重塑电网，迎接可再生能源时代

Johannes von Schkopp认为，德国距离可再生能源激增这样的情况还相去甚远，但电网稳定性面临的挑战确实正在不断增加。“想象一下寒冷的冬夜，用电需求达到高峰，而系统中的可再生能源发电出力不足，”他说，“再想象另一种完全相反的情况：晴朗夏天的节假日，可再生能源发电量很高，而用电负荷却非常低。尽管目前这两种情况都无需担心，但关键在于确保未来的电网及整个电力系统，依然能够保持今天同样高水平的可靠性。”多年来，行业关注的重点一直是扩大可再生能源发电规模。而如今，更重要的则是让电网具备应对这两种极端运行场景的能力。

全球范围内，承担可再生能源消纳和不断增长电力需求的输电网络正承受越来越大的压力。在欧洲，近40%的输电线路已运行超过40年；在美国，大部分电网基础设施的使用年限也已达到25至50年。国际能源署（IEA）指出，到2040年，全球需要新建或升级约8000万公里电网线路，这相当于重建当今整个电网网络。然而，仅靠扩大电网规模远远不够。随着可再生能源逐步取代传统电厂，电网的架构和运行方式正在发生深刻变化。直流输电（DC）、电力电子静止同步补偿器（E-STATCOM）以及同步调相机（Synchronous Condenser）等先进技术，正成为稳定电流、提升电网系统韧性和增强电网灵活性的关键。

von Schkopp 来到位于纽伦堡郊外的西门子能源工厂。Matthias Foehr及其团队正在这里研发应对挑战的创新电网技术。作为西门子能源电网科技集团产品管理副总裁，Foehr 指出：“当传统电厂逐步退出，而可再生能源不断接入电网时，电网中的转动惯量也会随之减少。” 他解释道：“从本质上讲，这意味着电网原有的缓冲能力正在减少。而如何应对这一变化，正是我们必须重点解决的问题。”

von Schkopp表示，公共资金投入同样至关重要，因为它能够帮助有前景的新技术在进入市场前降低研发和应用风险。他指出欧盟委员会推动的的系统协同计划（interoperability program），旨在促进未来HVDC系统统一技术标准的制定，为跨区域、跨国互联互通奠定基础。

到2040年，Johannes von Schkopp预计欧洲电网将演变为一种交直流混合拓扑架构（Hybrid AC-DC Grid），即由承担远距离输电任务的直流骨干电网与负责区域间电力输送的交流电网协同构成。“未来的电网将由电力电子技术主导，实现高度数字化，并在欧洲范围内形成更加紧密的互联互通。”他说。

在纽伦堡以南数百公里的瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）电力系统实验室，Gabriela Hug教授长期致力于研究未来电力系统的运行模式及其关键支撑技术。“电力系统运行涉及多个时间尺度，”Hug表示，“这些时间尺度从几秒钟甚至不到一秒，到分钟、几天乃至数年。因此，当我们讨论如何优化电网时，必须同时考虑这些不同的时间维度。”在实际运行中，这意味着既要应对电网状态瞬息万变的变化，也要统筹未来数月甚至数年的系统规划。

她认为，目前尚未解决的最大挑战之一是季节性储能，即“如何将夏季丰富的太阳能储存起来，并在冬季加以利用”。与此同时，电网运行状态又可能在毫秒级时间尺度内快速变化。从超短期实时控制到跨季节能源调配，电网管理必须覆盖多个时间维度，这对预测、优化和控制技术提出了前所未有的要求。

这也改变了电力电子技术在电网中的角色。Hug表示：“电力电子设备既是挑战的一部分，也是解决方案的一部分。因为电力电子装置，或者说逆变器，为我们提供了更大的灵活性，让我们能够以更多方式主动控制电网。”与传统同步发电机主要依赖物理特性运行不同，。基于逆变器的能源资源能够通过控制策略主动调节运行状态，从而为维持日益复杂、动态化电力系统的稳定运行提供了新的技术手段。

在Hug看来，未来最重要的突破或许并不来自全新的硬件设备，而是来自驾驭这些设备的智能工具而是来自如何更智能地运行和控制这些设备。她指出：“仅仅拥有数据本身是不够的。”真正的挑战在于开发更加先进的预测、优化和控制算法，将不断增长的数据转化为可指导实际运行的决策。

尽管面临诸多挑战，Hug依然保持乐观。“我们已经拥有所需的技术，”她说，“构建可持续能源系统所需要的技术条件已经具备。接下来，很大程度上取决于政策制定者的行动、政治层面的决策，以及我们选择以何种方式向前推进。”