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周孝信院士:构建新型电力系统 助力实现“双碳”目标

信息来源:科技日报 发布时间:2023-06-30 浏览量:813

“近年来我国新建与计划建设煤电机组的节能减排、灵活调节等方面性能优异,而且具有较强的有功调节和电压支撑能力,同时可为电网提供必要的转动惯量,对电力系统安全运行有不可替代的支撑作用。若采用简单关停方式处理,既可能造成大规模存量资产闲置浪费,也不利于一定时期内能源供应平稳过渡,需要寻求合理的措施手段推进煤电机组转型。”


“双碳”目标下,风电、太阳能发电等各类新能源项目建设正加速推进,诸多新要素的加入使电力系统复杂性成倍增长,给电力系统的安全稳定运行带来挑战。


新型电力系统新在哪?建设新型能源体系的背景是什么,有什么特殊意义?记者日前就此采访了中国科学院院士周孝信。



我国正处于第三代电力系统初级发展阶段


记者:您曾经做过一个关于世界电力系统发展阶段的调研,提出我国电网的发展历程和世界电网的整体发展历程类似。根据您的调研,新型电力系统在我国电网发展历程中处于什么阶段,为什么要提出新型电力系统概念?


周孝信:新型电力系统的概念是2021年3月中央财经委员会第九次会议上首次提出的,此后,《2030年前碳达峰行动方案》《“十四五”现代能源体系规划》,进一步将“构建新型电力系统”作为重点工作任务。回顾19世纪末以来国内外100多年的电力系统发展历程,可以发现电力系统的发展具有明显代际演化特征。20世纪50年代之前,全球电力系统均以小机组、低电压、小电网为特征,电压等级一般在220千伏及以下水平,可以称之为第一代电力系统;20世纪50年代后,发电机组单机容量大幅提升,输电电压等级升高至330千伏至750千伏的超高压水平,电力系统的规模快速扩张,逐步形成交直流混合大规模互联电网,到20世纪末,以大机组、超高压、大电网为主要特征的电力系统在主要发达国家基本形成,可以称为第二代电力系统。


我国第二代电力系统的建设始于国内首座容量超过百万千瓦的甘肃刘家峡大型水电站,配套建设的330千伏超高压输电线将电力送往甘肃、陕西、青海、宁夏4省区,形成了我国首个超高压跨省区域电力系统。通过20世纪末期25年的持续努力,我国已在全国范围建成超高压、交直流输电的特大规模互联电网,形成第二代电力系统。


20世纪90年代以来,人们逐渐认识到第二代电力系统高度依赖化石能源,是一种不可持续的发展模式,从而开启了对第三代电力系统的探索和实践。


随着风、光、水等可再生能源发电快速发展,特高压输电和智能电网技术飞跃进步,我国电力系统建设进入新阶段,开始着力推进以可再生能源和清洁能源发电为主、骨干电源与分布式电源结合、主干电网与局域配网和分布式微网协调运行的综合能源电力系统,可以称之为第三代电力系统。新型电力系统就是这一阶段的最终形态,是能源转型要求下必须探求的一种可持续发展模式,当前我国电力系统处在第三代电力系统的初级发展阶段,正向着新型电力系统方向发展。


新型电力系统主要具有6个技术特征


记者:相对传统电力系统,我国提出构建的新型电力系统主要有哪些特征?


周孝信:“双碳”目标下,我国新型电力系统主要具有6个技术特征。


一是高比例可再生能源电力系统。这是最显著的特征,是电力系统升级换代的重要标志。


二是高比例电力电子装备电力系统。传统的电力系统以电磁变换装备为主,随着超大规模交直流输电及大量新能源机组接入系统,电力电子装备并网数量会不断提升、范围不断扩大,系统运行特性可能发生很大改变。


三是多能互补综合能源电力系统。未来的电力系统不仅具有传统的电能生产传输的单一功能,还要实现风、光、水、煤等资源协同互补,电、热、冷、气综合利用。


四是数字化智能化智慧能源电力系统。随着技术高速发展,先进传感量测、信息通信等手段将与电力系统深度融合,形成高效运行、用户友好的智慧能源系统。


五是清洁高效低碳零碳电力系统。这一点是“双碳”目标对电力系统发展的必然要求,即实现清洁能源开发利用规模增加、系统总体能源利用效率提升、二氧化碳排放有效控制,为能源转型奠定基础。


六是高韧性本质安全可靠电力系统。集中分布并举的生产供应和消费是未来电力系统重要结构模式,这种特征下的电网形态和电源布局,将会从结构设计层面,增强系统应对不确定性风险和故障的能力,从根本上实现“高韧性”意义上的“本质安全”和可靠性提高。


记者:保证具有上述各项特征的新型电力系统安全稳定运行,需要满足哪些方面的性能要求?


