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中国工程院院士 汤广福:加快构建“四化”特征新型电力系统

北极星输配电网  来源:国家电网报  作者:汤广福  2021/10/12 9:10:48  我要投稿  

北极星输配电网讯:电力系统是能源体系的关键组成部分,电力行业碳排放占碳排放总量的40%以上,是我国能源转型与碳减排的主战场。3月15日,习近平总书记主持召开中央财经委员会第九次会议,指出要“实施可再生能源替代行动,深化电力体制改革,构建以新能源为主体的新型电力系统”。这为“双碳”目标下我国电力系统形态演化与技术变革指明了战略方向。

我国能源转型中电力系统面临的挑战

为了构建清洁低碳、安全高效的能源体系,必须大力推进清洁能源的开发利用,风、光、水、核等清洁能源必须转化为电能才能加以利用和转换,因此电力系统在能源转型中将起到核心作用。对我国而言,电力系统在能源转型的要求下,即要满足复杂严苛的外部约束条件,又需应对自身变革带来的多重挑战,其总体难度远超西方国家。

2020年我国发电量为7.51万亿千瓦时,居世界首位。为满足经济社会高质量发展与人民美好生活需要,未来我国用电需求仍将保持增长态势,预计到2060年我国社会用电量将达到15.9万亿千瓦时。而作为规模最大、结构层次最复杂、强非线性和高维特性的人造系统,电力系统又是一个必须保证实时平衡的系统。这使得我国电力系统低碳转型面临诸多挑战。

一是发电资源禀赋制约突出。风电、光伏发电具有显著的间歇性、波动性特征,需要有一定比例的灵活调节电源作为支撑。2020年美国油气发电量占比已超过60%,英国和德国的燃气发电量占比也超过36%和16%,发达国家依靠大量的油气发电,不仅推动了电源的低碳化,也给新能源消纳提供了有力的支撑。我国在一次能源方面呈现富煤、缺油、少气的特点,油气发电量占比很小,缺乏大规模灵活调节电源给我国新能源消纳带来了巨大挑战。

二是电源强随机特性显著。随着未来新能源发电占比大幅增大,电力系统电源从可预测的火电和水电变为随机性更高的新型负荷、难以预测的风电和光伏发电,给系统实时平衡带来巨大挑战。以西北电网为例,其风电的最大日波动幅度达3200万千瓦,相当于一个中型省份的用电负荷。同时,缺乏惯量与自主电压参考的新能源发电装置呈现明显的低抗扰性和弱支撑性,给电网自身的安全及运行控制也带来挑战。

三是源-网-荷-储协调控制困难。未来电源结构与网架形态的演化,将使得电力系统中源、网、荷、储各层级物理特性变化,电力电量平衡难度增大。电源侧和用户侧的集中/分布式新能源大量接入,一方面导致系统潮流分布不确定性急剧增加,另一方面带来电力电子设备间复杂的宽频耦合作用机制,使电网的脆弱性增强并在稳定控制上面临巨大挑战。

四是用户侧供需互动大幅增加。未来电能占终端能源消费比重将进一步加大,同时新能源汽车、储能系统等具备双向能量流动特性的新型负荷占比将大幅提升。这给电力系统的调节能力、服务模式带来全新挑战。根据中国汽车协会预测,2030年我国电动汽车保有量将达到8000万辆。如果这些电动车仍采用无序充电,将会导致电力系统的峰值负荷大幅增加,带来高昂的建设成本,反之如果利用得当,也蕴含着巨大的电网调峰潜力。

五是全环节多维度数字赋能不足。为使新型电力系统的源、网、荷、储等多环节之间实现灵活协调、智能交互,必须全面采用数字化技术。目前我国能源电力系统的数字化水平整体较低,数字技术和物理系统融合不够深入,支撑电网高度智能化运行的能力还不够。同时,我国在人工智能算法、大数据理论等方面的基础理论研究不足,在智能化电力设备所需的高端芯片、核心元器件等方面还存在一些“卡脖子”和短板技术。

