施 毅，顧為東，施建中

（1.南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京210093；2.江蘇省宏觀經(jīng)濟(jì)研究院，南京210013）

智能電網(wǎng)系統(tǒng)中智能負(fù)載的關(guān)鍵作用

施 毅1，顧為東2，施建中2

（1.南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京210093；2.江蘇省宏觀經(jīng)濟(jì)研究院，南京210013）

本文根據(jù)中國國情，提出“智能負(fù)載”這一新的理念。通過物聯(lián)網(wǎng)將智能負(fù)載和智能電網(wǎng)結(jié)合起來構(gòu)成“非并網(wǎng)多能源協(xié)同智能電網(wǎng)系統(tǒng)”，該系統(tǒng)的核心是將中國大量的高耗能產(chǎn)業(yè)通過必要的技術(shù)創(chuàng)新，改造成能夠適應(yīng)風(fēng)電等可再生能源和電網(wǎng)輸出功率巨大波動(dòng)的“智能負(fù)載”，為中國政府提供一條適合國情、大幅度提高電網(wǎng)和發(fā)電裝備利用效率，并將風(fēng)電等可再生能源高效、低成本全部利用的新路徑。

非并網(wǎng)；多能源協(xié)同；智能負(fù)載；智能電網(wǎng)系統(tǒng)

1 前言

中國具有極豐富的風(fēng)能資源，可開發(fā)利用的風(fēng)能儲(chǔ)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過化石能源（煤炭、石油、天然氣）之和，如果能夠得到充分利用，可有效緩解中國目前面臨的能源短缺和環(huán)境問題。現(xiàn)已確定陸地50 m高處的風(fēng)能可利用儲(chǔ)量為2.35×109kW[1]，而海上風(fēng)電可利用量也接近1.5×109kW。2012年，中國新增風(fēng)電裝機(jī)容量1.296×107kW，總量已達(dá)7.532 4× 107kW，分別占全球新增風(fēng)電裝機(jī)容量的30%和總?cè)萘康?6.8%，保持全球領(lǐng)先地位[2]。

中國是世界上最大的發(fā)展中國家，目前又處于工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加速期。傳統(tǒng)的化石能源支撐中國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)，也帶來國內(nèi)生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重透支和惡化，應(yīng)對氣候變化壓力日益增大。2009年，中國二氧化碳排放量為6.4×109t，約占世界排放總量3.13×1010t的1/5，超過美國成為世界上最大的溫室氣體排放國[3]。近年持續(xù)出現(xiàn)大范圍霧霾天氣和極端氣候等就是自然界客觀的反映。在可預(yù)見時(shí)期內(nèi)，中國GDP仍將保持7%～9%的快速發(fā)展，二氧化碳排放量仍將高位增長。不斷增長的能源需求與應(yīng)對氣候變化、減緩二氧化碳排放之間的矛盾更加尖銳，如果不能根本轉(zhuǎn)變現(xiàn)行經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、實(shí)現(xiàn)風(fēng)能等可再生能源高效、低成本、規(guī)?；褂?，將嚴(yán)重威脅人類生存環(huán)境。

因此，中國政府迫切需要一條既能充分發(fā)揮風(fēng)電資源優(yōu)勢，又能大力發(fā)展綠色產(chǎn)業(yè)的新路，來應(yīng)對經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國內(nèi)日益惡化的生存環(huán)境，以及來自國際溫室氣體排放的巨大壓力。美國杰里米·里夫金教授在其著作《第三次工業(yè)革命》中指出“歷史上的工業(yè)革命均是通信技術(shù)與能源技術(shù)的結(jié)合，進(jìn)而引發(fā)重大的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型”，而第三次工業(yè)革命的顯著特點(diǎn)就是可再生能源與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合。中國解決目前面臨的一系列環(huán)境問題，就必須走出一條富有中國特色的第三次工業(yè)革命之路。

2 非并網(wǎng)風(fēng)電理論

風(fēng)電并網(wǎng)是世界上大規(guī)模風(fēng)電場的唯一應(yīng)用方式。風(fēng)的高度不穩(wěn)定性，導(dǎo)致風(fēng)電大幅度波動(dòng)。在沒有水電或燃?xì)獍l(fā)電調(diào)峰的情況下，風(fēng)電對電網(wǎng)貢獻(xiàn)率難以超過10%。2011年風(fēng)電限電棄風(fēng)問題突出，全國約有1×1010kW·h風(fēng)電電量由于被限發(fā)而損失，2012年上半年已超過2011年全年棄風(fēng)量。

