未来欧洲的电网发展与电网技术

未来欧洲的电网发展与电网技术核心提示：国际电网发展的2种趋势,欧洲未来的电网与电网技术,与未来电网相应的新能源和可再生能源政策电力工业是国民经济的基础产业，为经济发展和社会进步提供了重要保障。电力工业的可持续发展是世界各国关注的重点问题之一。而安全、经济和环保成为目前电力工业可持续发展的三大要素，与电网发展、电力市场密切相关。近年来国际上正在重新塑造电力工业，使之在可持续发展的能源工业中发挥更加重要的作用。欧洲是国际电力工业发展的一个典型，在电网技术、未来能源发展、电网结构形式等方面具有独特的经验。本文简述了国际电网发展的2种趋势，针对欧洲的未来电网的发展方向以及相关的电网技术进行了分析，指出了欧洲发展新能源发电所面临的挑战及其对中国的启示。1国际电网发展的2种趋势目前，国际上电网的发展可概括为两大趋势：一是统一或联合的特高压电网；另一个是分布发电与交互式供电的分散智能电网。中国是统一或联合的特高压电网的发展趋势的主要代表。在中国，随着电力工业高速发展，资源分布、经济发展的不均衡，需要提高电网输送能力，发展远距离大容量输电，加强统一或协调规划建设，形成统一调度运行的统一或联合特高压电网。中国的政治体系、经济环境、管理体制等也使得电网朝这个方向推进具有一定优势。目前正开始研究未来的大电网技术，在各方面基本上具备建设全国统一电网的能力。在欧洲，其电力发展模式是向分布式发电、交互式供电的分散智能电网过渡，更加强调对环境的保护和可再生能源发电的发展，这是引领国际电网发展的另一大趋势。目前这些国家和地区的电网是联合的，但由于交互式供电、柔性交流输电技术的发展，电网的发展方向在发生改变。能源政策对电网发展方向具有重大影响。欧洲很重视环境保护和可再生能源发电的发展，在这种能源政策的引导下，大力发展可再生能源发电；欧盟理事会能源政策的中心目标是发展风能、水电、太阳能和生物质能等可再生能源。在欧洲，天然气作为发电用能源，发电装机的增量或存量调整主要依赖新能源或可再生能源，电力需求趋于饱和，因此，能源发展终期目标是分布式发电，而不是强调电网规模的扩大。目前欧洲电网的发展方式正处于一个转折点上。2欧洲未来的电网与电网技术前几年，英国的高校和政府机构专门对英国电网机构做了一系列调查，调查的题目是《英国的未来电网和未来的英国电网》，主要内容是：按目前发展状况，英国现有的电网经过20年后，其作用和现在能否一样？20年后电网将是什么形式的？为此，他们做了2个假设分析。一是“从零开始”：假设英国还没有形成整个电网，电网需从零开始建，同时基于现有电力需求，在有一次能源的地方建厂，通过与法国联网等方式进口所需能源，并配套建设电源支撑点。在这种情况下，电网现阶段是什么形式？5年后将是什么形式？10年后又将会是什么形式？二是以英国的现有电网为骨干网架，电能从北往南送，10年或20年后的电网输电能力和电网整个框架将是什么样？这样电网的发展有没有未来？如果现在的电网形式没有未来，未来电网应是什么形式？这是个庞大而复杂的问题，是英国国家电网公司面临的最大挑战。2.1欧洲未来的电网与英国电网情况相类似，欧洲电网也面临着同样的问题。与电网的大容量和超高压发展方向相反，欧洲关注更多的是智能电网技术。对其而言，未来的电网必须建立在电网信息化管理系统之上，特别是低压供电电网的信息化控制、流量平衡控制、网内分布式能源智能管理与控制系统、智能保护系统等。其电网的发展目标是可靠、高效和灵活。欧洲当前和未来电网模式示意如图1。从图1可以看出，现在的电网是传统的形式，大型集中的发电厂发出的电能，通过输、配电网，送到终端用户。而未来电网的发展依托自然、分散的电源点，电厂自主发电或进行高度集中的网络管理。在欧洲未来电网中，有大的发电厂，同时还有大量分散的、太阳能的或家庭用的冷热电联产(CHP)装置。在英国，很多家庭都有自己的小锅炉，可以自己发电。在这样的电力系统里，输电和配电的概念逐渐模糊了。