Tendencias y direcciones del desarrollo de la red eléctrica
El informe anual 2015-2022 publicado por la Red de Investigación Industrial de China muestra que en los últimos años, la escala de inversión en la infraestructura de la red eléctrica de mi país ha seguido expandiéndose y la proporción ha aumentado constantemente. Se han iniciado, completado y puesto en funcionamiento numerosos proyectos de redes eléctricas de fama mundial. En 2012, la inversión en construcción del proyecto State Grid fue de 369,3 mil millones de yuanes, un aumento de 0,2 con respecto al año anterior. Frente al rápido desarrollo de nuevas fuentes de energía, como la energía eólica y la fotovoltaica, ha comenzado a surgir la moderna arquitectura de la red eléctrica de mi país, caracterizada por la utilización a gran escala de energía renovable e inteligencia.
En 2013, la inversión en la construcción de redes eléctricas en todo el país fue de 389.400 millones de yuanes, un aumento interanual del 5,44%. La tasa de crecimiento interanual de la inversión en redes eléctricas (cantidad acumulada mensual) generalmente muestra las características de "alta al principio y luego baja". A finales de 2014, la longitud de las líneas de transmisión del país con 220 kV y más y la capacidad de equipamiento de las subestaciones públicas eran de 572.000 kV y 3.027 millones de KVA respectivamente, un aumento interanual de 5,2 y 8,8.
En marzo de 2015 se emitió el “Varios Dictamenes para Profundizar la Reforma del Sistema Eléctrico”. Abrir el mercado para introducir competencia en el lado de la generación de energía y en el lado de la venta de electricidad, y el precio será determinado por el mercado. Al mismo tiempo, se romperá el monopolio de las empresas de redes eléctricas. En la actualidad, la construcción de redes eléctricas se ha convertido en la dirección principal de la construcción de energía en mi país y las perspectivas para la construcción de redes eléctricas son atractivas. Durante el período del "Decimotercer Plan Quinquenal", la escala de la inversión en la red eléctrica de mi país continuó expandiéndose. Para 2020, se habrá construido completamente una red inteligente unificada y fuerte y se alcanzará inicialmente el objetivo de construir una red eléctrica de clase mundial.
La inversión en redes eléctricas de mi país siempre ha sido un monopolio. Entre ellas, China Southern Power Grid es responsable de invertir, construir y operar redes eléctricas en las cinco provincias del sur de Guangdong, Guangxi, Yunnan, Guizhou y. Hainan State Grid Corporation de China es responsable de invertir, construir y operar redes eléctricas en todo el país. Al mismo tiempo, empresas locales de suministro de energía, como Inner Mongolia Electric Power Company, Shaanxi Local Electric Power Group, Guangxi Water Conservancy and Electric Power Group, Sichuan Hydropower Investment and Operation Group y Shanxi International Electric Power Group, han invertido en pequeñas redes eléctricas. en la provincia, y la inversión en la red de distribución de China ha comenzado a tomar forma. El suministro de energía de los dos gigantes State Grid y China Southern Power Grid representó más del 90% del suministro de energía del país, alcanzando un máximo del 97% en 2013. Aunque la proporción ha disminuido desde entonces, se ha mantenido estable por encima de 90, lo que es una ventaja absoluta. Las empresas de suministro de energía en otros lugares representan menos del 10% del mercado de suministro de energía.
Después de más de 100 años de desarrollo, la escala y la estructura de la red eléctrica han sufrido grandes cambios, desde la red eléctrica local inicial de pequeña escala hasta la red eléctrica regional de mediana escala, y luego hasta la actual. red eléctrica interconectada interregional. Hoy en día, la red eléctrica ha proporcionado aproximadamente una cuarta parte de la energía terminal humana y se ha convertido en una parte importante del sistema energético moderno. La proporción de electricidad en la estructura del consumo final de energía se ha convertido en uno de los indicadores del grado de desarrollo de un país.
La futura red eléctrica mostrará las siguientes tendencias de desarrollo importantes: En primer lugar, la energía renovable se convertirá en la principal fuente de energía primaria de la red eléctrica. En segundo lugar, la estructura de la red eléctrica y los métodos de operación sufrirán cambios importantes. En tercer lugar, las nuevas tecnologías de materiales se utilizarán ampliamente en las redes eléctricas. Cuarto, la red eléctrica física estará altamente integrada con los sistemas de información.