筆者通過幾十年的研究和中國國家“973”基礎(chǔ)項(xiàng)目“大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究”的研究成果，提出了“非并網(wǎng)風(fēng)電”理論。2005年時(shí)任世界風(fēng)能協(xié)會(huì)主席Preben Maegaard先生在“構(gòu)筑中國綠色能源之都”國際論壇上首次積極推薦與宣傳非并網(wǎng)風(fēng)電理論，2011年第十屆世界風(fēng)能大會(huì)專設(shè)非并網(wǎng)風(fēng)電分會(huì)場，Google網(wǎng)也以非并網(wǎng)風(fēng)電專有名詞在全球發(fā)布。非并網(wǎng)風(fēng)電是指大規(guī)模風(fēng)電直接應(yīng)用于一系列通過技術(shù)創(chuàng)新、能較好應(yīng)用風(fēng)電特性的產(chǎn)業(yè)[4]。

大規(guī)模風(fēng)電的終端負(fù)荷不再是電網(wǎng)，其與蓄電池配套的小型獨(dú)立運(yùn)行供電系統(tǒng)也不同，而是將風(fēng)電直接輸送到一些高載能的企業(yè)，以期解決無法上網(wǎng)的風(fēng)電的利用問題。

離網(wǎng)型風(fēng)電模式風(fēng)電經(jīng)蓄電后為負(fù)載供電，利用效率降低30%，投資卻增加約1倍。并網(wǎng)型風(fēng)電模式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，風(fēng)電對電網(wǎng)污染嚴(yán)重。在沒有燃?xì)獍l(fā)電、水電等調(diào)峰時(shí)，風(fēng)電在電網(wǎng)中貢獻(xiàn)率一般難以超過10%。而非并網(wǎng)型風(fēng)電模式利用風(fēng)/網(wǎng)協(xié)同供電，風(fēng)電、網(wǎng)電相互獨(dú)立、互不干擾，協(xié)同為負(fù)載供電。風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，成本降低，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電高效、低成本全部利用。

風(fēng)電的這種非并網(wǎng)模式，將發(fā)電與負(fù)載直接耦合為一個(gè)“新系統(tǒng)”，其優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾方面。

1）采用直流電，回避風(fēng)電上網(wǎng)電壓差、相位差、頻率差難以控制的問題，繞開電網(wǎng)這一限制風(fēng)電大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸，也避免了風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)系統(tǒng)的影響。

2）突破終端負(fù)荷使用風(fēng)電的局限，使大規(guī)模風(fēng)電在非并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)中100%利用。

3）由于沒有了上網(wǎng)條件的束縛，風(fēng)力機(jī)可以采用一些低成本、高效能的設(shè)備，也可以簡化甚至省去成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備。

非并網(wǎng)風(fēng)/網(wǎng)協(xié)同供電的特性關(guān)系如式（1）和式（2）所示。

式（1）和式（2）中，I為供電總電流；I1為風(fēng)電電流；I2為網(wǎng)電電流；U1為風(fēng)電電壓；U2為網(wǎng)電電壓；I0、A、t、α等參數(shù)隨網(wǎng)電電壓的變化而調(diào)整。

目前，非并網(wǎng)風(fēng)電可以直接應(yīng)用的高耗能領(lǐng)域主要有：以電解鋁為重點(diǎn)的有色冶金工業(yè)、鹽化工氯堿產(chǎn)業(yè)、大規(guī)模海水淡化、規(guī)?；茪浜鸵苑墙饘贋樵系木罴庸ぎa(chǎn)業(yè)鏈等[5，6]。

3 智能負(fù)載的提出

目前世界各主要風(fēng)電國家，均在積極探索電網(wǎng)接納更多的風(fēng)電等可再生能源，重點(diǎn)均放在積極發(fā)展智能電網(wǎng)和規(guī)?；铍娬{(diào)峰裝置。但智能電網(wǎng)本身既不發(fā)電，也不消耗電能，只是電能的“搬運(yùn)工”，而發(fā)電端則是通過電網(wǎng)無條件的服從用電端的需求。因此，歐美一些國家和地區(qū)根據(jù)石油、天然氣和水能的優(yōu)勢，在迅速發(fā)展風(fēng)電的同時(shí)，大力配套發(fā)展具有深度調(diào)峰能力的燃油/燃?xì)鈾C(jī)組、聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，來適應(yīng)風(fēng)電調(diào)峰需求。如歐洲的西班牙，近十年來大力發(fā)展風(fēng)電，裝機(jī)容量突破2× 107kW，但配套發(fā)展具有深度調(diào)峰能力的機(jī)組就達(dá)3.5×107kW，調(diào)峰機(jī)組裝機(jī)總量遠(yuǎn)大于風(fēng)電裝機(jī)總量，滿足了風(fēng)電調(diào)峰需求。

