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新型電力系統(tǒng):清潔高效又智能

光明日報(bào)發(fā)布時間:2024-09-19 10:05:33  作者:劉念、蔣凱

  電力系統(tǒng)作為現(xiàn)代社會的基礎(chǔ)設(shè)施,是人類歷史上最復(fù)雜、最龐大的工程系統(tǒng)之一,它的存在和運(yùn)行對于我們的日常生活至關(guān)重要,從照明、家庭電器到工業(yè)生產(chǎn)、信息通信,無一不依賴于電力的穩(wěn)定供應(yīng)。新型電力系統(tǒng)清潔高效、靈活智能,可在保障電力安全的前提下,滿足經(jīng)濟(jì)社會電力發(fā)展的需求。我國具有豐富的風(fēng)能、太陽能等新能源資源和容量充裕的輸配電網(wǎng)絡(luò)。新型電力系統(tǒng)的開發(fā)與利用正在加速能源綠色低碳轉(zhuǎn)型升級,保證電力高效穩(wěn)定供應(yīng)。

  電力系統(tǒng)是最復(fù)雜的人造系統(tǒng)之一

  電力系統(tǒng)的早期發(fā)展可以追溯到19世紀(jì)末,?直流電系統(tǒng)被廣泛使用。隨著技術(shù)的進(jìn)步,?交流電系統(tǒng)逐漸取代直流電系統(tǒng),?成為電力系統(tǒng)的主要形式。20世紀(jì)初,電力系統(tǒng)開始迅速擴(kuò)展,電網(wǎng)互聯(lián)的概念逐漸形成。二戰(zhàn)后,各國加快了電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),形成了大規(guī)模的電網(wǎng)。進(jìn)入21世紀(jì),?全球氣候變化和能源轉(zhuǎn)型的需求給傳統(tǒng)電力系統(tǒng)帶來新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇,高新技術(shù)的應(yīng)用為電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化和智能化提供技術(shù)支持,電力系統(tǒng)迎來新的發(fā)展浪潮。

  電力系統(tǒng)包括發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等環(huán)節(jié),是電能生產(chǎn)與消費(fèi)的完整鏈條。發(fā)電是電力系統(tǒng)的起點(diǎn),將各種一次能源(如煤炭、天然氣、核能、風(fēng)能、太陽能等)轉(zhuǎn)化為電能;輸電系統(tǒng)負(fù)責(zé)將發(fā)電廠產(chǎn)生的電力通過高壓線路遠(yuǎn)距離傳輸?shù)阶冸娬净蜇?fù)荷中心,是電力系統(tǒng)中高效傳輸?shù)膭用};變電系統(tǒng)將高壓電力通過變壓器降低到適合配電的電壓等級;配電系統(tǒng)將電力從變電站通過配電線路輸送到終端用戶,并進(jìn)行最后的電壓調(diào)整;用電環(huán)節(jié)涉及工業(yè)、商業(yè)、居民等終端用戶的實(shí)際用電過程,以及設(shè)備運(yùn)行、耗電量管理及電費(fèi)計(jì)算等。

  應(yīng)對氣候變化 電力系統(tǒng)邁向綠色低碳

  隨著溫室氣體排放的增加,全球氣溫不斷上升,極端天氣頻發(fā)。為應(yīng)對這一趨勢,我國宣布力爭于2030年前達(dá)到二氧化碳排放峰值,并于2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。近年來,我國加速推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型,大力發(fā)展可再生能源,制定碳達(dá)峰行動方案,力求在全球應(yīng)對氣候變化的行動中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

  面對氣候變化,逐步建設(shè)新型電力系統(tǒng),推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型,減少溫室氣體排放,是能源電力行業(yè)的重要議題。傳統(tǒng)的以火力為主的發(fā)電形式受限于化石燃料資源存量和溫室氣體排放,難以獨(dú)立和全面支撐可持續(xù)發(fā)展的需求。在此背景下,以風(fēng)力、光伏為代表的新能源發(fā)電因其清潔、對環(huán)境影響小的優(yōu)勢,受到各國的重視。

  自2010年以來,我國在新能源發(fā)電領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。2010年,全國風(fēng)電和光伏裝機(jī)容量僅為數(shù)千萬千瓦,處于起步階段。隨著政策支持的加強(qiáng),特別是《可再生能源法》和全額保障性收購制度的出臺,風(fēng)光發(fā)電迅速增長。隨著技術(shù)進(jìn)步和成本下降,風(fēng)光產(chǎn)業(yè)逐漸規(guī)模化。至2024年6月底,全國發(fā)電裝機(jī)達(dá)30.7億千瓦,其中新能源裝機(jī)16.53億千瓦,占比53.8%,首次超過煤電。這一進(jìn)展為全球能源轉(zhuǎn)型提供了重要經(jīng)驗(yàn),助力我國實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo),邁向綠色低碳未來。

