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周孝信:新型电力系统安全运行须满足五项性能要求

来源:原创     发布时间: 2022/11/8 16:07:55

  能源行业是实现碳达峰、碳中和目标的重点领域和关键环节。实现“双碳”目标,必将伴随着强随机性、波动性的新能源大规模并网,以及电动汽车、分布式电源等交互式设备大量接入。届时,电力系统将呈现高比例新能源、高比例电力电子化的“双高”特点,电力系统在供需平衡、系统调节、稳定特性、配网运行、控制保护和建设成本等方面都将发生显著变化,也将面临一系列新的挑战。

  中国科学院院士、中国电力科学院名誉院长周孝信指出,“双碳”目标将对电力系统带来巨大影响,最主要的变化是可再生能源的比例将大幅度上升,这给电力系统安全稳定经济运行带来新的挑战,构建清洁低碳、灵活高效、具有高韧性本质安全可靠的新型电力系统对推动我国能源转型发展具有重大意义。

  电力系统对推动实现碳达峰、碳中和影响重大

  周孝信指出,根据电力系统的主要特征,其发展历程可以分成三个阶段:第一阶段为20世纪50年代以前,电力系统主要特点是电压低、电网规模小、机组容量小,是电网发展的初级阶段;第二阶段为20世纪50年代至20世纪末,电力工业快速发展,整个电力系统实现从小规模向大规模跨越发展,技术水平快速提高,电网安全性、可靠性显著提升,该阶段的主要特点是大机组、超高压、交直流互联大电网,这一阶段的发展模式高度依赖化石能源,是不可持续的;第三阶段为新一代电力系统,电源以可再生能源等非化石能源发电为主,骨干电源与分布式电源相结合,电网发展模式为主干电网和局部配网、微网并存。总的来说,第三代(新一代)电力系统基于可再生能源和清洁能源,是一种可再生发展的综合能源电力的发展模式。当前的电力系统是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。

  建设中的新型电力系统将逐渐具有高比例可再生能源、高比例电力电子装备、多能互补综合能源、数字化智能化智慧能源、清洁高效低碳零碳、高韧性本质安全可靠等6项主要特征。

  据初步估算分析,2025年我国非化石能源发电装机占比将超过50%,2035年风光发电装机超过总装机容量50%,2050~2060年煤电装机将保持在4亿千瓦以上;发电量方面,2030~2035年非化石能源发电量占比超过50%,2045~2050年风光发电量超过总发电量50%,2050~2060年煤电发电量降至较低水平,年运行小时数可能在2000小时左右。“预计到2060年,在不考虑CCUS等其他减碳措施的条件下,电力系统二氧化碳排放将大幅降低为2025年前峰值的16%。电力系统做得好不好,对碳达峰、碳中和目标的实现影响重大。”周孝信指出。

  新型电力系统安全运行面临的新挑战

  根据2050年预测数据,我国电力装机容量75亿千瓦,其中非化石能源发电装机占比约为84%,风光发电装机占比72%;全年发电总量约为15万亿千瓦时,其中风光发电量占58%,煤电占比为5.8%,气电占6.7%,显著呈现高比例新能源特征。

  周孝信认为,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,即在系统中电源出力和负荷需求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。新型电力系统中,以风电、太阳能发电为主的可再生能源占比高,对灵活性资源的需求巨大。

  二是韧性,即在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。风电、太阳能、水能发电对气候的敏感性,以及全球气候变化,使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。

  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。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。

  四是可靠性,即系统不间断地向用户供电能力的度量,是建立在装备和系统故障统计基础上概率分析的结果,这是电力系统安全运行的基础条件。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。

  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。“双碳”目标下能源转型过程中需有效化解电力成本的提高,建立有利于系统运行绿色经济性的市场化机制。

