多种电力资源“养育”未来电网实现资源互补

能源结构的重大变化将给未来的电网带来一系列重大挑战。如何通过改变电网结构和运行方式来解决电网未来发展中的关键技术问题，已成为一个值得深入研究和探讨的问题。如果将大量的各种电力资源打包在一起，资源的互补性可以使“电力包”成为一种相对稳定可控的资源。

未来电网中各种电力资源的互补性主要体现在以下几个方面：

时间上的互补性

有些资源只在某个时间可用，而另一些资源在其他时间更丰富，或者在其他时间根据需求使用。由于时差的原因，东部和西部地区的太阳能在时间上是互补的。水电资源在一定程度上是可控的，可以通过调整水电站的发电量和库容来实现对太阳能或风能的补偿。例如，在24小时内，当风能和太阳能充足时，可以适当减少水力发电，增加水库容量；当太阳能和风能减少时，适当增加水力发电量。与其他可再生能源相比，生物质能具有更好的时间互补性，因为生物质能是一种可以大量储存的能源。只要太阳能和风能的电力在任何时候都缺乏，就可以启动生物质能来补充。

我国水电资源理论储量为6.88亿千瓦，技术上可开发利用的水电资源总量达到5.4亿千瓦，经济可开发量达到4亿千瓦（相当于2010年发电总装机容量的40%）。目前，水电总装机容量已超过2亿千瓦，仍有很大的发展潜力。2010年，中国可利用的各类生物质资源相当于3亿吨标准煤。预计到2050年，可利用的生物质能源将达到10亿吨标准煤。按年发电5500小时计算，可发电约5亿千瓦；如果仅作为轮换备用，生物质发电装机容量将远高于5亿千瓦。根据严鲁光院士的研究报告，到2050年，中国的发电总装机容量将达到24亿千瓦。即使2050年我国太阳能发电装机容量达到5亿千瓦，风力发电装机能力达到4亿千瓦，水电和生物质能也能及时与太阳能和风能互补，并能实际发挥大容量储能系统的作用。

空间互补性

所谓空间互补，是指同一时间不同地点的能源资源是互补的。在可再生能源中，风能是最不稳定的能源。德国的相关研究表明，单个风电场的24小时预测误差达到15%，单个控制区（400×400km）的误差为7.5%~10%，整个德国（650×800km）的误差仅为5%~6.5%，这表明范围越大，资源互补性越强。特拉华大学和纽约石溪大学最近公布了不同地点风力发电的研究数据。近五年来，美国东海岸11个跨度2500公里的气象站的风力统计数据显示，尽管每个观测点的风电都非常不稳定，但如果这11个地点建造的所有风电场都通过输电线路连接起来，作为一个统一的风电场，那么低功率或满功率的情况将很少。与单个风电场相比，11个风电场的总功率变化缓慢，永远不会没有风电。可以看出，如果将大型风电场连接成一个统一的整体，它们的发电具有显著的互补性。

不同发电模式之间的互补性

不同的可再生能源发电模式具有不同的输出响应特性，也可以表现为形式上的互补性。例如，光伏发电的功率由于光强的变化而实时变化；

对于太阳能热发电来说，由于热系统的惯性时间常数较大，其发电量不会随着光强的变化而实时变化，但其输出功率也可以通过短时间调整热交换功率来调整，因为热系统可以储存一些热量。同样，对于风力发电，不同类型的风力涡轮机的启动风速是不同的。此外，不同高度单位面积的有效风力也不同。因此，如果在同一风电场中使用不同类型的风机，并实施统一的协调控制，整个风电场的功率输出可以更平稳。

电动汽车充电系统的调节功能

电动汽车动力电池是未来电网的主要负载之一。事实上，这个负载也可以被视为一个电源。因为我们可以在风能或太阳能充足的时候提高充电速度，在相对较少的时候降低充电速度，甚至将一些电力反馈给电网，充电系统可以起到平滑电网电力的作用。在这里，我们认为电池更换模式是未来电动汽车的主要充电模式，因此电动汽车的电池充电系统可以根据电网的实际情况进行充电。

据估计，中国约有8500万辆汽车，到2020年，中国的汽车数量将达到1.5亿辆。如果2050年中国的汽车数量达到4亿辆，其中一半是电动汽车（即2亿辆汽车）。假设每辆车的电池一次可以使用4天，那么每天大约有5000万辆车需要充电。由于太阳能和风能的年有效利用小时数约为2000小时，可换算为日均有效利用时间5.5小时。如果每组动力电池的额定充电功率为15千瓦，并且考虑到充电速度可以根据太阳能或风能的变化进行调整，如果平均充电功率为10千瓦（即可以从5千瓦调整到15千瓦），则可以在5.5小时内以55度左右的温度充电（相当于一次行驶约275公里）。可以看出，太阳能和风能的日均有效利用小时数大致相当于一组电动汽车动力电池的平均充电时间，每个充电系统能够响应太阳能和风能变化的功率可以达到10千瓦，也就是说，中国电动汽车充电设施可用于功率调节的总功率可达5亿千瓦。考虑到可再生能源电站在大范围内的互补作用，5亿千瓦的电力具有相当大的调节作用。

综上所述，尽管可再生能源是间歇性的、不稳定的，但如果我们充分利用这些资源在时空和发电方式上的互补性，利用水电、生物质发电和电动汽车充电系统的调节功能（即将各种资源有机地“打包”在一起），那么，即使没有安装大量的储能系统，电力供应也可以变得更顺畅、更稳定、可控，从而向用户输出符合要求的电力。