六是电力市场机制有待完善。实践证明,市场和技术间应相互协调促进,否则就会阻碍新技术发展与应用。我国现有电力市场机制还不能充分满足高比例新能源电力系统的建设运行需求,市场在资源配置中的作用体现不够。跨省跨区备用、用户参与调频、储能等新业务形态的电价形成机制有待完善。同时,市场还不够开放,投资主体多元化程度不足,推动社会资本有序参与抽蓄、储能等新设施投资建设和长期运营机制不完善。

新型电力系统的“四化”特征

新能源装机、电量占比不断提升带来的量变,将逐步引发电力系统在物理形态和技术框架上产生本质性变化,从而使得新型电力系统呈现出区别于传统电力系统的一些显著特征,可以概括为“四化”,即电力电源清洁化、电力系统柔性化、电力系统数字化、电力系统电力电子化。

(一)电力电源清洁化

电力行业碳排放占碳排放总量的40%以上,因此电源的清洁化是实现碳中和的关键。目前我国电力能源结构仍以化石能源为主体,截至2020年,风电、光伏发电总装机容量占比为24.32%,发电量占比仅为11.2%(火电占比71.2%)。未来电力系统的新能源占比将快速提升,并逐步成为主体和主导电源,预计到2060年,风电、光伏发电装机占比将达70%以上并提供超过55%的电量。

但是,考虑到我国的资源禀赋约束,以及极端条件下的电力可靠供给,我国在较长时期内,仍需维持一定的煤电装机(预计2030和2050年发电量占比将为52%和20%),以充分发挥其在能量平衡与系统稳定支撑中的基石作用。为此,必须大力发展清洁煤电技术,降低其碳排放水平。

通过风、光、水、核、煤等多种发电形式的协同发展,我国最终将形成风光领跑、多元协调的电源结构,从而使电力电源快速实现清洁化,并推动电力系统于2050年左右率先实现“碳中和”。

(二)电力系统柔性化

为了适应发电侧大规模新能源带来的强波动性,必须从多环节入手,全面提升电力系统运行的灵活性和可控性,实现柔性化发展。

一是加强灵活调节电源建设,提升系统灵活性。欧美发达国家的能源转型以大量灵活电源作为支撑,而我国灵活电源比例过低,抽水蓄能和燃气的总发电量占比不足4%,难以支撑更高比例的新能源消纳。因此,必须提高抽水蓄能与燃气发电的装机容量占比,同时通过技术升级,大幅度提升煤电的快速灵活调节能力。

二是提升电网柔性传输能力,重构电网形态。在新型电力系统中,输、配电网不再是单纯的电能传输通道,而是成为能量广域时空互济的纽带,这对电网的拓扑形态和调控能力提出全新要求。如欧洲在2004年就制订了“SuperGrid(超级电网)”建设规划,大力发展柔性输配电技术。目前德国凭借高度柔性化的电力系统,在不足15%的灵活电源装机下,实现了40%以上的新能源电力消纳。这对“缺油少气”的我国具有很好的借鉴意义。因此,我国未来应构建多区域柔性互联的电网架构,充分发挥电网的间接储能作用,提升新能源承载能力。

三是提升电能存储能力,助力电网削峰填谷。为弥补新能源的短期和中长期波动性,规模化的储能是必需的手段。目前,抽水蓄能仍是大规模电能存储的最佳手段,在储能的功率、容量、时长、成本方面均占优势,但是在一定程度上要受到地理条件的限制。各种物理、化学储能技术近年来得到了长足发展,但是离电力系统的需求仍有很大差距。氢能凭借能量密度高、存储时间长的优点,未来有潜力成为跨周、跨季节能量平衡的重要手段。