En un sentido amplio, la red eléctrica es un conjunto unificado de equipos de generación de energía, equipos de transmisión y distribución de energía y equipos de consumo de energía con una determinada estructura y modo de operación. Entonces, ahora que hay un generador y su correspondiente sistema de suministro de energía, hay red eléctrica. En 1882, Edison Company construyó la primera central eléctrica de CC formal del mundo y el correspondiente sistema de suministro de energía en Nueva York, que puede considerarse la primera red eléctrica verdadera de la humanidad. Sin embargo, como era imposible aumentar el voltaje de CC en ese momento, la distancia y la capacidad de transmisión eran muy limitadas, por lo que Tesla inventó el alternador y la tecnología de transmisión de CA multifásica en 1887. En 1897, se puso en funcionamiento el primer alternador de Westinghouse en la central hidroeléctrica de Niágara, suministrando energía a Buffalo, a 35 kilómetros de distancia, sentando así las bases de la red eléctrica moderna.
Después de más de 100 años de desarrollo, la forma básica de la red eléctrica no ha cambiado fundamentalmente, es decir, la forma básica de la red eléctrica se basa en materiales conductores básicos como el cobre y el aluminio, tradicionales. equipos eléctricos y fuentes de energía gestionables (como combustibles fósiles, energía hidroeléctrica, energía nuclear) como principal fuente de energía primaria, utilizando CA como modo de funcionamiento. Sin embargo, la escala y la estructura de la red eléctrica han sufrido grandes cambios, es decir, desde la red eléctrica local inicial de pequeña escala a la red eléctrica regional de mediana escala, y luego a la red eléctrica interconectada interregional actual. Por ejemplo, en 2012, la capacidad total instalada de generación de energía de mi país era cercana a los 1.200 millones de kilovatios, y la generación total anual de energía era cercana a los 5 billones de kilovatios hora. La red eléctrica de China ha formado básicamente un patrón general de "transmisión de energía de oeste a este, suministro mutuo de norte a sur e interconexión a nivel nacional". Ha cubierto la mayor parte del país y se ha convertido en una de las redes eléctricas más grandes del mundo. . Hoy en día, la red eléctrica ha proporcionado aproximadamente una cuarta parte de la energía terminal humana y se ha convertido en una parte importante del sistema energético moderno. La proporción de electricidad en la estructura del consumo final de energía se ha convertido en uno de los indicadores del grado de desarrollo de un país.
De cara al futuro, creemos que la futura red eléctrica mostrará las siguientes tendencias de desarrollo importantes:
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La energía renovable se convertirá en la principal energía primaria. fuente en la red eléctrica.
El ser humano se ha dado cuenta de que la energía fósil es insostenible y es necesario desarrollar vigorosamente energías renovables para sustituirla. Esto se debe a que: (1) Es difícil que la energía nuclear se convierta en la fuente de energía dominante antes de mediados de este siglo. Las materias primas para la energía de fisión nuclear también son recursos limitados, y su utilización plantea riesgos para la seguridad, y la eliminación de residuos nucleares también es complicada. Dado que el uso de la energía de fisión nuclear también afecta al entorno de seguridad internacional, la exportación de tecnología de energía de fisión nuclear está actualmente estrictamente controlada por los tratados internacionales pertinentes. Aunque la fusión nuclear puede satisfacer las necesidades de desarrollo de la humanidad a largo plazo, sus perspectivas de aplicación aún no están claras. El ITER (Reactor Internacional de Fusión Termonuclear) planea construir su primera central eléctrica de demostración a mediados de siglo. (2) La energía renovable es una energía verde sostenible y la cantidad que se puede extraer es suficiente para el uso humano. Según el análisis estadístico, la energía solar que recibe la Tierra es 10.000 veces la demanda energética total actual de la humanidad. La cantidad total de energía eólica en la Tierra también ha alcanzado 5 veces la demanda energética total actual de la humanidad. Si se incluyen los recursos hidroeléctricos, la energía de biomasa, la energía geotérmica y la energía oceánica, la cantidad total de energía renovable es aún mayor. Esto demuestra que las energías renovables tienen un gran potencial de desarrollo. (3) Las energías renovables han logrado grandes avances en la actualidad. Con el avance continuo de la tecnología, el costo unitario de la generación de energía renovable está disminuyendo año tras año. Según las predicciones de países y regiones desarrollados como Europa, Estados Unidos y Japón, la generación de energía fotovoltaica básicamente podrá alcanzar la paridad de red para 2020. (4) La comunidad internacional ha reconocido que las energías renovables seguirán desarrollándose rápidamente en el futuro y se convertirán gradualmente en la fuente de energía dominante. Por ejemplo, en 2012, el "World Energy Outlook 2012" publicado por la Agencia Internacional de Energía (AIE) predijo las tendencias energéticas globales antes de 2035: para 2015, la energía renovable se convertirá en la segunda fuente de energía más grande del mundo y cerca de la primera. fuente de energía. --carbón. El Centro de Investigación de la Unión Europea predice que la energía renovable representará el 52% de la demanda energética total en 2050. Dado que el principal uso de las energías renovables es la generación de energía, si la energía utilizada por los seres humanos en el futuro procederá principalmente de energías renovables, entonces la energía primaria de la red eléctrica también procederá principalmente de energías renovables.