周孝信:电力系统安全稳定和经济运行有五项性能要求。


一是灵活性,即应对系统中电源出力和负荷需求的短期和中长期波动时,保持正常稳态运行的调节能力,这是电力系统源荷平衡保持正常运行的必要条件。


二是韧性,即极端气候或外力严重干扰下,系统快速恢复电力供应的能力,这是电力系统应对突发事件的必备条件。


三是稳定性,即系统承受各类扰动后保持暂态和动态稳定的能力,这是电力系统正常和扰动后安全稳定运行的基本条件。


四是可靠性,即系统不间断地向用户供电能力的度量,这是电力系统安全运行的基础条件。


五是经济性,即建立在市场或非市场基础上,系统能量损失最小或经济社会效益最大化的运行机制体现,是电力系统为社会提供优质服务的前提条件。


记者:目前新型电力系统建设还面临哪些挑战?


周孝信:在灵活性方面,新型电力系统可再生能源占比高,而这类电源具有较强的间歇性、波动性和随机性,调节能力也相对较弱,系统面临巨大的灵活调节需求。


在韧性方面,风电、太阳能、水能发电对气候较为敏感,加之全球气候变化加剧,电力系统对在极端气候条件下快速恢复供电的韧性需求更为频繁和迫切。


在稳定性方面,新型电力系统将面临系统低惯性、频率电压稳定、宽频振荡,以及信息物理系统、多能耦合系统稳定性等多重挑战。


在可靠性方面,电力电子器件过载能力弱、抵御故障能力差及新能源发电的不确定性,均影响风电、太阳能发电入网设备和系统供电的可靠性。


在经济性方面,“双碳”目标下,能源转型过程中需有效化解电力成本的提高,建立有利于系统经济高效运行及绿色低碳转型的市场化机制。


燃煤发电是我国电源结构的劣势也是优势


记者:为应对这些挑战,我国未来电力系统需要重点关注和发展哪些关键技术?


周孝信:我们认为未来可能有10类具有全局性影响的关键技术需求,包括:可再生能源发电和综合利用技术、燃煤发电提高灵活性和CCUS技术、新型电力电子元器件装置和系统技术、新型储能技术、绿色氢能生产储运转化和应用技术、新型输电和超导综合输能技术、新型电力系统理论体系及运行控制技术、综合能源电力系统技术、数字化智能化能源互联网技术、综合能源电力市场技术。


记者:我国目前还有很大规模的存量传统煤电机组,如何科学合理地推动煤电转型升级,更好服务新型电力系统建设?


周孝信:燃煤发电是我国电源结构的劣势也是优势。我国煤电机组服役年限普遍较短,随着技术水平提升,近年来新建与计划建设机组的节能减排、灵活调节等方面性能优异,而且具有较强的有功调节和电压支撑能力,同时可为电网提供必要的转动惯量,对电力系统安全运行有不可替代的支撑作用。若采用简单关停方式处理,既可能造成大规模存量资产闲置浪费,也不利于一定时期内能源供应平稳过渡,需要寻求合理的措施手段推进煤电机组转型。


我们提出了一种“综合能源生产单元”的设想,融合煤电机组碳捕集、生物质混燃、可再生能源电解水制氢、甲烷/甲醇/氨合成等技术,期望能将其作为煤电转型路径的一种备选方案。一方面,它可充分利用并发挥煤电资源的基础性保障和调节能力,为高比例新能源电力系统提供灵活性支撑;另一方面,它生产的氢气及其衍生物,可作为绿色燃料或化工原料产品,为化石能源替代提供一定的来源补充,并可作为未来新型电力系统的一种储能介质,在保证短期及中长期能源电力可靠供应中发挥重要作用。