  新能源電力接入電網(wǎng) 新型電力系統(tǒng)更靈活智能

  隨著大規(guī)模新能源電力接入電網(wǎng),電力系統(tǒng)需要在隨機(jī)波動的負(fù)荷需求與電源之間實(shí)現(xiàn)能量的供需平衡,其結(jié)構(gòu)形態(tài)、運(yùn)行控制方式以及規(guī)劃建設(shè)與管理發(fā)生根本性變革,形成了以新能源電力生產(chǎn)、傳輸、消費(fèi)為主體的新一代電力系統(tǒng),即新能源電力系統(tǒng)。圍繞能源轉(zhuǎn)型和“雙碳”目標(biāo)的國家需求,中國工程院院士劉吉臻依托新能源電力系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出了以“多源互補(bǔ)、源網(wǎng)協(xié)同、供需互動、靈活智能”四個技術(shù)創(chuàng)新為引領(lǐng)的新型電力系統(tǒng)發(fā)展新形態(tài)。

  多源互補(bǔ)是新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵特征。傳統(tǒng)電網(wǎng)主要依賴單一能源發(fā)電,受到資源和效率的限制,隨著風(fēng)能、太陽能等新能源的引入,電力系統(tǒng)的能源來源變得更加多樣化。通過優(yōu)化不同能源的組合,能夠充分發(fā)揮各類資源的優(yōu)勢,降低對單一能源的依賴,從而提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

  源網(wǎng)協(xié)同是新型電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的核心。傳統(tǒng)電網(wǎng)將發(fā)電和輸電系統(tǒng)視為獨(dú)立運(yùn)作的部分,缺乏系統(tǒng)級的協(xié)調(diào)。面對分布式發(fā)電與新能源的廣泛接入,發(fā)電與電網(wǎng)間的互動日益錯綜復(fù)雜。構(gòu)建源網(wǎng)協(xié)同控制體系,可實(shí)現(xiàn)發(fā)電側(cè)與電網(wǎng)側(cè)的深度協(xié)調(diào)與優(yōu)化調(diào)度,顯著增強(qiáng)電網(wǎng)的適應(yīng)力與響應(yīng)速度,支撐更高比例新能源的接入和利用。

  供需互動是新型電力系統(tǒng)高效運(yùn)行的關(guān)鍵。傳統(tǒng)電網(wǎng)具有穩(wěn)定的發(fā)電和用電平衡特征,而隨著新能源發(fā)電比例的增加,其隨機(jī)性和波動性對電力供需平衡提出了新的挑戰(zhàn)。通過引入需求側(cè)資源,可以釋放調(diào)節(jié)潛力,有效平衡電力供需,確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時,分布式智能電網(wǎng)和需求側(cè)管理技術(shù)使電力需求響應(yīng)更加靈活精準(zhǔn),提高供需匹配效率。

  靈活智能是新型電力系統(tǒng)的特點(diǎn)。傳統(tǒng)電網(wǎng)依賴大規(guī)模集中式電站供電,而新能源發(fā)電系統(tǒng)支持分布式電源和微電網(wǎng)的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)了多樣化的電力供應(yīng)模式。通過大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)手段,智能電網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)的智能監(jiān)測和優(yōu)化控制,提升系統(tǒng)運(yùn)行的效率和穩(wěn)定性。

  新型電力系統(tǒng)發(fā)展面臨技術(shù)挑戰(zhàn)

  盡管新型電力系統(tǒng)的前景令人期待,但其發(fā)展過程仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn),這些挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在充裕性、安全性、經(jīng)濟(jì)性三個維度。

  充裕性挑戰(zhàn) 新型電力系統(tǒng)發(fā)展的挑戰(zhàn)之一,來自風(fēng)光發(fā)電相對于系統(tǒng)負(fù)荷的充裕性,即如何在不同時空預(yù)留足夠的靈活性資源來保障源荷雙側(cè)的電力電量平衡。在一般氣象條件下,光伏和風(fēng)力發(fā)電能力取決于光照輻射、風(fēng)速、溫度等參數(shù),由于現(xiàn)有預(yù)測水平難以消除氣象預(yù)測偏差,仍需提前預(yù)留火電、儲能等靈活調(diào)節(jié)資源作為發(fā)電備用。當(dāng)電力系統(tǒng)遭遇極端天氣等迅速且劇烈的氣象變化時,常常伴隨著風(fēng)光機(jī)組低溫切出、溫控型負(fù)荷激增、輸變電設(shè)備故障等突發(fā)情況,亟須火電、儲能等快速響應(yīng)資源提供電力充裕性來彌補(bǔ)瞬時功率缺額。而當(dāng)系統(tǒng)遭遇長時間電煤供應(yīng)短缺、極熱無風(fēng)、極寒無光等情況時,則又需要?dú)怆?、水電等異質(zhì)資源提供電量充裕性來彌補(bǔ)長周期的供需缺口。凡此種種,在大力發(fā)展新能源的同時,新型電力系統(tǒng)必須權(quán)衡其對電力電量充裕性的挑戰(zhàn)。

