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中科院院士卢强:发展电力带动能源革命_0

2019-06-11 09:59 出处:未知 人气: 评论(

  卢强:清华大学电机系教授,中国科学院院士,瑞典皇家工程科学院院士,第八、九、十届全国政协常委,民盟第八、九届中央副主席。著作有《电力系统最优控制》、《电力系统非线性控制》及《非线性控制理论与电力系统动态(英)》,被公认为电力系统线性最优控制和非线性最优控制学科体系的开拓者和奠基人。曾任973计划电力大系统灾变防治首席科学家,先后主持完成过电力系统非线性鲁棒稳定控制、电力系统智能控制、三峡发电机组非线性励磁等十余项重大科研项目。近年来,创建了电力系统混成控制理论,为建设我国智能调度系统提供了理论与方法,应用于东北、上海电力系统和深圳电网智能调度自动化系统。

  记者:您认为雾霾天气产生的原因是什么?跟煤炭、石油等化石能源的燃烧有何关系?

  卢强:关于雾霾天气产生的原因是多种的:以燃煤为主的火力发电厂、汽车尾气排放(在道路堵塞时,其排放尾气是正常行驶的4~5倍)、建筑的野蛮施工(水泥、沙料乱堆放,完工后不加清理)、冬季分散式取暖方式等依然存在,再加上中国特有的大火热油的烹调方式以及遍布大街小巷的烤肉串等等。讲到煤炭的利用,我认为起码应该有五分之一或者四分之一的煤炭要变成煤化气加以利用,应当多烧气而不是只烧煤粉,所以煤的气化和液化工程应当成为煤炭革命的主流。煤炭革命不是说不用煤炭,而是要用好的煤炭(含灰量和含硫量低的),我们应当改变煤炭的利用方式。现在我们也跟很多国家进行了石油和天然气方面的合作。美国的页岩气革命使它对石油的依赖度降低约30%,未来我们的第三次工业革命,也有可能变成煤化气大国。有人说,煤的气化要花成本,这里有个根本问题要解决,就是我们发展究竟是为了什么?人民对蓝天白云的向往,就是我们的奋斗目标。

  开发西南水电不容耽搁

  记者:您认为电网在能源革命中应当发挥怎样的作用?

  卢强:电网在能源革命中应该起到一个骨干的支撑作用,因为在一个国家终端能源的利用方式中,电能占的百分比越高,说明这个国家的经济、技术、社会发展越成熟。所以能源革命首先要关注电力,通过电力的推广应用来带动整个能源系统的革命。

  记者:那电网与电源在整个革命中应当是怎样一种关系?

  卢强:我认为电网和电源之间的关系就好比人的神经系统与消化系统、大脑的关系,是一个完整的系统,因此电源和电网在运行中不能割裂开,要谈革命,必须要谈电源。

  记者:您对中国电源发展方面有怎样的看法或者建议?

  卢强:未来的能源革命,我们应当弥补在过去的10年内,没有着重发展大水电的失策,比如说怒江和雅鲁藏布江的开发。我国总共还有约5亿千瓦的水电没有开发,水电是最清洁的可再生能源,没有任何碳排放,如果不把足够的人力、精力、财力投入到中国水电的积极开发中,空谈能源革命是没有意义的。

  我大学毕业的时候,也就是上世纪60年代,怒江的地质勘探、厂址选择就开始了,但国外有一股居心叵测的势力一直阻碍着我国的开发,他们成立了所谓的环保基金打着环保的旗号来蒙蔽不明真相的群众。因为怒江一旦开发,它的总装机将不低于三峡,而它的移民仅仅是三峡的五十分之一到一百分之一,将来怒江梯级电站的开发将对中国能源的振兴起到巨大的作用。在过去的十多年间,怒江一直按着不动,我们的黄金发展期是没有多少个十年够我们耽搁的。

  记者:但国内国外都有人质疑水电开发会对生态造成影响。

  卢强:我去怒江看过,老百姓吃饭是要用火的,所以就上山砍柴,现在周围能砍的树已经都砍得差不多了,就开始到深山里去砍树,所以破坏怒江生态最严重的是贫穷和缺电。关于移民开发的问题,澜沧江的开发带了个好头,就是破坏一亩森林或草地要补种一亩甚至两亩。现在还有一个好的机制,跟经济学有关,给移民股份,这样就能使他们富起来,子子孙孙得益于怒江的开发。所以怒江必须要开发,这是我国的主权,有主权不用就等于丧失主权。即使现在开发,距离第一台机组投产发电还需要等10年左右的时间。

  记者:是不是与以前水电开发的失败案例有关?

