2014年6月21日，第9屆中國電工裝備創(chuàng)新與發(fā)展論壇在北京召開。會議上中科院院士周孝信對我國中長期電力需求及供應(yīng)、電力流預(yù)測與分析、未來主干輸電發(fā)展模式及面向未來電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)等幾方面做分析報告。
一、中長期(2030-2050年)電力需求和供應(yīng)預(yù)測
以節(jié)能優(yōu)先、最大限度開發(fā)利用可再生能源、提高清潔能源電量比重為原則，按照2030-2050年期間人均用電量分別為7000kw.h、8000kw.h、9000kw.h三種情景，每種情景下清潔能源電量分別占全部電量的50%、60%、70%擬定電力裝機(jī)和發(fā)電量的9個方案。
綜合分析9個方案測算結(jié)果，推薦年人均用電8000kw.h，全社會用電量12萬億kw.h,清潔能源發(fā)電量占60%的強(qiáng)化節(jié)能和清潔化約束的供應(yīng)方案，作為2030-2050年中長期發(fā)展的目標(biāo)。
在遠(yuǎn)景電力供應(yīng)消費(fèi)情景分析的基礎(chǔ)上，以2013年實際電力供應(yīng)消費(fèi)情景為起點(diǎn)，按照人均年電力消費(fèi)由2013年的3963kw.h，清潔能源電量比重占23.78%，發(fā)展到人均年電力消費(fèi)5000kw.h、6000kw.h、7000kw.h、8000kw.h，并延伸到9000kw.h、10000kw.h，清潔能源電量比重逐漸過渡到70%的情景，做出未來電力(、年發(fā)電量)的發(fā)展趨勢預(yù)測。
在全國發(fā)電裝機(jī)/發(fā)電量發(fā)展趨勢預(yù)測的基礎(chǔ)上，根據(jù)發(fā)電資源和電力需求分布特點(diǎn)，在多元供應(yīng)體系中確定各類電源的開發(fā)總最、開發(fā)模式和地區(qū)分布的發(fā)展趨勢。
1)水電。按東兩部可開發(fā)的水力資源分布比例測算，硒部占80%，中東部占20%。
2)核電和氣電。全部在中東部負(fù)荷中心就地開發(fā)，氣電以分布式高效綜合利用為主要發(fā)展模式。
3)煤電。新增煤電主要以在西部和北部煤炭產(chǎn)區(qū)，建設(shè)現(xiàn)代化大型煤電基地為主要發(fā)展模式，煤電總量分布可按西部與中東部各占總量50%考慮;總量受控2030-2050年總量下降。
4)風(fēng)能和太陽能等非水可再生能源發(fā)電。遵循西部集中開發(fā)與中東部分布式分散開發(fā)并重的原則，開發(fā)容量按西部與中東部各50%考慮。
二、中長期(2030-2050年)電力流預(yù)測與分析
2030-2050年的電力流總體格局會有兩種可能情況：
第一種是情況是，在此期間，我國能源資源和負(fù)荷中心的逆向分布仍未發(fā)生大的改變，電力仍需大容量遠(yuǎn)距離輸送，但整體上與2030年相比無顯著增長，風(fēng)電、太陽能發(fā)電的消納將成為電力流增加的主要推動力。
笫二種情況是，隨著核電及大規(guī)模可再生能源的開發(fā)以及煤電裝機(jī)容量的減少，以及負(fù)荷中心向中西部地區(qū)的擴(kuò)展，分布式能源的滲透率提高等，在此期間電力流格局將發(fā)生較大變化，由目前的大容量遠(yuǎn)距離輸送趨向于電力與負(fù)荷基本均衡的方向發(fā)展，未來對電力的大容量遠(yuǎn)距離輸送需求將部分減少或減少的較多。
根據(jù)目前的發(fā)展形勢來看，除非中東部和西部的電力需求比例發(fā)生重大變化，出現(xiàn)第二種情況的可能性較小，2030-2050年期間電力流維持穩(wěn)定乃至略有增長。具體測算按西部實際發(fā)電裝機(jī)和發(fā)電量的40%-50%外送，計算西電東送的電量和容量。
西電東送的需求根本上應(yīng)是中東部經(jīng)濟(jì)發(fā)展對電力的需求與本地電力供給能力的差值。以人均8000kw.h用電量、西部電力電量40%東送情景測算為例，中東部用電量比重達(dá)
到75%，中東部本身的電力供應(yīng)能力59%.中東部仍有約占全國總量16.5%的電量需要通過西電東送供給。
以人均用電8000kw.h的情景作為2030-2050年發(fā)展和測算西電東送需求的推薦方案，測算結(jié)果表明，該方案西電東送容量和電量占西部總量40%和50%兩種情景下，西電東送電力容量分別為4.41億kW和5.51億kW，送電電量分別為1.97萬億kw.h和2.486萬億kw.h。
