能源結構的重大變革，將給未來電網(wǎng)帶來一系列重大挑戰(zhàn)。如何從改變電網(wǎng)的結構和運行模式等方面入手，解決未來電網(wǎng)發(fā)展中的關鍵技術問題，就成為一個值得深入研究和探討的問題。如果將大量的多種電力資源“打包”在一起，則資源的互補性可以使得“電力包”成為相對穩(wěn)定和可控的資源。
未來電網(wǎng)各種電力資源的互補性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
時間上的互補性
一些資源只在某一時段可獲得，而另外一些資源則在另一些時段顯得更加充足或在另一些時段根據(jù)需求被利用起來。由于時差的原因，東西部地區(qū)的太陽能就具有時間上的互補性。水電資源具有一定的可控性，可以通過調(diào)節(jié)水電站的發(fā)電功率和庫容量來實現(xiàn)對太陽能或風能的補償作用。例如，在24小時之內(nèi)，可在風能和太陽能等充足的時候，適當減少水電功率并增加庫容量;而在太陽能和風能減少的時候，適當增加水電功率。生物質(zhì)能相對于其他可再生能源而言，具有更好的時間上的互補性，因為生物質(zhì)能是一種可以大量儲存的能源資源，只要任何時候缺少來自太陽能和風能的電力，均可以啟動生物質(zhì)能發(fā)電來予以補充。
我國水電資源的理論儲量為6.88億千瓦，技術上可以開發(fā)利用的水電資源總量達到5.4億千瓦，經(jīng)濟上可開發(fā)量達到4億千瓦(相當于2010年發(fā)電總裝機的40%)，目前已開發(fā)的水電總裝機超過了2億千瓦，仍有很大的開發(fā)潛力。2010年，我國可以利用的各種生物質(zhì)資源相當于3億噸標準煤。據(jù)估計，到2050年，可利用的生物質(zhì)能將達到10億噸標準煤。按照年滿發(fā)5500小時計算的話，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)電裝機將大大高于5億千瓦。據(jù)嚴陸光院士等研究報告的預測，到2050年，我國的總發(fā)電裝機將達到24億千瓦。即使2050年我國太陽能發(fā)電與風力發(fā)電的裝機分別達到5億千瓦和4億千瓦，水電和生物質(zhì)能在時間上可以與太陽能和風能等形成很好的互補，實際上可以起到大容量儲能系統(tǒng)的作用。
空間上的互補性
所謂空間上的互補性，是指在同一時刻不同地點的能源資源具有互補性。在可再生能源中，風能是最不穩(wěn)定的能源。德國的有關研究表明：對單個風電場的24小時預測誤差達到15%，單個控制區(qū)(400×400km)的誤差則為7.5%~10%，而全德國(650×800km)的誤差僅為5%~6.5%，這說明范圍越大則資源互補性越強。美國特拉華大學和紐約石溪大學最近發(fā)表了有關不同地點風力的研究數(shù)據(jù)，美國東部沿海跨度達2500公里的11個氣象站近5年的風力統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：盡管每一個觀測點的風力出現(xiàn)很大的不穩(wěn)定性，但如果利用輸電線路將建立在這11個地點的風電場全部連起來作為一個統(tǒng)一的風電場，則很少會出現(xiàn)低功率或者滿發(fā)的情況。與單個風電場相比，11個風電場的總功率變化會顯得比較緩慢，而且永遠不會出現(xiàn)沒有風電的情況。由此可見，如果將大范圍內(nèi)的風電場聯(lián)成一個統(tǒng)一的整體，其發(fā)電功率具有顯著的互補性。
不同發(fā)電方式之間的互補性
不同的可再生能源發(fā)電方式，其輸出響應特性也不盡相同，這在形式上也可以表現(xiàn)為互補性。例如，光伏發(fā)電功率受光強度的變化而實時變化;而對于太陽能熱發(fā)電來說，則由于熱力系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)較大，其發(fā)電功率不僅不會隨光照強度變化而實時變化，而且還可以通過短時調(diào)節(jié)換熱功率而調(diào)節(jié)其輸出功率，因為熱力系統(tǒng)可以儲存部分熱量。同樣，對于風力發(fā)電來說，不同類型風力發(fā)電機的啟動風速不盡相同。此外，不同高度下，單位面積的有效風功率也不同。因此，如果在同一風電場采用不同類型的風機并實施統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，則可以使整個風電場的功率輸出變得更加平滑一些。
電動汽車充電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用
電動汽車的動力電池是未來電網(wǎng)中主要的負荷之一，事實上，這種負荷也同樣可以看成是電源資源。因為，我們可以在風能或太陽能比較充足的時候提高充電速度，而在它們相對少的時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，我們認為換電池模式是未來電動汽車充電的主要模式，因此電動汽車電池充電系統(tǒng)可以根據(jù)電網(wǎng)的實際情況變化來充電。
據(jù)估計，我國現(xiàn)有汽車保有量約8500萬輛，到2020年，我國汽車保有量將達到1.5億輛。如果按照2050年我國汽車保有量達到4億輛計算，其中一半是電動汽車(即2億輛)。假設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5000萬輛汽車需要充電。由于太陽能和風能的年有效利用小時數(shù)約為2000小時，則可折合為日平均有效利用時間為5.5小時。以每組動力電池的額定充電功率為15千瓦計算，并考慮到其充電速度可以根據(jù)太陽能或風能的變化而調(diào)節(jié)充電速度，以平均充電功率為10千瓦計算(即大約從5千瓦~15千瓦范圍內(nèi)調(diào)節(jié))，則5.5小時內(nèi)可以充電約55度(相當于充滿一次可行駛約275公里)。由此可以看出，太陽能和風能的日平均有效利用小時數(shù)大致相當于一組電動汽車動力電池的平均充電時間，而每組充電系統(tǒng)可以響應太陽能與風能變化的功率可以達到10千瓦，即全國的電動汽車充電設施可以用于電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)的總功率可以達到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)具有的互補作用，則5億千瓦的功率具有相當大的調(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，但是如果充分利用這些資源在時空上和發(fā)電方式上的互補性并利用水電、生物質(zhì)發(fā)電和電動汽車充電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用(即將各種資源有機“打包”在一起)，那么即使不安裝大量的儲能系統(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。
