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  • 構建新型電力系統的思考和建議

    構建新型電力系統的思考和建議

    時間:2021-12-27 15:46:09
    深化電力體制改革,構建以新能源為主體的新型電力系統,是黨中央基于保障國家能源安全、實現可持續發展、推動碳達峰、碳中和目標實施作出的重大決策部署,為新時期能源行業以及相關產業發展提供了重要戰略指引,有利于加快我國構建清潔低碳、安全高效的現代能源體系步伐,推動經濟社會綠色轉型和高質量發展。

    (作者:李鵬)

    一、新形勢下新能源發展的歷史機遇以及電力系統面臨的挑戰

    當前,我國正處于工業化后期,經濟對能源的依賴程度高,而我國能源消費以化石能源為主,2020年化石能源占一次能源比重達84%。碳達峰、碳中和目標下,我國能源結構將加速調整,清潔低碳發展特征愈加突出。

    (一)碳達峰、碳中和目標推動新能源向“主體能源”轉變

    隨著經濟社會的轉型發展和能源利用效率的不斷提升,能源消費總量將會在碳排放量達到峰值后逐步下降,但電能消費總量一直呈上升趨勢,預計將從2020年的7.5萬億千瓦時增長至2060年的15—18萬億千瓦時。

    新能源將迎來跨越式發展的歷史機遇,成為電能增量的主力軍,實現從“補充能源”向“主體能源”的轉變。預計到2030年,風電、光伏裝機規模超16億千瓦,裝機占比從2020年的24%增長至47%左右,新能源發電量約3.5萬億千瓦時,占比從2020年的13%提高至30%。

    2030年后,水電、核電等傳統非化石能源受資源和站址約束,建設逐步放緩,新能源發展將進一步提速。預計到2060年,風電、光伏裝機規模超50億千瓦,裝機占比超80%,新能源發電量超9.6萬億千瓦時,占比超60%,成為電力系統的重要支撐。

    (二)新型電力系統面臨的挑戰

    新能源具有典型的間歇性特征,出力隨機波動性強。以電動汽車為代表的新型負荷尖峰化特征明顯,最大負荷與平均負荷之比持續提升。發電側隨機性和負荷側峰谷差加大將對傳統電力系統造成較大的沖擊,要實現構建以新能源為主體的新型電力系統愿景目標,我們還需要應對以下問題:

    一是電力系統的可靠容量不足。風電、光伏因其自身出力特性,可靠性偏低。經研究,到2030年,在全國范圍內相對均勻分布的情況下,新能源裝機超10億千瓦,每年將有30天以上出力低于裝機容量的10%,置信容量僅為1億千瓦。

    假設峰值負荷約18億千瓦,水電裝機5億千瓦,可靠容量約3.5億千瓦,核電裝機3億千瓦,可靠容量約3億千瓦,風電、光伏可靠容量按1億千瓦、其他可再生電源可靠容量按0.5億千瓦估列,再考慮可中斷負荷及電動汽車等可調節容量約5億千瓦,那么電力系統可靠容量缺口約5億千瓦,也就是說,對于穩定電源(火電)的需求仍有5億千瓦。

    二是傳統大電網難以滿足未來電力輸送需求。長期以來,我國能源資源與負荷呈逆向分布,大電網是連接三北地區等資源區與中東部負荷區的重要途徑。但隨著經濟社會的發展,各地區用電量需求與日俱增,預計到2030年,僅廣東、福建、浙江、江蘇和山東五省的全社會用電量就將達到3萬億千瓦時,未來可能會達到5萬億千瓦時。

    如果絕大部分從三北地區遠距離輸送,按照80%的比例測算,送電規模將達到4萬億千瓦時,這就需要建設約100條特高壓送電通道,且每條特高壓不受電磁環網制約,全年滿功率運行,無疑這將難以實現。

    三是電力系統轉動慣量以及長周期調節能力不足。光伏發電利用半導體的光電效應將光能轉變為電能,無轉動慣量,風力發電轉動慣量也嚴重不足,因此,當電力系統中大量的新能源機組替代常規電源時,系統頻率調節能力將顯著下降。另一方面,目前的電化學儲能等技術只能解決電力系統的短期調節問題,且受成本等因素制約,月度調節和季度調節還存在很大障礙。

    而氫能、CCUS等技術在一定時期內很難取得突破性進展實現大規模應用,當局部地區出現極端天氣狀況時,高比例、大規模新能源的電力系統將面臨長周期調節能力不足的挑戰。

    二、新型電力系統的內涵、特征與關鍵技術展望

    新型電力系統以新能源為主體,貫通清潔能源供需各個環節,有利于體現清潔電力的多重價值,促進經濟社會低碳轉型,是推動能源革命落地的創新實踐。

    (一)新型電力系統的內涵

    新能源成為主體能源只是新型電力系統的基本特征,它有著更深刻的內涵。

    首先,新型電力系統是貫通清潔能源供給和需求的橋梁。構建新型電力系統的本質,是要滿足高占比新能源電網的運行需求,通過打通能源供需各個環節,實現源網荷儲高效互動。

    其次,新型電力系統是釋放電能綠色價值的有效途徑。新型電力系統有利于清潔能源的優化配置和調度,通過綠色電力能源中介,引導能源生產和消費產業鏈的綠色轉型,實現電能綠色價值順利傳導至終端用戶。

    (二)新型電力系統的典型特征

    新型電力系統的核心是新型,具有鮮明的特征:

    數字技術賦能形成多網融合。物聯網時代的突出特征是機器社交,能源真正的終端用戶并不是個體的人,而是各類用能設備,能源網的終極形態一定是用能設備之間互聯互通和機器社交。未來能源網將以能源的分布式生產和利用為突出特征,在云大物鏈等數字化技術驅動下進化成自平衡、自運行、自處理的源網荷一體化智慧能源系統。