因此可以認(rèn)為，未來我國電力發(fā)展趨于飽和的中長期期間(2030-2050年)，西部輸送到中東部地區(qū)的電力容量將由現(xiàn)況的1億kW增加到4.5-5.5億kW，相應(yīng)輸送電量為2-2.5萬億kw.h，輸電線路綜合年利用小時達(dá)到4400-4500h。
三、未來主干輸電網(wǎng)的發(fā)展模式
經(jīng)過10多年的技術(shù)研發(fā)和實踐，我國交流和直流特高壓輸電技術(shù)和電網(wǎng)技術(shù)獲得重大進(jìn)展，為實現(xiàn)大容量遠(yuǎn)距離輸電奠定了堅實基礎(chǔ)。
采用新材料、新器件、新原理的輸電技術(shù)，如新型電壓源直流輸電技術(shù)(VSC-HVDC)、直流電網(wǎng)技術(shù)、超導(dǎo)輸電技術(shù)、新型大容量輸電線路技術(shù)等正分別處于基礎(chǔ)研究、技術(shù)攻關(guān)或試點(diǎn)示范過程之中。如果這些先進(jìn)輸電的技術(shù)瓶頸能夠獲得突破，并使之實用化，將為我國未來電網(wǎng)發(fā)展提供更多的技術(shù)選擇。
直流輸電網(wǎng)技術(shù)、超導(dǎo)輸電技術(shù)在近期尚不具備大規(guī)模工程應(yīng)用能力，因此在2030年前近距離輸電將主要采用特高壓/超高壓交流輸電方式，遠(yuǎn)距離則主要采用特高壓/超高壓直流輸電方式，我國將形成超/特高壓交、直流輸電技術(shù)為核心的混合輸電網(wǎng)模式。
由于超導(dǎo)技術(shù)的突破主要取決于物理學(xué)和材料學(xué)基礎(chǔ)研究的進(jìn)展，具有很大的不確定性，而基于新型直流輸電的直流輸電網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)取得階段性成果，預(yù)期在可以預(yù)見的將來會有較大突破，我國在遠(yuǎn)期(2030-2050年)實現(xiàn)采用常規(guī)導(dǎo)體的主干直流輸電網(wǎng)的可能性更大。
在我國西部構(gòu)建送端直流輸電網(wǎng)的必要性和優(yōu)越性：1、能夠更好地滿足未來電力由西部向中東部地區(qū)遠(yuǎn)距離、大容量輸送的重大需求;2、能夠在西部送端實現(xiàn)風(fēng)電、太陽能發(fā)電、水電、煤電等不同特性電源之間補(bǔ)償調(diào)節(jié)，解決新能源出力的隨機(jī)性和波動性;3、可以充分利用輸電走廊和線路資源，提高輸電系統(tǒng)資產(chǎn)利用效率;4、能實現(xiàn)西部廣大地區(qū)各交流電網(wǎng)的異步連接，提高運(yùn)行的穩(wěn)定性，滿足西部的用電需求。
四、面向未來電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)
近中期我國主要發(fā)展超/特高壓交直流輸電網(wǎng)模式，需要研究安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)，能滿足輸電需求的交直流輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu);要研究相應(yīng)的電網(wǎng)運(yùn)行控制技術(shù)，提高系統(tǒng)的輸電能力及電網(wǎng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，特別要注重研究受端電網(wǎng)接收大量直流輸電的安全穩(wěn)定問題。
針對中長期我國有可能形成西部送端直流輸電網(wǎng)與中東部受端超/特高壓交流電網(wǎng)有效融合的輸電網(wǎng)模式，需要提前重點(diǎn)部署新型直流輸電及直流輸電網(wǎng)技術(shù)的研究，包括基礎(chǔ)性前瞻性研究和高技術(shù)開發(fā)。
設(shè)備級的技術(shù)需求有：高壓直流斷路器，切斷時間要求在3-5ms以下斷路器，比交流系統(tǒng)斷路器提高一個數(shù)量級;DC/DC變壓器，目前尚處于電路拓?fù)洹⒎抡嬗嬎?、原理樣機(jī)階段，尚未實現(xiàn)工業(yè)樣機(jī)研發(fā)的技術(shù)突破;直流電纜，研究大容量高電壓等級直流電纜制造技術(shù)。
系統(tǒng)級的技術(shù)需求有：直流電網(wǎng)廣域測量及故障檢測，在傳統(tǒng)交流電網(wǎng)檢測技術(shù)基礎(chǔ)上，縮短檢測時間，提高響應(yīng)速度;直流電網(wǎng)仿真，建立仿真模型，較交流電網(wǎng)更小步長的電磁
暫態(tài)仿真;直流電網(wǎng)運(yùn)行控制與保護(hù)，適用于直流電網(wǎng)的新型運(yùn)行控制原理和控制、保護(hù)方法，具有快速響應(yīng)能力的直流電網(wǎng)的調(diào)度、運(yùn)行控制系統(tǒng)。
