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構建新型電力系統(tǒng) 助力實現(xiàn)“雙碳”目標

2023-06-30 10:15 來源:科技日報 次閱讀
 
構建新型電力系統(tǒng) 助力實現(xiàn)“雙碳”目標

“近年來我國新建與計劃建設煤電機組的節(jié)能減排、靈活調節(jié)等方面性能優(yōu)異,而且具有較強的有功調節(jié)和電壓支撐能力,同時可為電網(wǎng)提供必要的轉動慣量,對電力系統(tǒng)安全運行有不可替代的支撐作用。若采用簡單關停方式處理,既可能造成大規(guī)模存量資產(chǎn)閑置浪費,也不利于一定時期內能源供應平穩(wěn)過渡,需要尋求合理的措施手段推進煤電機組轉型。”

  “雙碳”目標下,風電、太陽能發(fā)電等各類新能源項目建設正加速推進,諸多新要素的加入使電力系統(tǒng)復雜性成倍增長,給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來挑戰(zhàn)。

  新型電力系統(tǒng)新在哪?建設新型能源體系的背景是什么,有什么特殊意義?記者日前就此采訪了中國科學院院士周孝信。

  我國正處于第三代電力系統(tǒng)初級發(fā)展階段

  記者:您曾經(jīng)做過一個關于世界電力系統(tǒng)發(fā)展階段的調研,提出我國電網(wǎng)的發(fā)展歷程和世界電網(wǎng)的整體發(fā)展歷程類似。根據(jù)您的調研,新型電力系統(tǒng)在我國電網(wǎng)發(fā)展歷程中處于什么階段,為什么要提出新型電力系統(tǒng)概念?

  周孝信:新型電力系統(tǒng)的概念是2021年3月中央財經(jīng)委員會第九次會議上首次提出的,此后,《2030年前碳達峰行動方案》《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》,進一步將“構建新型電力系統(tǒng)”作為重點工作任務?;仡?9世紀末以來國內外100多年的電力系統(tǒng)發(fā)展歷程,可以發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)的發(fā)展具有明顯代際演化特征。20世紀50年代之前,全球電力系統(tǒng)均以小機組、低電壓、小電網(wǎng)為特征,電壓等級一般在220千伏及以下水平,可以稱之為第一代電力系統(tǒng);20世紀50年代后,發(fā)電機組單機容量大幅提升,輸電電壓等級升高至330千伏至750千伏的超高壓水平,電力系統(tǒng)的規(guī)??焖贁U張,逐步形成交直流混合大規(guī)?;ヂ?lián)電網(wǎng),到20世紀末,以大機組、超高壓、大電網(wǎng)為主要特征的電力系統(tǒng)在主要發(fā)達國家基本形成,可以稱為第二代電力系統(tǒng)。

  我國第二代電力系統(tǒng)的建設始于國內首座容量超過百萬千瓦的甘肅劉家峽大型水電站,配套建設的330千伏超高壓輸電線將電力送往甘肅、陜西、青海、寧夏4省區(qū),形成了我國首個超高壓跨省區(qū)域電力系統(tǒng)。通過20世紀末期25年的持續(xù)努力,我國已在全國范圍建成超高壓、交直流輸電的特大規(guī)?;ヂ?lián)電網(wǎng),形成第二代電力系統(tǒng)。

  20世紀90年代以來,人們逐漸認識到第二代電力系統(tǒng)高度依賴化石能源,是一種不可持續(xù)的發(fā)展模式,從而開啟了對第三代電力系統(tǒng)的探索和實踐。

  隨著風、光、水等可再生能源發(fā)電快速發(fā)展,特高壓輸電和智能電網(wǎng)技術飛躍進步,我國電力系統(tǒng)建設進入新階段,開始著力推進以可再生能源和清潔能源發(fā)電為主、骨干電源與分布式電源結合、主干電網(wǎng)與局域配網(wǎng)和分布式微網(wǎng)協(xié)調運行的綜合能源電力系統(tǒng),可以稱之為第三代電力系統(tǒng)。新型電力系統(tǒng)就是這一階段的最終形態(tài),是能源轉型要求下必須探求的一種可持續(xù)發(fā)展模式,當前我國電力系統(tǒng)處在第三代電力系統(tǒng)的初級發(fā)展階段,正向著新型電力系統(tǒng)方向發(fā)展。

  新型電力系統(tǒng)主要具有6個技術特征

  記者:相對傳統(tǒng)電力系統(tǒng),我國提出構建的新型電力系統(tǒng)主要有哪些特征?

  周孝信:“雙碳”目標下,我國新型電力系統(tǒng)主要具有6個技術特征。一是高比例可再生能源電力系統(tǒng)。這是最顯著的特征,是電力系統(tǒng)升級換代的重要標志。二是高比例電力電子裝備電力系統(tǒng)。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)以電磁變換裝備為主,隨著超大規(guī)模交直流輸電及大量新能源機組接入系統(tǒng),電力電子裝備并網(wǎng)數(shù)量會不斷提升、范圍不斷擴大,系統(tǒng)運行特性可能發(fā)生很大改變。三是多能互補綜合能源電力系統(tǒng)。未來的電力系統(tǒng)不僅具有傳統(tǒng)的電能生產(chǎn)傳輸?shù)膯我还δ?#xff0c;還要實現(xiàn)風、光、水、煤等資源協(xié)同互補,電、熱、冷、氣綜合利用。四是數(shù)字化智能化智慧能源電力系統(tǒng)。隨著技術高速發(fā)展,先進傳感量測、信息通信等手段將與電力系統(tǒng)深度融合,形成高效運行、用戶友好的智慧能源系統(tǒng)。五是清潔高效低碳零碳電力系統(tǒng)。這一點是“雙碳”目標對電力系統(tǒng)發(fā)展的必然要求,即實現(xiàn)清潔能源開發(fā)利用規(guī)模增加、系統(tǒng)總體能源利用效率提升、二氧化碳排放有效控制,為能源轉型奠定基礎。六是高韌性本質安全可靠電力系統(tǒng)。集中分布并舉的生產(chǎn)供應和消費是未來電力系統(tǒng)重要結構模式,這種特征下的電網(wǎng)形態(tài)和電源布局,將會從結構設計層面,增強系統(tǒng)應對不確定性風險和故障的能力,從根本上實現(xiàn)“高韌性”意義上的“本質安全”和可靠性提高。

  記者:保證具有上述各項特征的新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行,需要滿足哪些方面的性能要求?