    因此,能源不會單獨發展形成孤立的能源網,未來電力基礎設施將變成一個平臺,數字技術將深化能源網與政務網、社群網的融合互動,實現多網融合、共同發展。

    用戶側將深度參與電力系統的平衡。受限于新能源的出力特性,靈活性資源將是保障電力系統穩定運行的重要因素,有效挖掘用戶側的靈活性、減少電力系統峰谷差、提高電源利用效率將成為經濟可行的重要措施。

    源網荷儲互動將成為新型電力系統運行常態,可中斷負荷和虛擬電廠得到普及應用,電力負荷將實現由傳統的剛性、純消費型向柔性、生產與消費兼具型轉變。

    配電網將成為電力發展的主導力量。構建新型電力系統的過程,實際上是一次配電網的革命。傳統電力系統通常骨干電網最為堅強,越到電網末端系統越脆弱。但是,新型電力系統中配電網將承擔絕大部分系統平衡和安全穩定的責任,絕大多數交易也將在配電網內完成?,F有的配電網最終需要在物理層面實現重構,成為電力系統的主導力量。

    電力交易將主導調度體系。未來,新型電力系統將以滿足用戶的交易需求為主,調度的主要目的是確保用最小的系統成本完成用戶交易行為的實施。用戶與發電企業的直接交易將成為絕大部分電量的銷售模式,靈活性資源也將隨著現貨市場機制的逐步完善成為核心交易內容,并且大部分交易將在配電網內完成,隔墻售電將成為主要交易方式。

    (三)新型電力系統的關鍵技術展望

    構建新型電力系統是一項系統而長遠的工程,離不開科技創新與技術突破。

    一是源網荷儲雙向互動技術。通過數字化技術賦能,推動“源隨荷動”向“源荷互動”轉變,實現源網荷儲多方資源的智能友好、協同互動。

    二是虛擬同步發電機技術。通過在新能源并網中加入儲能或運行在實時限功率狀態,并優化控制方式為系統提供調頻、調壓、調峰和調相支撐,提升新能源并網友好性。

    三是長周期儲能技術。長時儲能與大型風光項目的組合將大概率替代傳統化石能源,成為基礎負載發電廠,對零碳電力系統中后期建設產生深遠的影響。

    四是虛擬電廠技術。源網荷儲一體化項目的推廣應用,以及分布式能源、微網、儲能的快速發展為虛擬電廠提供了豐富的資源,虛擬電廠將成為電力系統平衡的重要組成。

    五是其他技術。新能源直流組網、直流微電網、交直流混聯配電網等技術的研發與突破,將有助于實現更高比例的新能源并網,為電力系統的安全穩定運行提供保障。

    三、構建新型電力系統的思路與建議

    落實碳達峰、碳中和目標,電力行業責任重大,構建以新能源為主體的新型電力系統是時代賦予的責任和使命,需要電源、電網、用戶等產業鏈各方的共同努力,要以大力發展新能源為基礎,以增加系統靈活性資源為保障,推動分布式、微電網與大電網融合發展,構筑堅強電網,加強技術創新和推廣應用,實現發電、輸配和電力消費系統協同融合、共同發展,助力電力行業率先碳中和。

    大力發展新能源。堅持集中式與分布式并舉,有序推進三北地區等資源富集區新能源開發以及中東部負荷地區分布式能源建設,加大新能源產業開發力度。

    同時,推動新能源產業與傳統水電、環保、農業等融合發展,構建生態能源體系,推廣水風光互補、漁光農光互補、光伏治沙等新業態,探索多能互補、智慧協同的能源生態發展道路。

    增強系統靈活性資源。鼓勵新能源項目配置一定規模的煤電、水電、儲能等調節性資源,通過“新能源+調節性電源”的模式提高新能源出力的穩定性。

    積極推動具備條件的火電項目進行靈活性改造,努力為系統提供經濟可行、規模較大的調節能力。以增加清潔能源消納、增強調頻調峰能力為目標,科學有序發展抽水蓄能、電化學儲能項目。加強可調節負荷、虛擬電廠等技術的研究和應用,實現源網荷一體化協同發展。

    推動分布式、微電網與大電網融合發展。加強數字技術應用,通過配電資產的深度鏈接構建基于傳統電網物理架構的數字電網。支持分布式可再生能源+儲能系統建設,通過就近取材、就地消納,擺脫對大電網的依賴,形成多個獨立微網,各個微電網之間互相備用支撐,實現“綠能”身邊取。

    研究顯示,當風電、光伏發電量占比超過30%至40%時,大電網系統的頻率、電壓、功角穩定極限及高昂的成本決定了其消納新能源的天花板。因此,分布式、微電網與大電網的融合發展將成為未來電力系統的重要支撐。

    加快技術創新和推廣應用。加強新能源功率預測、虛擬同步發電機、柔性直流輸電、分布式調相機等技術研發,充分挖掘工業大用戶、電動汽車等需求側響應資源,通過電源、電網以及用戶側技術創新提高新能源消納利用水平和保障電力系統安全穩定。

    同時,儲能、虛擬電廠和直流微網等技術具有削峰填谷、調頻調壓作用,是支撐新能源跨越式發展的重要技術手段,建議國家層面統籌謀劃,出臺相應的頂層設計文件,加強產業引導,加大技術攻關,積極推動相關技術標準的制定,助力行業科學、規范、有序發展。

    (作者供職于國家電力投資集團有限公司。本文出自中國能源研究會“‘十四五’能源發展與大氣污染防治及應對氣候變化目標協同研究”項目。)
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