上述新型直流輸電和直流輸電網(wǎng)相關(guān)理論和關(guān)鍵技術(shù)一旦突破，除有助于改變未來國家主干電網(wǎng)及未來聯(lián)網(wǎng)的形態(tài)之外，對近期電網(wǎng)的發(fā)展也會產(chǎn)生重要影響。電壓源直流(VSC-HVDC)技術(shù)十分適合對風(fēng)能、太陽能等分散化、小型化的電能迸行組網(wǎng)，通過經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的方式將這些電能反饋回電網(wǎng)。隨著電壓源直流技術(shù)的研究開發(fā)，其容量將不斷增大，將有可能利用電壓源換流裝置(VSC)和常規(guī)電流源換流裝置(CSC)各自優(yōu)點(diǎn)，形成大容量的混合連接直流輸電系統(tǒng)。直流輸電網(wǎng)的各項關(guān)鍵技術(shù)還可用于配電系統(tǒng)。
1)電源開發(fā)。支持清潔能源電量占總量60%以上目標(biāo)的實現(xiàn)。西部大規(guī)?？稍偕茉吹拈_發(fā)利用技術(shù)，中東部地區(qū)可再生能源規(guī)模化分布式和海上開發(fā)利用技術(shù)。
研究大容量集中和分布式電網(wǎng)儲能技術(shù)，解決風(fēng)能、太陽能出力隨機(jī)性和波動性問題;研究超凈化的燃煤發(fā)電技術(shù)，大力推進(jìn)煤炭清潔高效利用，為煤炭的開發(fā)利用開辟一條新路;研究高安全水平新型核電，支持沿海和內(nèi)陸核電建設(shè);研究開發(fā)基于清潔燃料(常規(guī)和非常規(guī)天然氣等)的分布式能源和梯級利用技術(shù)，根據(jù)不同終端用戶需求，構(gòu)建區(qū)域新型高效能源系統(tǒng)。
2)電能傳輸和分配。支持實現(xiàn)西電東送(含北電南送)規(guī)模達(dá)到4.5-5.5億kW以上的目標(biāo);支持可再生能源和天然氣分布式電源在配電網(wǎng)的規(guī)?；尤搿?/span>
研究大容量新型(特高壓和VSC-HVDC)直流遠(yuǎn)距離輸電技術(shù)和直流輸電網(wǎng)技術(shù)，支持在我國西部構(gòu)建送端直流輸電網(wǎng)，支持對傳統(tǒng)西電東送直流線路的技術(shù)改造;研究中東部交流超/特高壓受端電網(wǎng)的構(gòu)建和運(yùn)行問題，支持約占30%外來電力情況下的受端電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行;研究開發(fā)新型智能化的有源(主動)配電系統(tǒng)和微電網(wǎng)，支持可再生能源和天然氣分布式電源的規(guī)?；尤?，提高電能質(zhì)量和安全可靠性。
3)電能利用。支持強(qiáng)化節(jié)能，提高能源利用效率，提高電能在終端用能的比重，支持實現(xiàn)人均年用電量8000kw.h以下目標(biāo)的實現(xiàn)。
研究解決新能源電力入網(wǎng)難題，研究可再生能源多樣化轉(zhuǎn)化利用的技術(shù)，風(fēng)能、太陽能波動和多余電力制氫、制甲烷技術(shù)，以及直接冷熱利用技術(shù);克服機(jī)制制約，與天然氣管網(wǎng)、冷熱管網(wǎng)合作，實現(xiàn)能源多樣化傳輸和利用;將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)與電網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，開展智能用電研究，解決實現(xiàn)用戶需求側(cè)管理和需求響應(yīng)的機(jī)制和技術(shù)手段;研究建筑節(jié)能和發(fā)電技術(shù)，推動能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和逐步實現(xiàn)。
五、未來的圖景和任務(wù)
按照“推動能源消費(fèi)革命”的理念，通過貫徹落實節(jié)能優(yōu)先方針，推行強(qiáng)化節(jié)能措施，建議我國中長期(2030-2050年)電力需求按人均年用電量不超過8000kw.h考慮，大致相當(dāng)或稍離于法國、德國、日本當(dāng)前水平。為我國2013年3963kw.h的2倍。按人口15億計，預(yù)測全國用電總量將達(dá)到12萬億kw.h，是2013年全社會用電量5.32萬億kw.h的2.25倍。
電力消費(fèi)分區(qū)預(yù)測表明，中長期(2030-2050年)我國西部用電量占全國總量的26%-27%，占比較現(xiàn)況23%略有增加。
