題，雖然可以部分借鑒傳統的電網分析理論，但并不完全適用。其原因在于：傳統電網分析理論主要研究單一系統在較小時區跨度范圍內的系統運行特性，其電源和負荷相對獨立；而全球能源互聯網研究的是在廣域范圍內互聯的多個系統，橫跨多個國家和時區，因此其電源和負荷具有較強的相關性和互補性。

一方面，對于電源而言，大型風電和光伏基地出力之間具有較強的相關性，即由于所處地理位置的相關性，造成風電或光伏，乃至風和光之間出力的相關性[22]。對于負荷而言，受溫度、天氣等因素影響，不同區域負荷之間也具有相關性。

另一方面，不同時區的電源和負荷之間具有互補性[23]。例如，中國新疆的風電基地位于東六區，德國柏林的負荷中心位于東一區，兩者之間有5 h的時差。那就意味著，新疆凌晨0時的風電出力高峰，正好解決柏林下午7時的用電高峰問題。

因此，研究電網的廣域運行決策分析方法，包括網源協調規劃、跨時區電力電量平衡等，是決定全球能源互聯網能否有效運行的重要因素之一。

4.2 考慮各參與主體利益的規劃和運行決策理論

傳統電網分析中的市場是統一的，但是在全球能源互聯網環境下，市場機制不盡相同[24]，在分析過程中需統籌考慮全網和各子系統的效益。具體來說，在進行全球能源互聯網規劃時，需對跨區域間的電力電量平衡進行物理層與經濟層的系統集成分析，實現動態演繹、分階段規劃，以此確定互聯各國的電力貿易條件、互聯方式與輸送容量。而在探索全球能源互聯網的運行機制時，需建立符合各國實際情況的國際通用電力市場互聯標準，力求以兼容、高效、互補為目標，形成全球統一的能源互聯運營系統。

鑒于各國經濟發展水平、電網的投資主體、電價機制、電力市場開放程度的不同，在建設全球能源互聯網的過程中必須始終堅持“共商、共建、共享、共贏”的原則，考慮各國條件、水平和需求的差異，平等協商形成因地制宜和普惠的合作機制，促進各方的合作共贏，提高環境、經濟、社會等多方面的綜合效益[25]。

4.3 “清潔替代”與“電能替代”

隨著清潔、可再生能源的大規模開發和全球化配置，其經濟性將大幅提高，預計2025年前后基本與化石能源發電成本持平，2030年～2050年將更具競爭優勢。結合環境成本，到2050年，化石能源、陸上風電、光伏發電成本將分別為20 ￠/kWh、6 ￠/kWh和5 ￠/kWh，明顯的成本優勢將促成電能實現“清潔替代”。

另一方面，電能終端利用效率可達90%以上，遠高于煤炭、石油和天然氣的利用效率。伴隨用電成本的大幅下降，以電代煤、以電代油、以電代氣將是大勢所趨。2000年～2015年，全球電能占終端能源消費的比重從15.4%提高到19.0%左右，中國從10.9%提高到22%左右。預計到2050年，電能占全球終端能源消費的比重將超過50%。這就意味著，即使不考慮其他增長因素，僅利用“電能替代”就可使全球電能增長約1.5倍。2003年～2013年，中國能源終端消費占比及趨勢如圖4所示。表3給出了2013年世界主要國家和地區電力能源終端消費占比。

圖4 中國能源終端消費占比及趨勢圖

國家/地區占比/%中國 19．89美國 21．75德國 19．82俄羅斯14．73埃及 22．69非洲 9．23

因此，如何量化計算“電能替代”在各行業的推進程度、區域“電能替代”對負荷增長的影響、“電能替代”的驅動力分析等一系列問題，都是值得深入研究和探討的課題。

5 結束語

全球能源互聯網是全球各國對于能源清潔、可持續發展的必然選擇，它將對人類社會發展方式、地球自然生態環境和全球能源資源的重新配置產生重大影響。經過國內互聯、洲際互聯的過程，全球能源互聯的目標終將實現。面對這一全新課題，廣大電力工作者要把握全球能源互聯網“智能電網+特高壓+清潔能源”的實質，在關鍵技術領域有所突破，實現電能在全球范圍內的廣域調度，實現各參與主體的合作共贏，實現各行業能源消費的“清潔替代”與“電能替代”。

[1] BP Statistical Review of World Energy June 2016[EB/OL].[2016-08-25].http://bp.com/statssti calreview# BPstats.

[2] European Commission.2020 Climate & energy package[EB/OL].[2016-08-25].http://ec.europa.eu/chima/policios/stratogies/ 2020.

[3] 康重慶,陳啟鑫,夏清.低碳電力技術的研究展望[J].電網技術,2009,33(2):1-7.

[4] LIU Z Y.Global energy interconnection [M].Pittsburgh Academic Press,2015:183-357.