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La estructura y funcionamiento de la red eléctrica sufrirá cambios importantes.
Las redes eléctricas modernas tienen problemas como estructuras irrazonables y la seguridad y estabilidad inherentes de las redes eléctricas de CA, que deben resolverse con urgencia. A medida que se conecte cada vez más energía renovable a la red eléctrica, traerá una serie de nuevos desafíos severos a la red eléctrica, que son causados principalmente por la falta de despacho, la volatilidad, la dispersión, la diversidad de los métodos de generación de energía y Determinado por las características como la complementariedad espacio-temporal. "La estructura determina la función y el modelo determina el éxito o el fracaso". Por lo tanto, cambiar la estructura y el modo de funcionamiento de la red eléctrica es uno de los medios importantes para resolver los problemas existentes y afrontar los desafíos futuros. (1) Desde el punto de vista estructural, debido al desajuste en la distribución geográfica de los recursos energéticos futuros y los recursos de carga, la energía renovable tiene una buena complementariedad espaciotemporal en un área amplia, por lo que es necesario mantener y desarrollar una gran red eléctrica de escala adecuada. Al mismo tiempo, debido a la naturaleza descentralizada de la energía renovable, la generación de energía distribuida utilizando recursos locales y microrredes para usuarios finales también aparecerá en grandes cantidades. Por lo tanto, la estructura de la futura red eléctrica presentará una situación en la que habrá grandes redes y microrredes. coexistir.
En segundo lugar, para garantizar la seguridad y fiabilidad del suministro eléctrico, es necesario desarrollar una red en anillo. De acuerdo con los diferentes niveles de voltaje, se debe utilizar una red de estructura de anillo de múltiples niveles para interconectar niveles adyacentes y redes eléctricas de anillo en diferentes regiones en el mismo nivel para construir una estructura de red de múltiples niveles. (2) En términos de modo de funcionamiento, es necesario desarrollar un modelo de red CC o un modelo de red híbrida CA/CC. Esto se debe a que la red de transmisión de CC no tiene los problemas de estabilidad inherentes de la red de transmisión de CA. Por lo tanto, el uso de una red de transmisión de CC resolverá fundamentalmente los problemas inherentes de seguridad y estabilidad de la red de transmisión de CA. Desde la perspectiva de las redes de distribución y las microrredes, las cargas de CC representarán una proporción considerable en el futuro, y las fuentes de energía distribuidas (como la generación de energía fotovoltaica o el almacenamiento de energía) también funcionarán en modo CC. Al mismo tiempo, se debe adoptar un modelo de “operación estratificada y dividida, coordinación e interacción general” para lograr plenamente la utilización optimizada y complementaria de diversos recursos en un área amplia y el respaldo y apoyo mutuos entre las redes eléctricas regionales. Los cambios en la estructura y el modelo de la red eléctrica traerán muchas oportunidades para la innovación tecnológica y merecen atención.
Tres
La nueva tecnología de materiales se utilizará ampliamente en la red eléctrica.