在这种电网结构下，促进了2个很重要的电网技术——储能和电能质量控制技术的发展，电网的功能是如何去管理、调度及控制电能。有些技术在大电网技术中也会用到。因此，欧洲未来供电结构是分布式发电和交互式供电。在英国电网中，典型的电能流向主要是从北向南，在低压用户端(电压等级400V)大多有CHP和家庭使用的太阳能等。原来的输电网还部分存在，但新建最多的就是交互式供电，如交互式的家庭式供电可将家用剩余的电能反送到电网中，这些做法在英国的电力法中已明确规定。英国的移动通信公司正在推广其开发的一项技术——智能分散能量控制系统，运用手机来控制家庭微型冷热电联产机组的启停。家庭成员可以在回家之前启动家庭热电联产机组，也可根据市场价格决定是否发电，这意味着可能会有很多小型、家庭式机组向电网供电。因此，电网公司面临着技术上的改进和创新(如需要双向保护等)，这种交互式供电对电网的稳定控制、调度造成很大困难。这不但给电网技术、体系、市场、管理等方面带来很大影响，而且对传统的供电、发电、输电、配电同样也造成不同程度的影响。目前，英国政府鼓励每个家庭都拥有小型的发电设备，如在家中安装CHP，其能源的利用率可能会比大型发电厂还高，家庭式CHP目前还没有对电网造成大的影响。未来电网的发展形式与世界各国所关心的21世纪最重要的议题即可持续、环保的发展和新能源与可再生能源有关。2.2欧洲电网技术欧洲电网技术发展趋势主要是面向可再生能源系统和未来的电力系统，并提出了近期、中期及长期的研究计划，其中主要研究重点放在能量储存和电能质量的保证方面。2.2.1储能技术在可再生能源发展中，作为电网技术核心的储能技术，是解决可再生能源间歇性供电问题最有效的方法。在中长期发展阶段，大量不同形式的嵌入式发电方式的引入，尤其是大规模的间歇性可再生能源的应用，整个系统运行的安全性与稳定性取决于这些联合的分布式发电系统，供需平衡将是需要解决的主要问题。储能技术主要包括：抽水蓄能、压缩空气蓄能(CAES)、燃料电池、飞轮储能、超导磁储能(SMES)、超级电容器储能(比普通电容器高20—1000倍)、热储能等。如在英国科学基金和国家项目中，有关英国电网的大部分支撑技术都是储能技术。欧共体同样关注储能技术的发展，它是解决可再生能源的有效利用问题的关键。储能技术，尤其是将分布式储能技术应用到一些变电站，建造低成本、高密度、分散式的储能装置，对保证电网的稳定性、可靠性有很大的好处，对发展大电网技术也很有利。在国外能源电力方面，这些储能技术可以支持不同能源的开发和利用。2.2.2智能电网技术欧盟理事会在2006年的绿皮书(CteenPaper)“欧洲可持续的、竞争的和安全的电能策略(AEuropeanStrategyforSustainable，CompetitiveandSecureEnergy)”强调欧洲已经进入一个新能源时代。欧洲能源政策最重要的目标必须是供电的可持续性、竞争性和安全性，从而需要通过制定一系列政策来实现。欧洲电力市场和电网必须面对这些新的挑战。未来整个欧洲电网必须向所有用户提供高度可靠、经济有效的电能，充分开发利用大型集中发电机和小型分布电源。智能电网技术是保证欧盟电网电能质量的一个关键技术和发展方向。智能电网是为满足欧洲未来供电网需要而进行的大胆尝试，其特性：一是柔性的(Flexible)，满足用户需要；二是易接入的(Accessible)，保证所有用户的连接通畅，尤其对于可再生能源和高效、零或低CO2排放的本地发电；三是可靠的(Reliable)，保障和提高供电的安全性和质量；四是经济的(Economic)，通过改革及竞争调节实现最有效的能源管理。智能电网结构示意如图2。智能电网的研究主要涉及以下几个方面：一是智能配电结构；二是智能运行，电能和用户适应性；二是智能电网管理；四是智能电网的欧洲互用性；五是智能电网的断面潮流问题。