由于中國的能源以煤炭為主，發(fā)電端難以大幅度瞬間變換輸出功率來滿足用電端的變化需求，國際上先進(jìn)的智能電網(wǎng)理念并不能解決中國大規(guī)模風(fēng)電全部利用的問題。相對于水電和燃?xì)獾葯C(jī)組來說，火電機(jī)組鍋爐燃燒系統(tǒng)具有滯后（反應(yīng)慢）、遲延和不宜深度調(diào)峰等特性。如用于深度調(diào)峰，將使煤耗上升、發(fā)電機(jī)組效率下降和增加機(jī)組故障概率。表1顯示某超超臨界火電機(jī)組在不同的出力條件下，出力每下降200 MW煤耗的上升值。

風(fēng)電充足時(shí)，參與調(diào)峰的火電機(jī)組輸出功率下降，每度電耗煤迅速上升；當(dāng)輸出功率下降到額定功率的80%時(shí)，度電耗煤增加6 g；下降到50%時(shí)，度電耗煤增加24 g，煤電廠處于虧損狀態(tài)；下降到30%時(shí)，度電耗煤將增加約36 g，煤電廠嚴(yán)重虧損。

表1 不同出力范圍下的超超臨界機(jī)組煤耗上升值Table 1 The raised coal consumption of ultra supercritical unit in different output range

中國的國情是“富煤、少油、缺氣”，決定了中國將在較長時(shí)間保持以煤電為主的電源結(jié)構(gòu)，這一特性也就決定了中國電網(wǎng)在現(xiàn)有技術(shù)條件下不具備大規(guī)模深度調(diào)峰能力，國外傳統(tǒng)并網(wǎng)模式并不符合中國國情。因此，中國必須依靠科技創(chuàng)新，走出一條適合中國國情的大規(guī)模風(fēng)電高效、低成本全部利用的特色之路。

非并網(wǎng)風(fēng)電理論的關(guān)鍵是將高耗能產(chǎn)業(yè)通過必要的技術(shù)創(chuàng)新和改造后，能夠適應(yīng)風(fēng)電和電網(wǎng)波動(dòng)，成為理想的、具有深度調(diào)峰能力的“智能負(fù)載”。根據(jù)目前對高耗能產(chǎn)業(yè)內(nèi)在耦合機(jī)理和運(yùn)行規(guī)律研究，可改造成智能負(fù)載的高耗能產(chǎn)業(yè)主要有：電解鋁工業(yè)、規(guī)?；娊馑茪?、大規(guī)模海水淡化、氯堿工業(yè)和風(fēng)煤多能源系統(tǒng)等[7]。

所謂“智能負(fù)載”就是指該上述案例中負(fù)載能夠根據(jù)供電量的大小，智能工作在相應(yīng)的負(fù)荷下，其生產(chǎn)效率不發(fā)生改變，也就是說該智能負(fù)載能夠適應(yīng)風(fēng)電和網(wǎng)電供電負(fù)荷的波動(dòng)。這種適應(yīng)性為風(fēng)電等不穩(wěn)定電源直接對負(fù)載進(jìn)行供電提供了理論支撐，提高了電網(wǎng)的利用率，同時(shí)也是“智能負(fù)載”對電網(wǎng)起到了理想的調(diào)峰作用。

