能源結(jié)構(gòu)的重大變革，將給未來(lái)電網(wǎng)帶來(lái)一系列重大挑戰(zhàn)。如何從改變電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式等方面入手，解決未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，就成為一個(gè)值得深入研究和探討的問(wèn)題。如果將大量的多種電力資源“打包”在一起，則資源的互補(bǔ)性可以使得“電力包”成為相對(duì)穩(wěn)定和可控的資源。
未來(lái)電網(wǎng)各種電力資源的互補(bǔ)性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
時(shí)間上的互補(bǔ)性
一些資源只在某一時(shí)段可獲得，而另外一些資源則在另一些時(shí)段顯得更加充足或在另一些時(shí)段根據(jù)需求被利用起來(lái)。由于時(shí)差的原因，東西部地區(qū)的太陽(yáng)能就具有時(shí)間上的互補(bǔ)性。水電資源具有一定的可控性，可以通過(guò)調(diào)節(jié)水電站的發(fā)電功率和庫(kù)容量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能或風(fēng)能的補(bǔ)償作用。例如，在24小時(shí)之內(nèi)，可在風(fēng)能和太陽(yáng)能等充足的時(shí)候，適當(dāng)減少水電功率并增加庫(kù)容量;而在太陽(yáng)能和風(fēng)能減少的時(shí)候，適當(dāng)增加水電功率。生物質(zhì)能相對(duì)于其他可再生能源而言，具有更好的時(shí)間上的互補(bǔ)性，因?yàn)樯镔|(zhì)能是一種可以大量?jī)?chǔ)存的能源資源，只要任何時(shí)候缺少來(lái)自太陽(yáng)能和風(fēng)能的電力，均可以啟動(dòng)生物質(zhì)能發(fā)電來(lái)予以補(bǔ)充。
我國(guó)水電資源的理論儲(chǔ)量為6.88億千瓦，技術(shù)上可以開(kāi)發(fā)利用的水電資源總量達(dá)到5.4億千瓦，經(jīng)濟(jì)上可開(kāi)發(fā)量達(dá)到4億千瓦(相當(dāng)于2010年發(fā)電總裝機(jī)的40%)，目前已開(kāi)發(fā)的水電總裝機(jī)超過(guò)了2億千瓦，仍有很大的開(kāi)發(fā)潛力。2010年，我國(guó)可以利用的各種生物質(zhì)資源相當(dāng)于3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。據(jù)估計(jì)，到2050年，可利用的生物質(zhì)能將達(dá)到10億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。按照年滿發(fā)5500小時(shí)計(jì)算的話，就可以發(fā)電約5億千瓦;如果只作為旋轉(zhuǎn)備用的話，可以安裝的生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)將大大高于5億千瓦。據(jù)嚴(yán)陸光院士等研究報(bào)告的預(yù)測(cè)，到2050年，我國(guó)的總發(fā)電裝機(jī)將達(dá)到24億千瓦。即使2050年我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)分別達(dá)到5億千瓦和4億千瓦，水電和生物質(zhì)能在時(shí)間上可以與太陽(yáng)能和風(fēng)能等形成很好的互補(bǔ)，實(shí)際上可以起到大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)的作用。
空間上的互補(bǔ)性
所謂空間上的互補(bǔ)性，是指在同一時(shí)刻不同地點(diǎn)的能源資源具有互補(bǔ)性。在可再生能源中，風(fēng)能是最不穩(wěn)定的能源。德國(guó)的有關(guān)研究表明：對(duì)單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的24小時(shí)預(yù)測(cè)誤差達(dá)到15%，單個(gè)控制區(qū)(400×400km)的誤差則為7.5%~10%，而全德國(guó)(650×800km)的誤差僅為5%~6.5%，這說(shuō)明范圍越大則資源互補(bǔ)性越強(qiáng)。美國(guó)特拉華大學(xué)和紐約石溪大學(xué)最近發(fā)表了有關(guān)不同地點(diǎn)風(fēng)力的研究數(shù)據(jù)，美國(guó)東部沿海跨度達(dá)2500公里的11個(gè)氣象站近5年的風(fēng)力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：盡管每一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的風(fēng)力出現(xiàn)很大的不穩(wěn)定性，但如果利用輸電線路將建立在這11個(gè)地點(diǎn)的風(fēng)電場(chǎng)全部連起來(lái)作為一個(gè)統(tǒng)一的風(fēng)電場(chǎng)，則很少會(huì)出現(xiàn)低功率或者滿發(fā)的情況。與單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)相比，11個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的總功率變化會(huì)顯得比較緩慢，而且永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)沒(méi)有風(fēng)電的情況。由此可見(jiàn)，如果將大范圍內(nèi)的風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)成一個(gè)統(tǒng)一的整體，其發(fā)電功率具有顯著的互補(bǔ)性。