[5] COLE S,VRANA T K,CURIS J B,et al.A european supergrid:present state and future challenges [C] // 17th Power Systems Computation Conference,2011.

[6] VRANA T K,TORRES-OLGUIN R E,LIU B,et al.The north sea super grid - a technical perspective [C] // IET International Conference on AC and DC Power Transmission,2010:1-5.

[7] PURVINS A,WILKENING H,FULLI G,et al.A european supergrid for renewable energy:local impacts and far-reaching challenges [J].Journal of Cleaner Production,2011,19(17):1909-1916.

[8] 范松麗,苑仁峰,艾芊,等.歐洲超級電網計劃及其對中國電網建設啟示[J].電力系統自動化,2015(10):6-15.

[9] 王繼業,馬士聰,仝杰,等.中日韓電網關鍵技術發展及趨勢分析[J].電網技術,2016,40(2):491-499.

[10]劉振亞.特高壓電網[M].北京：中國經濟出版社,2005.

[11]張文亮,于永清,李光范,等.特高壓直流技術研究[J].中國電機工程學報,2007,27(22):1-7.

[12]湯廣福,羅湘,魏曉光.多端直流輸電與直流電網技術[J].中國電機工程學報,2013,33(10):8-17.

[13]湯廣福,賀之淵,龐輝.柔性直流輸電技術在全球能源互聯網中的應用探討[J].智能電網,2016,4(2):116-123.

[14]夏俊麗,毛荀,柯德平,等.基于綜合評價的交、直流輸電適用范圍研究[J].電力自動化設備,2015,35(3):120-126.

[15]王承民,孫偉卿,衣濤,等.智能電網中儲能技術應用規劃及其效益評估方法綜述[J].中國電機工程學報,2013,33(7):33-41.

[16]艾欣,趙閱群,周樹鵬.空調負荷直接負荷控制虛擬儲能特性研究[J].中國電機工程學報,2016,36(6):1596-1603.

[17]孫偉卿,王承民,曾平良,等.基于線性優化的電動汽車換電站最優充放電策略[J].電力系統自動化,2014,38(1):21-27.

[18]孫宏斌,潘昭光,郭慶來.多能流能量管理研究:挑戰與展望[J].電力系統自動化,2016,40(15):1-8.

[19]趙鴻圖,周京陽,于爾鏗.支撐高效需求響應的高級量測體系[J].電網技術,2010,34(9):13-20.

[20]孫偉卿,王承民,張焰.智能電網中的柔性負荷[J].電力需求側管理,2012,14(3):10-13.

[21]王德文,劉曉萌.基于虛擬機動態遷移的電力仿真云計算平臺資源調度策略[J].電力系統自動化,2015,39(12):97-105.

[22]張沈習,李珂,程浩忠,等.考慮相關性的間歇性分布式電源選址定容規劃[J].電力系統自動化,2015,39(8):53-58.

[23]曲直,于繼來.風電功率變化的一致性和互補性量化評估[J].電網技術,2013,37(2):507-513.

[24]劉國躍,曾鳴,肖霖,等.不同市場機制下發電投資周期性波動的模擬分析[J].中國電機工程學報,2009(1):63-67.

[25]王益民.全球能源互聯網理念及前景展望[J].中國電力,2016,49(3):1-5.

Key Technologies and Research Prospects of Global Energy Internet

SUN Weiqing1, TIAN Kunpeng1, TAN Yiming1, ZENG Pingliang2

(1.School of Optical Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093，China; 2.China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

Constructing global energy internet (GEI) is the only way to realize the large-scale development and wide area configuration of global clean energy and to promote the world’s energy revolution.It is of great significance in reducing pollutants and carbon dioxide emissions,meeting global electricity demands in clean and green manner,and changing the way of development of human civilization.Based on the essential nature of the smart grid,ultra high voltage and clean energy,the basic concepts,overall layout ,and the development stage of global energy internet,and development practice and future planning of the world's major intercontinental grid interconnection are introduced,such as European-Africa,Asia-Europe,etc.,and the intercontinental power grids with interconnecting potential are prospected.The current application status and development trend of the key technologies including ultra high voltage transmission technology,the generalized energy storage technology and advanced measurement system of global energy internet are summarized.The hot spots such as analysis of the wide area operation in the research of global energy internet,theory of planning and operation of the interests of the participating subjects,"Clean substitution" and "electric energy substitution" are discussed and prospected.

Electricity; Global energy internet(GEI)； Renewable energy; Smart grid； Ultra high voltage； Energy storage; Carbon emissions

國家電網公司科技項目(XT71-15- 040)

孫偉卿(1985—),男，博士，副教授，主要從事智能電網技術、電力系統規劃與優化、微電網發電與并網控制技術的研究。E-mail:sidswq@163.com。

TM727;TH-39

A

10686/j.cnki.issn 1000-0380.201701001

修改稿收到日期：2016-11-22