高耗能產(chǎn)業(yè)通過必要的技術(shù)創(chuàng)新與集成，能夠適應(yīng)風(fēng)電（太陽能等）和電網(wǎng)輸出功率大幅度波動(dòng)，使大規(guī)模、超大規(guī)模風(fēng)電（太陽能等）不經(jīng)過常規(guī)電網(wǎng)，就能夠高效、低成本、低故障率全部利用。所以“智能負(fù)載”是“非并網(wǎng)風(fēng)電”理論的核心，通過智能負(fù)載，發(fā)電量與用電量通過電網(wǎng)達(dá)到了“均衡化”，對電網(wǎng)也起到非常好的調(diào)峰作用，這是“非并網(wǎng)風(fēng)電”理論的內(nèi)涵。在中國，電解鋁、海水淡化、鹽化工氯堿、油田抽油、電解水制氫等都屬于高耗能產(chǎn)業(yè)。以電解鋁為例，生產(chǎn)1 t電解鋁直流耗電為1.32×105kW·h，效率只有45%，50%以上的電能以熱能的形式損耗，總用電占中國總用電量的6.1%。這些高耗能產(chǎn)業(yè)都可以通過相關(guān)的技術(shù)改造和創(chuàng)新，成為能夠適應(yīng)風(fēng)電等新能源和電網(wǎng)波動(dòng)的智能負(fù)載。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)系統(tǒng)

智能電網(wǎng)為供電方和用電方提供了一條輸電線路，承擔(dān)了電能的輸送，從廣義上來說，既不生產(chǎn)也不消耗能源?！爸悄茈娋W(wǎng)”就是把現(xiàn)代先進(jìn)的計(jì)算機(jī)—通信—網(wǎng)絡(luò)—傳感—控制技術(shù)最大限度地應(yīng)用于電力系統(tǒng)以達(dá)到最大限度地提高設(shè)備效率，提高安全可靠性，節(jié)能減排，提高用戶的供電質(zhì)量，提高可再生能源的利用效率。

目前，全球?qū)τ谥悄馨l(fā)電和智能電網(wǎng)的研究十分重視，這些研究是以供電側(cè)無條件滿足用電側(cè)對電能的剛性需求（即電網(wǎng)需要以穩(wěn)頻、穩(wěn)壓、穩(wěn)相位等電能輸出滿足負(fù)載需求）為前提來進(jìn)行。用電負(fù)荷峰谷差導(dǎo)致電網(wǎng)波動(dòng)、電網(wǎng)設(shè)備利用系數(shù)低、供電質(zhì)量差，這些都需要專門電站進(jìn)行調(diào)峰或規(guī)?；瘍?chǔ)能裝置進(jìn)行儲(chǔ)能。在此電網(wǎng)運(yùn)行模式下，波動(dòng)性、間歇性新能源（如風(fēng)電）的大規(guī)模接入會(huì)嚴(yán)重加深對電網(wǎng)的負(fù)面影響。抽水蓄能電站是目前最常用、有效的一類調(diào)峰電站，可以大容量有效調(diào)節(jié)電網(wǎng)的峰谷差，但抽水蓄能電站的建設(shè)對于水土、植被等生態(tài)環(huán)境的影響較大，現(xiàn)在各國對于大型水電站的建設(shè)都十分謹(jǐn)慎，同時(shí)抽水蓄能電站投資強(qiáng)度高于常規(guī)電站，也導(dǎo)致25%～30%的電能損耗。蓄電裝置是儲(chǔ)能的常見形式，有較好的調(diào)峰功能，但因價(jià)格、技術(shù)和效率等原因，在可預(yù)期的將來還難以規(guī)模化應(yīng)用。

本文提出的智能電網(wǎng)系統(tǒng)就是在常規(guī)智能電網(wǎng)基礎(chǔ)上，增加適合中國國情的“智能負(fù)載”，組成非并網(wǎng)多能源與高耗能負(fù)載協(xié)同智能化運(yùn)行系統(tǒng)。其內(nèi)涵為多能源協(xié)同供電，核心是高耗能負(fù)載能夠適應(yīng)風(fēng)電等新能源和電網(wǎng)輸入電流的大幅度波動(dòng)，運(yùn)行規(guī)律是通過智能負(fù)載的調(diào)節(jié)，使發(fā)電側(cè)的供電量和用電側(cè)的用電量實(shí)現(xiàn)“均衡化”。通過智能電網(wǎng)系統(tǒng)，使大規(guī)模、超大規(guī)模風(fēng)電（太陽能等）不經(jīng)過常規(guī)電網(wǎng)，就能夠高效、低成本、低故障率全部利用。