不同發(fā)電方式之間的互補(bǔ)性
不同的可再生能源發(fā)電方式，其輸出響應(yīng)特性也不盡相同，這在形式上也可以表現(xiàn)為互補(bǔ)性。例如，光伏發(fā)電功率受光強(qiáng)度的變化而實(shí)時(shí)變化;而對(duì)于太陽(yáng)能熱發(fā)電來(lái)說(shuō)，則由于熱力系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)較大，其發(fā)電功率不僅不會(huì)隨光照強(qiáng)度變化而實(shí)時(shí)變化，而且還可以通過(guò)短時(shí)調(diào)節(jié)換熱功率而調(diào)節(jié)其輸出功率，因?yàn)闊崃ο到y(tǒng)可以儲(chǔ)存部分熱量。同樣，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電來(lái)說(shuō)，不同類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)風(fēng)速不盡相同。此外，不同高度下，單位面積的有效風(fēng)功率也不同。因此，如果在同一風(fēng)電場(chǎng)采用不同類型的風(fēng)機(jī)并實(shí)施統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，則可以使整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的功率輸出變得更加平滑一些。
電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用
電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池是未來(lái)電網(wǎng)中主要的負(fù)荷之一，事實(shí)上，這種負(fù)荷也同樣可以看成是電源資源。因?yàn)椋覀兛梢栽陲L(fēng)能或太陽(yáng)能比較充足的時(shí)候提高充電速度，而在它們相對(duì)少的時(shí)候降低充電速度甚至向電網(wǎng)回饋部分電力，則充電系統(tǒng)可以起到平滑電網(wǎng)電源功率的作用。這里，我們認(rèn)為換電池模式是未來(lái)電動(dòng)汽車充電的主要模式，因此電動(dòng)汽車電池充電系統(tǒng)可以根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際情況變化來(lái)充電。
據(jù)估計(jì)，我國(guó)現(xiàn)有汽車保有量約8500萬(wàn)輛，到2020年，我國(guó)汽車保有量將達(dá)到1.5億輛。如果按照2050年我國(guó)汽車保有量達(dá)到4億輛計(jì)算，其中一半是電動(dòng)汽車(即2億輛)。假設(shè)平均每輛汽車的電池充電一次可以使用4天，則每天有大約5000萬(wàn)輛汽車需要充電。由于太陽(yáng)能和風(fēng)能的年有效利用小時(shí)數(shù)約為2000小時(shí)，則可折合為日平均有效利用時(shí)間為5.5小時(shí)。以每組動(dòng)力電池的額定充電功率為15千瓦計(jì)算，并考慮到其充電速度可以根據(jù)太陽(yáng)能或風(fēng)能的變化而調(diào)節(jié)充電速度，以平均充電功率為10千瓦計(jì)算(即大約從5千瓦~15千瓦范圍內(nèi)調(diào)節(jié))，則5.5小時(shí)內(nèi)可以充電約55度(相當(dāng)于充滿一次可行駛約275公里)。由此可以看出，太陽(yáng)能和風(fēng)能的日平均有效利用小時(shí)數(shù)大致相當(dāng)于一組電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的平均充電時(shí)間，而每組充電系統(tǒng)可以響應(yīng)太陽(yáng)能與風(fēng)能變化的功率可以達(dá)到10千瓦，即全國(guó)的電動(dòng)汽車充電設(shè)施可以用于電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)的總功率可以達(dá)到5億千瓦。考慮大范圍內(nèi)可再生能源電站之間本身已經(jīng)具有的互補(bǔ)作用，則5億千瓦的功率具有相當(dāng)大的調(diào)節(jié)作用。
綜上所述，雖然可再生能源具有間歇性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，但是如果充分利用這些資源在時(shí)空上和發(fā)電方式上的互補(bǔ)性并利用水電、生物質(zhì)發(fā)電和電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用(即將各種資源有機(jī)“打包”在一起)，那么即使不安裝大量的儲(chǔ)能系統(tǒng)，也可以使電源變得比較平滑穩(wěn)定和可控，從而向用戶輸出滿足要求的電力。