  卢强:有些人现在质疑三峡出现了一些问题,实际上这些问题并不是不能解决的,也不是失控的问题。比如说鄱阳湖、洞庭湖在长江下游水位低的时候会出现倒灌现象,我们学水利的都知道,若经过计算和动态模拟试验给出一个长江下流最低允许水位值是可以解决这个问题的。

  事实上,三峡并不以发电为主,它的主要功能是防洪、防旱和航运等。

  关于三峡会不会出现三门峡的情况,我认为是不会的。三门峡是前苏联专家设计的,当时苏联专家把采集的资料拿到乌克兰,是在办公室里设计出来的。采集的资料对上游水土流失给出了一个最乐观的估计,比现在的流失量低了10倍,所以苏联专家就仿照伏尔加河的设计方法来设计三门峡,这跟当时的历史条件和体制有关,现在是不可能发生了。

  关于雅鲁藏布江的开发,应当与怒江同时进行,即使这样,它的第一台机组投产也会比怒江晚十年,因为工程量太大。关于地震的问题,其实也是有办法的,我们可以不用混凝土重力坝,而采用堆石坝,这种坝不怕地震,没有坍塌的风险,而且石材可以就地取材。顺便说一句,雅江开发的移民数还不到三峡的五百分之一。

  此外请不要忘掉核能利用。各国核电站出大事故的根源都是冷却水系统的破坏,可是高温气冷堆具有与生俱来的安全性,它不用冷却水,靠气体对流冷却,最坏的情况下是空气对流冷却。这种核电站的单体容量不宜太大,这种具备固有安全性的分布式核电站站址可更接近负荷,且无需选址于海边,随处可建。

  上海不宜有过多特高压直流落点

  记者:开发后就是送电的问题了。

  卢强:对,这时候就和电网联系起来了。怎么送?主要目的地一个是长三角,一个是珠三角,这就必须要用特高压。现在1000千伏交流特高压送电最大安全距离大约是600公里,最大功率600万千瓦,如果采用紧凑型线路可以送到700公里~800公里,即使这样,距离仍然不够,所以必须采用特高压直流。800千伏直流线路可以送到2000公里以上,因为它没有同步稳定性问题。

  当前的特高压直流输电只能是点对点的方式,在它路经的途中,不能就地配送电力,这是个大问题。此外,若在某种特殊情况下,送上海的特高压直流输电线中有两回同时发生双极闭锁,那么上海瞬间就会失去几百万千瓦功率,华东电网能否承受?还有,处于直流输电末端的上海交流电网需有足够数量的动态无功功率补偿容量的支撑。综上所述可知,华东电网应有强大的交流电网,以担其责。这样看来,将来西南再有更多的800千伏直流线路东送,分散落点为佳。还有一种思路,就是可以先用部分直流特高压送到华中,然后再用交流特高压送到华东,这亦不失为是一种较好的方案。

  记者:从华中送华东的过程为什么必须是交流特高压?

  卢强:因为这个距离是特高压交流最适宜的距离。我们需要考虑安全经济等综合因素,包括输电走廊的问题,因为特高压比较集约。未来我们还需要鼓励采用紧凑型特高压线路,现在我们的特高压输电走廊约是20米,而紧凑型的是9米~10米。这项技术必须应用,已经有一些试验线路了,从总的造价来看并不高,只是很多施工单位还没有这方面的经验。

  智能电网的本质是优化

  记者:现在智能电网的概念比较热,您是怎样理解的?

  卢强:到现在美国还没有对智能电网给出一个明确的定义,我认为智能电网的本质应当是优化。时至今日无论是高压电网还是低压电网都是通过调度人员进行控制的。以美国的8˙14大停电为例,在美国,调度员如果下了错误的指令是要负法律责任的。一旦发生紧急事故,调度员应在10秒钟内作出正确决策,再往后就晚了。在这种情况下,调度员不敢决策,结果是29个小时内没有任何一个调度员发出任何一条有权威的指令。

  因此未来的电网,我们不能主要依靠人来调度,必须要通过信息技术和计算机科学进行自动调控,实现全电力大系统的完全闭环。我国现在的调度是五级调度体系,上下联系是靠打电话等传统方式,一旦有大事故,可能来不及调控。

  下面讲一个多指标优化的问题,一件事情从好到更好到最好,这在数学上属于优化的范畴,智能电网的建立也属于优化的范畴。优化分为两种,一种是单指标优化,一种是多指标优化。电力系统的要求是安全、经济、高电能质量等,所以电力系统的优化是多指标优化。电力大系统的多指标优化在数学上是一个巨形的变分问题,因为每台发电机要用五至七阶微分方程来描述,一万台发电机就是五万至七万阶微分方程,再加上数万个节点的上下限非线性代数方程组的约束条件,然后求一个极值的解析解,这在数学上是解决不了的问题。

  当电力系统已经复杂到纯数学无法解决的时候,我们要寻找一条新的思路。

  我们提出了混成控制论,就是把人对电力系统的需求(安全、经济、质量等)全部都集中起来,写成多指标趋优化软件放到控制系统中。

  第三次工业革命提出的是信息科学与传统科学相拥抱,因此我们要将电力系统的每一个发电厂、每一个重要节点的传感器等获悉的数据都集中到一个大数据库里,各级调度机的SCADA单元从数据库里取数据,取完后有一个去伪存真的过程,叫做状态估计。然后用这些可靠数据与事先约定好的最优状态一一比对,如果差值大于预定值,就形成一件事故,这时候必须启动控制。控制之前还需要测试一下,这个控制方案是否有效,如果效果好就可以控制发电厂、变电站、控制负荷、控制电动车的充放电、控制家用电器,控制后新的运行状态产生了,新的数据如果符合最优控制指标,就消除了事件。