智能負(fù)載可以主動(dòng)根據(jù)供電側(cè)供電能力的變化，主動(dòng)調(diào)節(jié)用電側(cè)負(fù)載變化，使用電側(cè)的用電量與供電側(cè)的供電量實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，達(dá)到均衡化，起到理想、高效的調(diào)峰功能。將中國一系列高耗能產(chǎn)業(yè)改造成智能負(fù)載，在調(diào)峰的同時(shí)，自身也成為綠色高耗能產(chǎn)業(yè)。與智能電網(wǎng)相結(jié)合，通過物聯(lián)網(wǎng)信息感知交互中心，組成一個(gè)完整、高效、安全、穩(wěn)定 的符合中國國情的智能電網(wǎng)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 智能電網(wǎng)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the smart power grid syste

5 結(jié)語

本文突破了傳統(tǒng)智能電網(wǎng)的構(gòu)架，根據(jù)中國“富煤、少油、缺氣”的國情，在多能源協(xié)同供電與智能電網(wǎng)耦合關(guān)系研究基礎(chǔ)上，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的“智能負(fù)載”與智能電網(wǎng)相結(jié)合的智能電網(wǎng)系統(tǒng)新理念，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電等可再生能源的規(guī)?；咝Ю煤吞岣唠娋W(wǎng)效率的實(shí)施路徑提供了理論支撐。智能電網(wǎng)系統(tǒng)覆蓋了電源側(cè)，輸電、配電側(cè)和用電側(cè)的主要方面，構(gòu)建了一個(gè)完整的新型高效的電力系統(tǒng)。

智能電網(wǎng)系統(tǒng)的提出，將對中國能源結(jié)構(gòu)，能源布局和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生重大影響，對中國高耗能產(chǎn)業(yè)布局、乃至對全球經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)都會(huì)產(chǎn)生重要影響。

中國的二氧化碳排放占全球總排放量的25%以上，解決了中國的溫室氣體排放問題，就是極大改善全人類的生存環(huán)境。因此，通過本文提出的智能電網(wǎng)系統(tǒng)能夠有效扼制和緩解全球日益嚴(yán)重的環(huán)境惡化問題，為全人類的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

[1] McElroy M B，Lu X，Nielsen C P，et al.Potential for wind-generated electricity in China[J].Science，2009，325：1378-1380.

[2] Chinese Wind Energy Association.Installed capacity of wind power in 2012（CWEA）[R].2012.

[3] Netherlands Environmental Assessment Agency.No growth in total global CO2emissions in 2009[EB/OL.]PBL，Bilthoven，2010.http：//www.pbl.nl/en/publications/2010/No-growth-in-totalglobal-CO2-emissions-in-2009.html.

[4] Gu Weidong.Utilization of wind resource to develop sea beach along north Jiangsu province[J].Journal of Jiangsu Institute of Technology，1986（7）：82-87.

[5] 顧為東.大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)理論與實(shí)踐[M].南京：江蘇人民出版社，2014.

[6] 顧為東.中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展新戰(zhàn)略與風(fēng)電非并網(wǎng)理論[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[7] 顧為東.大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32（19）：1-4.

The key role of smart load in smart grid system

Shi Yi1，Gu Weidong2，Shi Jianzhong2
(1.School of Electronic Science and Engineering，Nanjing University，Nanjing 210093，China；2.Jiangsu Academy of Macroeconomic Research，Nanjing 210013，China）

This paper brings forward a new concept of“smart load”in accordance with China’s national conditions.It is the internet of things that combines the smart load with smart grid to constitute the“non-grid-connected multi-energy complementary smart grid system”.The core of the system is to transform a large number of energy-intensive industries in China into the“smart loads”that can be adapted to wind power and other renewable energy and huge fluctuations in grid output power through necessary technological innovation，thus providing Chinese government with a new path that can significantly improve the utilization efficiency of power grid and power generation equipment as well as take full advantage of high-efficient and low-cost renewable energy such as wind power pursuant to China’s national conditions.

non-grid-connected；multi-energy collaborative；smart load；smart grid system

TM71

A

1009-1742（2015）03-0010-04

2014-10-20

國家科技支撐計(jì)劃“兆瓦級非并網(wǎng)風(fēng)電海水淡化系統(tǒng)研發(fā)及先導(dǎo)性示范”（2013BAB08B04）

顧為東，1956年出生，男，江蘇鹽城市人，研究員，主要研究方向?yàn)榉遣⒕W(wǎng)風(fēng)電基礎(chǔ)理論與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用；E-mail：guwd@zjzw.net