【观点】英国伯明翰大学 张小平：能源互联挑战应对之道—以柔克刚

近年来，可再生能源的大力发展催生了全球能源革命，更确切地说是一场能源互联的革命。这场能源互联的革命体现在：

1）不同能源系统（主要是电，其次是气）的大范围、特大范围（全国，跨国，洲际，全球）的互联；

2）不同能源系统（电，气，热网）间的有效互联；

3）不同能源系统（电，气，热网）与储能系统的有效集成；

4）不同能源系统（电，气）与交通系统的有效集成与高度互动；

5）不同能源系统（电，气，热网）在用户端的高度互联及与能源网的高度互动。

能源互联的架构由四个物理层组成，即跨国、洲际层；国家层；地区、城市层和用户层。这四个层面互相依从，成为有机整体，实现分散与集中的互补。各个层面都可能涉及以下技术：

• 可再生能源发电

• 储能与电动汽车

• 电力电子包括直流与柔性交流技术

• 特广域、广域测控技术与动态感知

• 通信计算机技术与信息安全

• 能源经济与市场，社会科学，能源政策和法律框架

图1  全球电力能源互联网的架构

能源互联主要特点有三点：

1）特广域电网乃至全球电力能源网互联，实现能源在大范围的优化配置，互补支撑，共享低碳发展；

2）基于城市的综合能源网：不同能源系统（电，气，热网）与储能，电动汽车的互联；

3）分布式能源互联与用户的友好，低碳，智能互动。

这个发展的动力是可再生能源的大规模使用。而可再生能源大规模使用的发展目前遇到了瓶颈。关键问题是所谓的如何消纳可再生能源。可再生能源的消纳成为全球学术界、工业界、政府部门的关注焦点，为何是这样呢？乃是由于可再生能源本质上是刚性的。

可再生能源的消纳就带出了一个值得思考的问题，即何为柔性，何为刚性？

“柔性”的含义指电能设备、场站、系统的相对可控性。“刚性”的含义指电能设备、场站、系统的相对不可控性。显然，“柔性”与“刚性”的区别在于是否可控。另外，“柔性”与“刚性”是相对的，而不是绝对的。在一定条件下，“柔性”与“刚性”可以转化。此外，“柔性”与“刚性”还有程度上的区分，比如：比较柔、柔、半柔、刚、半刚、比较刚等等。

能源互联网的刚性包括源/网/荷的刚性

• 电源的刚性：电源的刚性主要指风电、太阳能发电的波动性与间歇性。这些特点表明，与传统发电系统（如燃煤、燃气、燃油）比，输出功率具有相对的不可控性；

• 负荷的刚性：缺乏对负荷的灵活控制；

• 传统交流电力网的刚性：缺乏对阻抗、潮流的有效、快速控制。

• 能源互联网的刚性也包括电网扰动带来的刚性：

• 电流/电压的突变性扰动；

• 网络结构的突变性扰动。

这些网络的突变性扰动大多是刚性的。

能源互联网的刚性是其最大的挑战。过去30年，在应对能源互联的挑战已积累了相当的经验。 主要体现在电力电子技术近年来的广泛使用。这些电力电子技术归结为三大类，即：

• 柔性交流输电技术；

• 直流输电技术；

• 可再生能源/负荷的电力电子控制技术。

     “以柔克刚”出处为三国·蜀·诸葛亮《将苑》：“善将者，其刚不可折，其柔不可卷，故以弱制强，以柔制刚。”释义为用柔软的去克制刚强的。而电力电子技术的采用可提高对能源互联网的网/源/荷实现有效控制，进而克服能源互联网网源/荷的刚性，也就是以柔克刚。这一思想与中国哲学思想“以柔克刚”不谋而合。全球能源互联网刚性问题解决之道：以柔克刚。

应对能源互联网的挑战，以柔克刚的思想应是应对的根本之道。其本质是应用柔性技术克服能源互联网的刚性。换句话说，就是应用柔性技术补能源互联网刚性（包括源/网/荷的刚性）的不足，增强对源/网/荷的可控性。

那么能源互联网的柔性技术包括那些呢？柔性技术从层次上分，包括柔性设备技术，柔性场站技术，柔性系统技术。这些柔性技术实质上实现或增强设备、场站、系统的可控性。 

柔性技术从范畴上看，有狭义柔性技术、广义柔性技术之分。狭义柔性技术主要指柔性交流技术、柔性直流技术。而广义柔性技术涵盖所有增强能源互联网可控性的技术与方法。以下我们将从广义柔性技术这个技术框架在三个层次上介绍，即能源互联网的柔性设备技术；能源互联网的柔性场站技术；能源互联网的柔性系统技术。

1）能源互联网的柔性设备技术包括：

a）网控设备：

• 柔性交流输电技术（FACTS）

• 直流输电技术（HVDC）:

传统直流输电技术（LCC HVDC），柔性直流输电技术（VSC HVDC）

• 电力电子变压器

• 能源路由器

b）源控设备：

• 同步电机的励磁控制/调速控制/PSS等

• 可再生能源(风=风电，光=光伏，浪=海浪)的电力电子控制

c）负荷控制设备

d）储能/电动汽车  

2）能源互联网的柔性场站技术包括：

a）柔性电站+：

• 核电的柔性控制/智能调度+其它类型电源=柔性核电站

       核电+柔性控制/智能调度 

            核电+燃气/或地热/或燃油/燃煤发电系统的智能化集成与调度 

            光伏+储能 

• 柔性风电站

            风电的电力电子柔性控制（包括虚拟同步机技术，调频技术，功率平滑技术，电压控制技术）和智能调度

            风电+储能的智能化集成

• 柔性光伏电站

       光伏的电力电子柔性控制（包括虚拟同步机技术，调频技术，功率平滑技术，电压控制技术）和智能调度

       光伏+储能的智能化集成（光伏的电力电子柔性控制和智能调度）

• 柔性风电、光伏集成电站 

• 柔性风能、海能（包括海浪，潮汐，海流能）集成电站

• 柔性风电、光伏、海能集成电站

b）柔性直流+：

• 逆变侧（柔性直流换流站）+ 整流侧（传统直流换流站）

• 柔性直流 与 传统直流换流站并联运行

• 传统直流 + 可控电容器 （比如，可控电容器）=柔性传统直流

• 直流+储能

c）柔性交流+：

• 多端柔性交流

• 柔性交流 +柔性直流

• 柔性交流 +储能

3）能源互联网的柔性系统技术：

a）智能调度

b）智能负荷/分布式发电管理技术 

• 负荷响应技术

• 微网技术

• 虚拟发电厂技术

• 虚拟电力系统技术 

c）智能稳控技术

d）智能保护技术

e）智能电力能源市场运营技术

f）大数据/人工智能技术 

对设备的刚性，可应用柔性技术加以克服。众所周知，直流输电系统目前主要有两大类，即传统的基于晶闸管的直流输电系统（LCC HVDC）和基于IGBT技术的柔性电压源型直流输电技术（VSC HVDC，MMC VSC HVDC）。传统直流输电系统的优点包括低损耗、大功率及超大功率应用（例如：特高压直流），低投资费用，直流侧短路可有效控制，技术成熟，并成为特高压直流输电的关键技术。其缺点包括逆变侧交流故障引起的换相失败，换流器的大量无功消耗，无法提供快速无功与电压控制等。而与此相比，传统直流输电系统的优点恰恰是柔性直流输电技术的缺点。而传统直流输电系统的缺点恰恰是柔性直流输电技术的优点。为克服传统直流输电系统的换相失败，工业界、学术界曾提出图2所示的基于固定电容器的解决方案。在这一方案中，在换流阀与换流变之间接入固定电容器。这一方案对换流器的无功消耗有一定的帮助，而对换相失败的改善非常有限。究其原因，主要是固定电容器是刚性的（即不可控的）。这一方案的本质是以刚克刚，即以不可控的固定电容器抵御换相失败的刚性，因而无法根本解决传统直流输电系统换向失败问题。

图2  利用固定电容器解决传统直流输电系统的换相失败（以刚克刚的实例）

可以想见，如能克服传统直流输电系统的缺点，即逆变侧交流故障引起的换相失败，换流器的大量无功消耗，无法提供快速无功与电压控制，我们就可以使这项技术更为优越。此处传统直流输电系统的刚性在于逆变侧交流故障引起的换相过程的不可控性。为了克服传统直流输电系统的刚性，伯明翰大学最近提出了柔性传统直流系统，我们在传统直流输电系统的换流阀与变压器之间引入了由电力电子完全可控的电容器（即柔性可控的电容器），如下图3所示。其实质是在传统直流系统中引入可控（柔性）电容器，提供稳定的换相电压，从而消除交流侧故障及无功功率的刚性，即不可控性，从而使直流系统换向过程完全可控，即完全实现直流系统换向过程的柔性化。这使得柔性传统直流系统结合了传统直流系统与柔性直流输电系统的优点，而克服各自的不足。在图3中，由于柔性技术的引入，使得如传统直流输电系统能够完全消除逆变侧交流故障引起的换相失败，并能提供快速无功与电压控制。我们称这项技术为：柔性传统直流输电系统（Flexible AC Transmission Systems）。

柔性传统直流输电系统（Flexible AC Transmission Systems）具体详见文献：

图3  柔性传统直流输电系统抵御换相失败（以柔克刚的实例）

图4  柔性传统直流输电系统的换相过程：从a相换到b相

图4显示柔性传统直流输电系统的换相过程：从a相换到b相。由于换相过程中可控电容的柔性作用，使得换相过程稳定、可控，即柔性。

如上所述，笔者认为能源互联网的根本挑战是系统的挑战。各种技术发展应服从于系统问题的解决。以柔克刚是能源互联网系统刚性挑战的根本解决之道。希望有更多的学者参加讨论，推动新型柔性技术的研发，助力低碳能源互联网的发展。