按強(qiáng)化節(jié)能和清潔化約束，推薦人均年消費(fèi)電量8000kw.h(清潔電量占60%)的優(yōu)化電力供應(yīng)方案如下：
1)發(fā)電量?？偭?2萬億kw.h。煤電40%(4.8萬億kw.h)，水電13.13%(1.575萬億kw.h)，非水可再生能源電(太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能)21.88%(2.625萬億kw.h)，核電17.5%(2.1萬億kw.h)、天然氣電量7.5%(0.9萬億kw.h)。
2)裝機(jī)容量。煤電裝機(jī)9.6億kW(5000h)，水電4.5億kW(3500h)，核電3億kW(7000h)，非水可再生能源14.58億kW(1800h)，氣電2億kW(4500h).全國發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘繛?.6+4.5+3+14.58+2=33.68億kW。
在人均電量5000-10000kW-h的發(fā)展過程中，預(yù)測西電東送容量和電量對總量的占比呈不斷減少趨勢(容量由18.5%-23.1%減少到10.9%-13.6%，電量由19.8%-24.7%減少到16.8%-21%)，由于總量的增加，西電東送容量和電量仍呈緩慢增加之勢。
按人均8000kw.h的發(fā)展目標(biāo)測算，我國2030-2050年中長期西部輸送到中東部地區(qū)的電力容量將由現(xiàn)況的1億kW增加到4.5-5.5億kW，相應(yīng)輸送電量為2-2.5萬億kw.h.這是對未來的輸電和電網(wǎng)技術(shù)的重大挑戰(zhàn)。
經(jīng)過10多年的技術(shù)研發(fā)和實踐，我國交流和直流特高壓輸電技術(shù)和電網(wǎng)技術(shù)獲得重大突破，為實現(xiàn)大容量遠(yuǎn)距離輸電奠定了堅實基礎(chǔ)。
采用新材料、新器件、新原理的輸電技術(shù)，如新型電壓源直流輸電技術(shù)(VSC-HVDC)、直流電網(wǎng)技術(shù)、超導(dǎo)輸電技術(shù)、新型大容量輸電線路技術(shù)等，如能獲得突破，并使之實用化，將為我國未來電網(wǎng)發(fā)展提供更多的技術(shù)選擇。
根據(jù)未來電力流和關(guān)鍵輸電技術(shù)發(fā)展趨勢預(yù)測分析，可以預(yù)期：2030年前，我國將延續(xù)超/特高壓交、直流輸電技術(shù)為核心的輸電模式，電力電子技術(shù)和新型直流輸電技術(shù)等新的電網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展;2030–2050年，在直流輸電技術(shù)成熟的條件下，我國可能形成西部送端直流輸電網(wǎng)和中東部受端超/特高壓交流電網(wǎng)相融合的輸電網(wǎng)模式。
針對近中期的技術(shù)需求，需要研究安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)，能滿足輸電需求的交直流輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu);要研究相應(yīng)的電網(wǎng)運(yùn)行控制技術(shù)，提高系統(tǒng)的輸電能力及電網(wǎng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，特別要注重研究受端電網(wǎng)接收大量直流輸電的安全穩(wěn)定問題。
針對中長期我國有可能形成西部送端直流輸電網(wǎng)與中東部受端超/特高壓交流電網(wǎng)有效融合的輸電網(wǎng)模式，需要提前重點(diǎn)部署新型直流輸電及直流輸電網(wǎng)技術(shù)的研究包括基礎(chǔ)性前瞻性研究和高技術(shù)開發(fā)。
未來電網(wǎng)發(fā)展目標(biāo)的實現(xiàn)與整個能源電力發(fā)展密切相關(guān)。為了這一目標(biāo)的實現(xiàn)，需要開展多方面的科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)。
在電源開發(fā)方面，支持清潔能源電量占總量60%以上目標(biāo)的實現(xiàn);在電能傳輸和分配方面，支持實現(xiàn)西電東送(含北電南送)規(guī)模達(dá)到4.5-5.5億kW以上的目標(biāo)，支持可再生能源和天然氣分布式電源在配電網(wǎng)的規(guī)?；尤?在電能利用方面，支持強(qiáng)化節(jié)能，提高能源利用效率，提高電能在終端用能的比重，支持實現(xiàn)人均年用電量8000kw.h以下目標(biāo)的實現(xiàn)。