  综合能源生产单元(IEPU)设想

  “双碳”目标下,我国能源电力系统清洁低碳转型任务艰巨,如何科学推进传统煤电升级改造及有序退出、同时促进新能源消纳是能源转型路径规划和相关战略制定的重要议题。一方面,由于资源禀赋及行业发展历史等原因,我国仍保有大量燃煤火电机组,若采用简单关停处理方式,不利于一定时期内能源平稳供应过渡,迫切需要有效手段,科学推进存量煤电机组的升级改造,充分发挥煤炭基础性保障和灵活调节作用;另一方面,由于以风电、太阳能发电为主的可再生能源具有波动性和间歇性,机组出力不确定性强,抗扰动能力和动态调节能力弱,新能源高比例接入将对电力系统安全稳定运行带来巨大挑战,系统灵活调节资源的需求显著提升。为应对上述问题,周孝信提出一种融合煤电机组碳捕集、可再生能源电解水制氢、甲烷/甲醇合成、新型燃气发电等技术的设想——综合能源生产单元(Integrated Energy Production Unit,简称IEPU)。

  据了解,IEPU将电解制氢、可再生能源发电、甲醇/甲烷/氨合成、二氧化碳捕集等设备集成为一体,通过单元内部各子系统协同运行及单元与外部电网的灵活互动,以及多类型能源的生产、存储和化工合成等过程耦合,使之成为能源电力系统中具有多种能源产品和灵活性调节功能的新成员,希望能作为煤电低碳/无碳转型路径方案的一种选择。

  周孝信认为,IEPU作为具有正负值双向调节能力的综合能源生产发电单元,可成为应对风电、太阳能发电波动性、间歇性的有效措施之一;其绿色能源产品,如甲烷、甲醇、氨等,以其便于运输、易于储存的特性,既可作为绿色燃料和化工原料,替代石油、天然气等化石能源利用,也可作为新型电力系统应对中长期能源电力供需不平衡的一种储能介质。周孝信表示:“过去是储煤、储天然气、储石油,将来作为非化石能源,可以储氢及氢与二氧化碳合成生产的能源产品和化工原料(其中合成氨不需要二氧化碳),我认为这一点对于未来新型电力系统应对全球气候变化的‘气候韧性’建设、保证灾害情况下短期及中长期能源电力供应至关重要。”

  电力系统的灵活性和韧性

  周孝信表示,目前,国内外还缺乏关于电力系统灵活性统一的定义和定量评价指标。北美电力可靠性协会把电力系统的灵活性定义为:电力系统供需两侧响应系统的不确定性变化的能力,包括储存能量的能力和高效机组组合及经济调度的能力。国内有学者进一步分析综合提出了一种更准确、更细化的定义,即在所关注时间尺度的有功平衡中,电力系统通过优化调配各类可用资源,以一定的成本适应发电、电网及负荷随机变化的能力。

  同样,电力系统的韧性也尚无统一的定义和定量评价指标。美国国家工程院的定义为:能够认识到长时间、大面积停电事故发生的可能性,事故前充分预备,事故发生时使其影响最小化,事故发生后快速恢复并且从事故中获取经验从而自我提升的能力。针对我国电力系统的特点和需求,国内有研究者提出了韧性电网的概念,即能够全面、快速、准确感知电网运行态势,协同电网内外部资源,对各类扰动作出主动预判与积极预备,主动防御,快速恢复重要电力负荷,并能自我学习和持续提升的电网,并结合实际提出了加强电网韧性的措施建议。

  2022年6月14日,生态环境部、国家发展改革委、科学技术部等17个部门联合印发了《国家适应气候变化战略2035》,其中特别提到增强我国经济社会系统的气候韧性。“特别是对于基础设施,包括能源设施,以及设施本身涉及到的关键技术,该战略都提出了很明确的提高韧性的要求。”周孝信说。

  电力系统灵活性仿真分析表明,在风电、太阳能装机占比超过70%的情况下,电力系统正常运行时除要有足够的煤电、气电、各类储能等提供的灵活性资源参与调节外,还需要设置光伏电解水制氢等能源转换装置作为负值可调节容量加以配合。在极端气候条件下,更需要动用长周期绿色能源储备,如绿氢及甲烷、甲醇、氨等绿色气体液体燃料参与能源电力供应。

  “双碳”目标下我国能源转型的两大重要举措,就是构建清洁低碳、安全高效的能源体系和构建适应新能源占比逐渐提高的新型电力系统,“双碳”目标和能源转型的战略目标高度一致,“两个构建”是实现能源转型的根本途径。“为应对新型电力系统安全稳定经济运行新挑战,满足未来新条件下电力系统灵活性、韧性、稳定性、可靠性和经济性的严格要求,需要在基础理论和实践方面开展前瞻性研究并积极创造条件实现工程示范。”周孝信表示。