(三)电力系统数字化

电力系统数字化是通过数字技术与物理系统的深度融合,实现对电力系统的“数字赋能”,从而实现新型电力系统的全面感知与高度智能化运行。

一是提升数字分析水平,加强电网协调控制能力。风、光等新能源发电所采用的双馈式/直驱式风机、光伏逆变器等都使用了电力电子装置,这些电力电子装置代替了原有系统中的机械转动设备,使得系统的动态过程将从常规的机电暂态为主变为电磁暂态为主,分析计算需要在更复杂、更精细化的数学模型与更短的时间尺度下进行,因此必须发展更好的建模、解算方法与软、硬件平台。另外,由于新型电力系统在运行中存在大量强随机波动因素,基于人工离线计算的传统调度手段难以胜任,必须借助人工智能等手段实现高度智能化的调度控制。

二是促进多元用户供需互动,提升需求侧管理水平。通过广域信息采集和互动技术,实现大范围内海量分散电源和负荷之间的协调聚合,使之作为整体深度参与电网供需平衡,可充分释放需求侧主动调节的潜力,缓解电源和负荷的波动性带来的挑战。在这一方面,德国依托E-Energy项目开展了广泛的应用,取得了良好的效果。

三是加强数字与设备融合,提升设备智能化水平。设备是系统构建的物理基础,通过高精度分布式传感、物联网等先进数字技术与设备的深入融合,可实现电力装备与系统的全方位实时化状态感知,为广域智能控制建立信息基础。而我国目前在该领域的高端传感器和核心芯片等技术仍存在欠缺。

(四)电力系统电力电子化

在新能源替代、柔性输变电与新型负荷等多重内、外部需求的共同驱动下,电力电子技术将在新型电力系统的发、输、变、配、用各环节得到更加广泛的应用。预计2060年,我国电力系统中发、输、用各环节的电力电子化程度将达72%、50%和95%以上。随着发电机、变压器等常规电力装置逐渐被电力电子装置所取代,电力系统所需要考虑和控制的频带将从50赫兹左右扩展到数赫兹至数千赫兹的较宽范围,而数以百万计的电力电子装备组成的系统,需要高速的协调控制才能实现良好运行,现有针对传统电力系统的机理、测量、运行、控制方法都难以适用,相关的控制、智能化水平也远远难以支撑。

一是在灵活交流输电方面,我国已全面掌握各类型灵活交流输电装备技术并实现了工程示范和大范围推广。未来的新型电力系统中,灵活交流输电技术将成为动态优化潮流分布、提升高比例新能源条件下系统灵活性和稳定性的重要手段。

二是在特高压直流输电方面,我国自主研制出国际领先的±800千伏和±1100千伏特高压直流核心装备,可实现千万千瓦级电能的超远距离、超大容量传输。在新型电力系统中,特高压直流仍将是“西电东送”战略实施的重要手段。

三是在柔性直流与直流电网方面,我国自主研制出国际领先的柔性直流输电装备,并完成上海、厦门、舟山、渝鄂等系列工程示范,在风电并网、城市供电、大电网互联等方面发挥出重要作用。在此基础上,我国又进一步突破了直流电网技术,在张北建成世界首个直流电网工程,实现了张北地区100%新能源外送,并为绿色冬奥提供了基础设施保障。作为灵活性最高、可控性最好的输电技术,柔性直流和直流电网将在未来的新型电力系统中得到更广泛的应用,成为新能源友好并网与区域电网柔性互联的重要技术手段。

在新型电力系统的“四化”本质特征中,电力电源清洁化是推动能源转型的内在动力;电力系统柔性化是重构电力系统形态的必然趋势;电力系统数字化是升级电力系统的必要手段;“电力系统电力电子化”是重塑电力系统运行控制理论的客观要求。新型电力系统的四大本质特征相辅相成,成为有机融合的整体,也为开展新型电力系统理论和技术研究提供了出发点和落脚点。


原标题:加快构建“四化”特征新型电力系统

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