  周孝信:電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定和經(jīng)濟運行有五項性能要求。一是靈活性,即應對系統(tǒng)中電源出力和負荷需求的短期和中長期波動時,保持正常穩(wěn)態(tài)運行的調節(jié)能力,這是電力系統(tǒng)源荷平衡保持正常運行的必要條件。二是韌性,即極端氣候或外力嚴重干擾下,系統(tǒng)快速恢復電力供應的能力,這是電力系統(tǒng)應對突發(fā)事件的必備條件。三是穩(wěn)定性,即系統(tǒng)承受各類擾動后保持暫態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定的能力,這是電力系統(tǒng)正常和擾動后安全穩(wěn)定運行的基本條件。四是可靠性,即系統(tǒng)不間斷地向用戶供電能力的度量,這是電力系統(tǒng)安全運行的基礎條件。五是經(jīng)濟性,即建立在市場或非市場基礎上,系統(tǒng)能量損失最小或經(jīng)濟社會效益最大化的運行機制體現(xiàn),是電力系統(tǒng)為社會提供優(yōu)質服務的前提條件。

  記者:目前新型電力系統(tǒng)建設還面臨哪些挑戰(zhàn)?

  周孝信:在靈活性方面,新型電力系統(tǒng)可再生能源占比高,而這類電源具有較強的間歇性、波動性和隨機性,調節(jié)能力也相對較弱,系統(tǒng)面臨巨大的靈活調節(jié)需求。

  在韌性方面,風電、太陽能、水能發(fā)電對氣候較為敏感,加之全球氣候變化加劇,電力系統(tǒng)對在極端氣候條件下快速恢復供電的韌性需求更為頻繁和迫切。

  在穩(wěn)定性方面,新型電力系統(tǒng)將面臨系統(tǒng)低慣性、頻率電壓穩(wěn)定、寬頻振蕩,以及信息物理系統(tǒng)、多能耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性等多重挑戰(zhàn)。

  在可靠性方面,電力電子器件過載能力弱、抵御故障能力差及新能源發(fā)電的不確定性,均影響風電、太陽能發(fā)電入網(wǎng)設備和系統(tǒng)供電的可靠性。

  在經(jīng)濟性方面,“雙碳”目標下,能源轉型過程中需有效化解電力成本的提高,建立有利于系統(tǒng)經(jīng)濟高效運行及綠色低碳轉型的市場化機制。

  燃煤發(fā)電是我國電源結構的劣勢也是優(yōu)勢

  記者:為應對這些挑戰(zhàn),我國未來電力系統(tǒng)需要重點關注和發(fā)展哪些關鍵技術?

  周孝信:我們認為未來可能有10類具有全局性影響的關鍵技術需求,包括:可再生能源發(fā)電和綜合利用技術、燃煤發(fā)電提高靈活性和CCUS技術、新型電力電子元器件裝置和系統(tǒng)技術、新型儲能技術、綠色氫能生產(chǎn)儲運轉化和應用技術、新型輸電和超導綜合輸能技術、新型電力系統(tǒng)理論體系及運行控制技術、綜合能源電力系統(tǒng)技術、數(shù)字化智能化能源互聯(lián)網(wǎng)技術、綜合能源電力市場技術。

  記者:我國目前還有很大規(guī)模的存量傳統(tǒng)煤電機組,如何科學合理地推動煤電轉型升級,更好服務新型電力系統(tǒng)建設?

  周孝信:燃煤發(fā)電是我國電源結構的劣勢也是優(yōu)勢。我國煤電機組服役年限普遍較短,隨著技術水平提升,近年來新建與計劃建設機組的節(jié)能減排、靈活調節(jié)等方面性能優(yōu)異,而且具有較強的有功調節(jié)和電壓支撐能力,同時可為電網(wǎng)提供必要的轉動慣量,對電力系統(tǒng)安全運行有不可替代的支撐作用。若采用簡單關停方式處理,既可能造成大規(guī)模存量資產(chǎn)閑置浪費,也不利于一定時期內能源供應平穩(wěn)過渡,需要尋求合理的措施手段推進煤電機組轉型。

  我們提出了一種“綜合能源生產(chǎn)單元”的設想,融合煤電機組碳捕集、生物質混燃、可再生能源電解水制氫、甲烷/甲醇/氨合成等技術,期望能將其作為煤電轉型路徑的一種備選方案。一方面,它可充分利用并發(fā)揮煤電資源的基礎性保障和調節(jié)能力,為高比例新能源電力系統(tǒng)提供靈活性支撐;另一方面,它生產(chǎn)的氫氣及其衍生物,可作為綠色燃料或化工原料產(chǎn)品,為化石能源替代提供一定的來源補充,并可作為未來新型電力系統(tǒng)的一種儲能介質,在保證短期及中長期能源電力可靠供應中發(fā)揮重要作用。(本報記者 陳 瑜)

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