  安全性挑戰(zhàn) 新型電力系統(tǒng)發(fā)展的挑戰(zhàn)之二,來自高比例新能源和高比例電力電子器件的“雙高”特性,及其所誘導(dǎo)的安全性挑戰(zhàn)。一是新能源固有隨機(jī)性導(dǎo)致系統(tǒng)功率分布的不確定性高,常態(tài)化靜態(tài)安全分析需要適應(yīng)從確定性向不確定性的過渡;二是新能源“集群化”和“分布式”的發(fā)展趨勢:前者以“沙戈荒”大型風(fēng)光基地為代表,設(shè)備—場站—場群—網(wǎng)側(cè)換流站串聯(lián),并最終依賴配套送出工程實(shí)現(xiàn)大范圍能量轉(zhuǎn)移。多環(huán)節(jié)嵌套導(dǎo)致故障的傳播流程復(fù)雜,單一設(shè)備故障可能引發(fā)系統(tǒng)性功率缺失;后者則以微電網(wǎng)、零碳園區(qū)為代表,就地平衡消納為主。擾動距離用戶近、涉及線路多、接入設(shè)備雜,對保護(hù)裝置的速度和精度要求高。亟須系統(tǒng)性突破故障后的新能源電力系統(tǒng)保護(hù)及源網(wǎng)協(xié)同控制技術(shù);三是電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負(fù)荷側(cè)大量電力電子換流設(shè)備的應(yīng)用,使得電力系統(tǒng)的慣量下降,相對于傳統(tǒng)的以同步電源為主的火電系統(tǒng)而言,對于大小擾動的抵御性下降,亟須拓展不依賴于同步電源的保護(hù)新理論。

  經(jīng)濟(jì)性挑戰(zhàn) 新型電力系統(tǒng)發(fā)展的挑戰(zhàn)之三,來自經(jīng)濟(jì)性,也即電力市場化機(jī)制所決定的資源優(yōu)化配置效率。當(dāng)前,面對高比例新能源在全國范圍內(nèi)轉(zhuǎn)移傳輸?shù)奶卣?,傳統(tǒng)的面向化石能源、以就近供需平衡為主的市場機(jī)制,顯現(xiàn)出全局統(tǒng)籌能力不足的局限;儲能、分布式發(fā)電等新技術(shù)提高了負(fù)荷側(cè)電力自發(fā)自用的水平,富裕的電力和負(fù)荷調(diào)節(jié)能力甚至可以反向支撐大電網(wǎng)。然而,傳統(tǒng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)主要依托于行政手段,缺乏源荷互動的靈活性和激勵性。新形勢下亟須建設(shè)全國統(tǒng)一的電力市場,推動跨省跨區(qū)電力市場化交易和源網(wǎng)荷儲深度互動,完善電力中長期、現(xiàn)貨、輔助服務(wù)交易有機(jī)銜接機(jī)制。

  市場機(jī)制進(jìn)一步引導(dǎo)了電力系統(tǒng)的形態(tài)演化。目前,綠電交易、碳市場、虛擬電廠等新需求新概念層出不窮,它們本質(zhì)上都是市場化的工具。如何預(yù)測不同市場機(jī)制下新能源、火電、氫能、儲能協(xié)同發(fā)展與演進(jìn)路徑,在多變的環(huán)境中運(yùn)用上述政策工具實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)形態(tài)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,形成面向長周期的新能源電力系統(tǒng)演化規(guī)劃的理論和方法,仍有待研究。

  面對日益嚴(yán)峻的氣候危機(jī)與能源安全挑戰(zhàn),構(gòu)建新型電力系統(tǒng)已成當(dāng)務(wù)之急。在此過程中,一方面需大力推動新能源的開發(fā)與利用,另一方面也要充分發(fā)揮傳統(tǒng)能源作為“壓艙石”的重要作用,穩(wěn)步推進(jìn)新型電力系統(tǒng)建設(shè),為“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供重要支撐!

  (作者:劉念 蔣凱,分別系華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院副院長,講師)


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