  所以变成一个最简单的理论:事件启动控制,控制消除事件。整个这一切,人并没有参加。

  现在的通讯技术是能做到的,比如现在上海的调度,已经初步做到了。上海的调度员原来进行监控,现在变成了主要是监视。所以通讯和数学进入古典的电力系统,就产生了电力系统的第三次工业革命,产生了智能电力系统。

  这个电力系统从本质上来讲就是一部机器人。因为机器人的本质是人所创造的自动化机电系统,而且这个机电系统要服从人的原始意志。能做到多指标自趋优的就称其为智能机器人。电力系统不是一般形态上的机器人,而是一个广域机器人,所以我们要完成的任务是要把中国的电力系统建成一个智能广域机器人,也就是我们的五级调度都要建立起智能调度系统。

  记者:我们要建立的智能电网与国外有区别吗?

  卢强:奥巴马先生提出的智能电网,主要是指相当于中国110千伏以下的电网,是配电网部分。而我们的大机组都是接到500千伏电网的,所以我们中国要建立的是智能电力系统和智能电网,并不仅仅是智能电网。现在上海大致实现了,原来上海的调度中心只有自动功率控制(AGC),没有AVC,现在实现了智能,两者协同控制,这就把上海电力系统发生事故的可能性,特别是电压崩溃灾难性事故发生的几率显著降低。最受调度员欢迎的一个人机界面是动态地、实时地标注出运行点和稳定域边界,如果有事故,调度机会自动给出和执行控制策略。调度员还有权进行手动调整。

  未来将是大电网与微电网的结合体

  记者:随着微网的发展,以后自给自足的模式是否会取代现在的大电网?

  卢强:微电网在局部区域是可行的,比如学校、家庭、大型游乐场、宾馆等。现在我国的功率要大于整个欧洲电功率的总和,所以未来中国电网的发展模式必定是超大型骨干电网和分布式微电网的结合体。

  记者:那未来微电网会不会起到主导作用?

  卢强:微电网将来会在调峰的时候占主导地位。我们现在后夜功率小,高峰时段又显得功率不足,需要用大型火电厂以及抽水蓄能电站来调整负荷曲线。

  将来要过渡到以负荷为调峰的主体,让需求侧来主动响应大电力系统的经济运行和紧急控制的需求,从需求的角度来进行解决。

  记者:这就对储能的发展提出了更高的要求。

  卢强:现在建设抽水蓄能电站对地理条件要求比较严格,并不适合未来分布式储能发展的要求。而用蓄电池进行储能,缺点是价格高、寿命短。我们要储存三峡十个小时发的电能,就需要用为数众多的专用大楼来装蓄电池,三、四年又需要更换一次,显然不现实。

  现在有一个比较好的思路就是用压缩空气机储能,用弃风、弃水、弃光的电来压缩空气,将空气压缩在一个能装200个大气压的容器内,等到要用的时候,再将压缩空气喷放出来,冲动涡轮机,带动机组进行发电。今年9月初,我们将在安徽芜湖国家级高新开发区进行一个压缩空气储能的试验。

  现在有一个更好的工程方案是在地下建造一个大型压空储气室,经充分调查研究,这种地下工程对我国来说并不是一件困难的事。以上这项科学实验工程是国家电网公司支持的。

  记者:您怎样看待未来电动汽车的发展?

  卢强:电动汽车有一个不可替代的作用,就是锂电池是成熟的,虽然锂电池集中大规模储能不可行,但可以用到电动汽车这种分散式储能中。一辆电动车差不多是5000千瓦的蓄电功率,发展起来,全国就是一个很大的量。如果电动汽车在电网低谷的时候进行储能,效益就是巨大的。

  但电动汽车必须要使用智能电表,可以显示以半小时为一个阶梯的电价曲线。

  而且充电桩和充电站必须是双向的:车主可以高电价的时候卖电,低价的时候充电,这就变成了钞票回来车(cashbackcar),这样极有利于实现电网调峰的目的。

  记者:但现在锂电池的回收是个难题。

  卢强:是。所以需要我们国家抓紧立项,研究锂电池的回收,防止污染。

  记者:这种情况,电价制度也需要相应调整。

  卢强:从经济学角度出发,电价将来应当类似于股票市场,每日有个日电价曲线,它的变动可以是以小时为单位,发到每个车主的智能电表上。

  记者:全球范围内,您观察能源行业在生产消费观念和技术上正发生哪些让您印象深刻的变革或创新?

  卢强:我觉得是美国的页岩气。美国的地质条件很好,将来发展的潜力非常大。

  我国尚有5亿千瓦的水电亟待开发,再就是煤的气化和具有固有安全性的分布式中小型核电站的建立。

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