（编辑/张翠翠）能源结构的重大变化将给电网未来带来一系列重大挑战。如何通过改变电网结构和运行方式来解决电网未来发展中的关键技术问题，已成为一个值得深入研究和探讨的问题。如果将大量的各种电力资源打包在一起，资源的互补性可以使“电力包”成为一种相对稳定可控的资源。

未来电网中各种电力资源的互补性主要体现在以下几个方面：

时间上的互补性

有些资源只在某个时间可用，而另一些资源在其他时间更丰富，或者在其他时间根据需求使用。由于时差的原因，东部和西部地区的太阳能在时间上是互补的。水电资源在一定程度上是可控的，可以通过调整水电站的发电量和库容来实现对太阳能或风能的补偿。例如，在24小时内，当风能和太阳能充足时，可以适当减少水力发电，增加水库容量；

当太阳能和风能减少时，适当增加水力发电量。与其他可再生能源相比，生物质能具有更好的时间互补性，因为生物质能是一种可以大量储存的能源。只要太阳能和风能的电力在任何时候都缺乏，就可以启动生物质能来补充。

我国水电资源理论储量为6.88亿千瓦，技术上可开发利用的水电资源总量达到5.4亿千瓦，经济可开发量达到4亿千瓦（相当于2010年发电总装机容量的40%）。目前，水电总装机容量已超过2亿千瓦，仍有很大的发展潜力。2010年，中国可利用的各类生物质资源相当于3亿吨标准煤。预计到2050年，可利用的生物质能源将达到10亿吨标准煤。按年发电5500小时计算，可发电约5亿千瓦；如果仅作为轮换备用，生物质发电装机容量将远高于5亿千瓦。根据严鲁光院士的研究报告，到2050年，中国的发电总装机容量将达到24亿千瓦。即使2050年我国太阳能发电装机容量达到5亿千瓦，风力发电装机能力达到4亿千瓦，水电和生物质能也能及时与太阳能和风能互补，并能实际发挥大容量储能系统的作用。

空间互补性

所谓空间互补，是指同一时间不同地点的能源资源是互补的。在可再生能源中，风能是最不稳定的能源。德国的相关研究表明，单个风电场的24小时预测误差达到15%，单个控制区（400×400km）的误差为7.5%~10%，整个德国（650×800km）的误差仅为5%~6.5%，这表明范围越大，资源互补性越强。特拉华大学和纽约石溪大学最近公布了不同地点风力发电的研究数据。近五年来，美国东海岸11个跨度2500公里的气象站的风力统计数据显示，尽管每个观测点的风电都非常不稳定，但如果这11个地点建造的所有风电场都通过输电线路连接起来，作为一个统一的风电场，那么低功率或满功率的情况将很少。与单个风电场相比，11个风电场的总功率变化缓慢，永远不会没有风电。可以看出，如果将大型风电场连接成一个统一的整体，它们的发电具有显著的互补性。

不同发电模式之间的互补性

不同的可再生能源发电模式具有不同的输出响应特性，也可以表现为形式上的互补性。例如，光伏发电的功率由于光强的变化而实时变化；

对于太阳能热发电来说，由于热系统的惯性时间常数较大，其发电量不会随着光强的变化而实时变化，但其输出功率也可以通过短时间调整热交换功率来调整，因为热系统可以储存一些热量。同样，对于风力发电，不同类型的风力涡轮机的启动风速是不同的。此外，不同高度单位面积的有效风力也不同。因此，如果在同一风电场中使用不同类型的风机，并实施统一的协调控制，整个风电场的功率输出可以更平稳。

电动汽车充电系统的调节功能

电动汽车动力电池是未来电网的主要负载之一。事实上，这个负载也可以被视为一个电源。因为我们可以在风能或太阳能充足的时候提高充电速度，在相对较少的时候降低充电速度，甚至将一些电力反馈给电网，充电系统可以起到平滑电网电力的作用。在这里，我们认为电池更换模式是未来电动汽车的主要充电模式，因此电动汽车的电池充电系统可以根据电网的实际情况进行充电。

据估计，中国约有8500万辆汽车，到2020年，中国的汽车数量将达到1.5亿辆。如果2050年中国的汽车数量达到4亿辆，其中一半是电动汽车（即2亿辆汽车）。假设每辆车的电池一次可以使用4天，那么每天大约有5000万辆车需要充电。由于太阳能和风能的年有效利用小时数约为2000小时，可换算为日均有效利用时间5.5小时。如果每组动力电池的额定充电功率为15千瓦，并且考虑到充电速度可以根据太阳能或风能的变化进行调整，如果平均充电功率为10千瓦（即可以从5千瓦调整到15千瓦），则可以在5.5小时内以55度左右的温度充电（相当于一次行驶约275公里）。可以看出，太阳能和风能的日均有效利用小时数大致相当于一组电动汽车动力电池的平均充电时间，每个充电系统能够响应太阳能和风能变化的功率可以达到10千瓦，也就是说，中国电动汽车充电设施可用于功率调节的总功率可达5亿千瓦。考虑到可再生能源电站在大范围内的互补作用，5亿千瓦的电力具有相当大的调节作用。

综上所述，尽管可再生能源是间歇性的、不稳定的，但如果我们充分利用这些资源在时空和发电方式上的互补性，利用水电、生物质发电和电动汽车充电系统的调节功能（即将各种资源有机地“打包”在一起），那么，即使没有安装大量的储能系统，电力供应也可以变得更顺畅、更稳定、可控，从而向用户输出符合要求的电力。

（编辑/张翠翠）

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