Una vez determinados la estructura y el método de la red eléctrica, el rendimiento operativo de la red eléctrica depende en gran medida de los equipos eléctricos. Los equipos eléctricos están hechos de diversos materiales según las estructuras y características específicas. Los materiales varían mucho y en gran medida determina directamente el rendimiento de los equipos eléctricos. En los últimos 100 años, la innovación más influyente en el desarrollo de la red eléctrica provino de la invención de nuevas tecnologías de materiales: dispositivos electrónicos de potencia y su aplicación en la red eléctrica. La innovación fundamental de inventos tecnológicos como los pararrayos de óxido de zinc, los disyuntores de hexafluoruro de azufre y los cables compuestos de fibra de carbono radica en la aplicación de nuevos materiales. De cara al futuro, con el desarrollo continuo de nuevas tecnologías de materiales, las nuevas tecnologías de materiales se utilizarán ampliamente en la red eléctrica. (1) En primer lugar, los dispositivos y equipos electrónicos de alto voltaje y alta potencia (como los dispositivos semiconductores de banda prohibida amplia) harán que la conversión y el control de la energía de alto voltaje y alta potencia sean tan flexibles y eficientes como el procesamiento de información mediante Circuitos integrados (en realidad, la conversión y control de energía eléctrica de bajo voltaje y pequeña corriente). Dado que una gran cantidad de energía renovable en la futura red eléctrica es impredecible, la demanda de energía de los usuarios también es diversa y cambia en cualquier momento. Por lo tanto, el propósito de la conversión y el control de la energía es convertir energía impredecible en energía que pueda satisfacer al usuario. necesidades. . En este sentido, el uso generalizado de dispositivos y equipos electrónicos de potencia permitirá que la red eléctrica procese y distribuya electricidad de la misma manera que una red informática procesa y distribuye recursos de información. Por lo tanto, la red eléctrica del futuro puede considerarse como una "energía". Red informática" a través de la cual varios Una variedad de recursos de energía se organizan, vinculan y controlan orgánicamente para proporcionar a los usuarios energía confiable. Por lo tanto, esta "red de computación energética" también puede denominarse "red eléctrica en la nube" y los usuarios obtienen energía confiable de la "nube". (2) La invención y el uso de nuevos materiales para electrodos de alto rendimiento, materiales de almacenamiento de energía, materiales dieléctricos, materiales de alta resistencia, membranas de intercambio de protones y materiales de almacenamiento de hidrógeno harán realidad los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica de alta eficiencia y bajo coste y entran en miles de hogares, optimizando así el funcionamiento de la red, simplificando la estructura y el control de la red y haciendo frente a las fluctuaciones del suministro de energía y los fallos de la red. Los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica, al igual que los sistemas de almacenamiento de información en las redes informáticas, son necesarios para la red eléctrica del futuro. (3) La aplicación de materiales superconductores de alto rendimiento en las redes eléctricas reducirá en gran medida la pérdida, el peso y el volumen de los equipos eléctricos y aumentará la capacidad y flexibilidad máximas de los equipos eléctricos. Los limitadores de corriente superconductores también pueden limitar eficazmente las corrientes de falla y proteger la seguridad y estabilidad de otros equipos eléctricos y de toda la red eléctrica. Por esta razón, el Departamento de Energía de Estados Unidos incluso considera la tecnología superconductora como "la única reserva de alta tecnología para la industria energética en el siglo XXI". (4) Otros materiales nuevos, como nanocompuestos, materiales dieléctricos no lineales con control de campo (incluidos campo eléctrico y campo magnético) y control de temperatura, materiales de varistor de baja tensión residual, nuevos materiales aislantes, materiales de cambio de fase aislante-metal, nuevos materiales ferromagnéticos y Los materiales de sensores de potencia de alta eficiencia y baja energía (como materiales de magnetorresistencia gigantes, cristales piezoeléctricos, materiales termoeléctricos, etc.) se utilizarán ampliamente en las redes eléctricas del futuro.
Cuatro
La red eléctrica física estará altamente integrada con los sistemas de información.
Si se compara la red eléctrica con una persona, entonces la red eléctrica física es el esqueleto, el cuerpo y los órganos humanos, mientras que el sistema de información de la red eléctrica proporciona el equivalente de las capacidades sensoriales, analíticas y de decisión humanas. capacidades de fabricación. La red eléctrica actual no sólo es imperfecta en la capa física, sino que también existe una gran brecha entre la construcción de su sistema de información y las necesidades futuras.
Este aspecto es el concepto de la llamada "red inteligente" del que se ha hablado mucho a nivel internacional en los últimos años. Este artículo no debería repetirlo demasiado. Sin embargo, cabe señalar que, basándose en los equipos eléctricos existentes, la simple mejora del nivel de informatización de la red eléctrica no puede resolver los problemas que enfrentará la futura red eléctrica. Cambiar la estructura y el modo de funcionamiento de la red eléctrica, mejorar el rendimiento de los equipos eléctricos y adoptar equipos eléctricos con nuevas funciones son igualmente importantes, o incluso más fundamentales, para resolver los problemas de la futura red eléctrica. Además, es necesario enfatizar que el uso de materiales innovadores para desarrollar equipos de energía y equipos de protección con funciones adaptativas puede reducir significativamente los requisitos técnicos para la detección, la comunicación y el procesamiento de datos, lo cual es muy importante para mejorar la seguridad, la confiabilidad y la integralidad. beneficios de la red eléctrica favorables. Por lo tanto, es importante no pensar que la aplicación de la tecnología de la información a la red eléctrica lo es todo para el desarrollo futuro de la red eléctrica.