实现智能电网正常运行所需的技术：一是现有配电网技术；二是新型网络技术，以提高电能传输能力和减少损耗，如气体绝缘输电线路(GIL)，超导性、高运行温度、柔性交流输电(FACT)技术等；三是广域通信，保障网络自动化、在线服务、有功运行、需求响应和需求侧管理(DSM)；四是电力电子技术，改善供电质量；五是静态储能装置。实现智能电网运行的特性需要采用新技术，新的电网技术可增加电能传输量和减少能量损耗，提高供电效率，而电力电子技术则可改善供电质量。先进的仿真工具促进创新技术的应用。通信、测量和商业系统的发展在不同程度上为系统打开新通道。3与未来电网相应的新能源和可再生能源政策3.1欧盟新能源和可再生能源发电情况及相关法规指令新能源与可再生能源，特别是风能、水电、太阳能和生物质能的发展，是欧盟理事会能源政策的中心目标。欧盟于1997年发表了《能源的未来：可再生能源》的白皮书，2000年发表了《朝着欧盟能源供应安全的战略》的绿皮书，并采取了一些政策鼓励各国更多使用可再生能源电力。2007年春季欧盟理事会上各成员国通过了到2020年实现可再生能源利用占总能源的20%，并且生物燃料能源利用占10%的发展目标，确定可再生能源成为欧洲未来能源供应的支柱。2008年1月23日欧盟理事会颁布了可再生能源框架指令(RenewableEnergyFrameworkDirective)。2007年11月22日，欧盟理事会提交欧洲能源技术战略规划(theEuropeanStrateSicEnergyTechnologyPlan，SET-Plan)。规划中提出，欧盟实现2020年和2050年战略目标，需要从4个方面着手：一是在能源工业领域制定新措施，加大财力和人力投入，提高能源利用研究和技术创新能力；二是建立欧盟能源科研联盟，加强大学、研究院所和专业机构间的科研合作；三是改造和完善欧盟能源基地设施，建立新的欧盟能源技术数据系统；四是建立由欧盟理事会和各成员国参加的欧盟战略能源技术小组，以协调欧盟与成员国间的政策和计划。欧盟各国的可再生能源发电比例将从1997年的13.9%增加到2010年的22.1%，且欧盟15个成员国(EU15)(这里指2004年前欧盟的15个成员国，因为新加入的成员国的可再生能源的利用和潜力情况在参考文献中未统计)的可再生能源工业的目标是：至2020年可再生能源发电量将达到总发电量的33%。在一系列能源政策的引导下，欧洲以分布式发电为发展方向。与此相适应，研究重点也集中在动力与能源转换设备、资源深度利用技术、智能控制与群控优化技术和综合系统优化技术上。其中与电网相关的研究主要是分布式发电系统的电网接入研究，以解决分布式发电与现有电网设施的兼容、整合和安全运行等问题。在文献中制定的欧盟2020年的可再生能源发展目标，指出欧盟15个成员国(EU15)从1995年到2020年可再生能源发电情况以及欧盟总的可再生能源发电情况，如表1、2所示。3.2发展新能源与可再生能源发电需要研究及解决的问题(1)燃料方面：发展生物燃料，侧重生物燃料生产的可持续性及与其他化石燃料的竞争力；完成国际热核聚变实验堆(ITER)聚变装置的建造。(2)发电方面：一是最大风轮机的发电装机容量的倍增研发(主要应用于近海风场)；二是大规模光伏技术和太阳能集热发电技术的商业化实现；三是各种分布式发电设备制造技术；四是变速恒频风力发电系统的商业化开发。(3)电力电子技术：一是逆变器设计及其控制和运行(风电、光伏、微型燃气轮机)；二是并网技术；三是太阳能充电控制技术；四是燃料电池功率调节系统；五是谐波抑制和能量管理。(4)控制与运行：一是风电、太阳能转换最大化(风速、太阳光跟踪控制)；二是形成欧洲智能电网，尽可能使分布式能源电力并人电网；三是供电质量及其控制问题；四是含新能源发电的配电网设计和运行；五是不同新能源发电系统联合运行；六是系统保护方案等。(5)储能技术：探索新储能技术及在成本方面实现突破。(6)对电网影响：一是对电力市场的影响；二是新能源项目的经济性分析；三是独立电力系统(微电网)的稳定性分析；四是新能源发电的并网对提高发电系统的稳定性、可靠性分析；五是含新能源发