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(shí)間:2023-03-21 09:22:15
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(shí)現可持續發(fā)展、推動(dòng)碳達峰、碳中和目標實(shí)施作出的重大決策部署,為新時(shí)期能源行業(yè)以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)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(dòng)經(jīng)濟社會(huì )綠色轉型和高質(zhì)量發(fā)展。

(作者:李鵬)

一、新形勢下新能源發(fā)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(yè)化后期,經(jīng)濟對能源的依賴(lài)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(fā)展特征愈加突出。

(一)碳達峰、碳中和目標推動(dòng)新能源向“主體能源”轉變

隨著(zhù)經(jīng)濟社會(huì )的轉型發(fā)展和能源利用效率的不斷提升,能源消費總量將會(huì )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(wàn)億千瓦時(shí)增長(cháng)至2060年的15—18萬(wàn)億千瓦時(shí)。

新能源將迎來(lái)跨越式發(fā)展的歷史機遇,成為電能增量的主力軍,實(shí)現從“補充能源”向“主體能源”的轉變。預計到2030年,風(fēng)電、光伏裝機規模超16億千瓦,裝機占比從2020年的24%增長(cháng)至47%左右,新能源發(fā)電量約3.5萬(wàn)億千瓦時(shí),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(fā)展將進(jìn)一步提速。預計到2060年,風(fēng)電、光伏裝機規模超50億千瓦,裝機占比超80%,新能源發(fā)電量超9.6萬(wàn)億千瓦時(shí),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(dòng)性強。以電動(dòng)汽車(chē)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(fā)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(shí)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(wèn)題:

一是電力系統的可靠容量不足。風(fēng)電、光伏因其自身出力特性,可靠性偏低。經(jīng)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?jì)H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(fēng)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(dòng)汽車(chē)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(shuō),對于穩定電源(火電)的需求仍有5億千瓦。

二是傳統大電網(wǎng)難以滿(mǎn)足未來(lái)電力輸送需求。長(cháng)期以來(lái),我國能源資源與負荷呈逆向分布,大電網(wǎng)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(zhù)經(jīng)濟社會(huì )的發(fā)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(huì )用電量就將達到3萬(wàn)億千瓦時(shí),未來(lái)可能會(huì )達到5萬(wàn)億千瓦時(shí)。

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(wàn)億千瓦時(shí),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(huán)網(wǎng)制約,全年滿(mǎn)功率運行,無(wú)疑這將難以實(shí)現。

三是電力系統轉動(dòng)慣量以及長(cháng)周期調節能力不足。光伏發(fā)電利用半導體的光電效應將光能轉變?yōu)殡娔?,無(wú)轉動(dòng)慣量,風(fēng)力發(fā)電轉動(dòng)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(shí),系統頻率調節能力將顯著(zhù)下降。另一方面,目前的電化學(xué)儲能等技術(shù)只能解決電力系統的短期調節問(wèn)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(shù)在一定時(shí)期內很難取得突破性進(jìn)展實(shí)現大規模應用,當局部地區出現極端天氣狀況時(shí),高比例、大規模新能源的電力系統將面臨長(cháng)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(guān)鍵技術(shù)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(gè)環(huán)節,有利于體現清潔電力的多重價(jià)值,促進(jìn)經(jīng)濟社會(huì )低碳轉型,是推動(dòng)能源革命落地的創(chuàng )新實(shí)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(zhù)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(zhì),是要滿(mǎn)足高占比新能源電網(wǎng)的運行需求,通過(guò)打通能源供需各個(gè)環(huán)節,實(shí)現源網(wǎng)荷儲高效互動(dòng)。

其次,新型電力系統是釋放電能綠色價(jià)值的有效途徑。新型電力系統有利于清潔能源的優(yōu)化配置和調度,通過(guò)綠色電力能源中介,引導能源生產(chǎn)和消費產(chǎn)業(yè)鏈的綠色轉型,實(shí)現電能綠色價(jià)值順利傳導至終端用戶(hù)。

(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(shù)賦能形成多網(wǎng)融合。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的突出特征是機器社交,能源真正的終端用戶(hù)并不是個(gè)體的人,而是各類(lèi)用能設備,能源網(wǎng)的終極形態(tài)一定是用能設備之間互聯(lián)互通和機器社交。未來(lái)能源網(wǎng)將以能源的分布式生產(chǎn)和利用為突出特征,在云大物鏈等數字化技術(shù)驅動(dòng)下進(jìn)化成自平衡、自運行、自處理的源網(wǎng)荷一體化智慧能源系統。

因此,能源不會(huì )單獨發(fā)展形成孤立的能源網(wǎng),未來(lái)電力基礎設施將變成一個(gè)平臺,數字技術(shù)將深化能源網(wǎng)與政務(wù)網(wǎng)、社群網(wǎng)的融合互動(dòng),實(shí)現多網(wǎng)融合、共同發(fā)展。

用戶(hù)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(hù)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(jīng)濟可行的重要措施。

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

配電網(wǎng)將成為電力發(fā)展的主導力量。構建新型電力系統的過(guò)程,實(shí)際上是一次配電網(wǎng)的革命。傳統電力系統通常骨干電網(wǎng)最為堅強,越到電網(wǎng)末端系統越脆弱。但是,新型電力系統中配電網(wǎng)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(wǎng)內完成?,F有的配電網(wǎng)最終需要在物理層面實(shí)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(lái),新型電力系統將以滿(mǎn)足用戶(hù)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(hù)交易行為的實(shí)施。用戶(hù)與發(fā)電企業(yè)的直接交易將成為絕大部分電量的銷(xiāo)售模式,靈活性資源也將隨著(zhù)現貨市場(chǎng)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(wǎng)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(guān)鍵技術(shù)展望

構建新型電力系統是一項系統而長(cháng)遠的工程,離不開(kāi)科技創(chuàng )新與技術(shù)突破。

一是源網(wǎng)荷儲雙向互動(dòng)技術(shù)。通過(guò)數字化技術(shù)賦能,推動(dòng)“源隨荷動(dòng)”向“源荷互動(dòng)”轉變,實(shí)現源網(wǎng)荷儲多方資源的智能友好、協(xié)同互動(dòng)。

二是虛擬同步發(fā)電機技術(shù)。通過(guò)在新能源并網(wǎng)中加入儲能或運行在實(shí)時(shí)限功率狀態(tài),并優(yōu)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(wǎng)友好性。

三是長(cháng)周期儲能技術(shù)。長(cháng)時(shí)儲能與大型風(fēng)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(fā)電廠(chǎng),對零碳電力系統中后期建設產(chǎn)生深遠的影響。

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

五是其他技術(shù)。新能源直流組網(wǎng)、直流微電網(wǎng)、交直流混聯(lián)配電網(wǎng)等技術(shù)的研發(fā)與突破,將有助于實(shí)現更高比例的新能源并網(wǎng),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(shí)碳達峰、碳中和目標,電力行業(yè)責任重大,構建以新能源為主體的新型電力系統是時(shí)代賦予的責任和使命,需要電源、電網(wǎng)、用戶(hù)等產(chǎn)業(yè)鏈各方的共同努力,要以大力發(fā)展新能源為基礎,以增加系統靈活性資源為保障,推動(dòng)分布式、微電網(wǎng)與大電網(wǎng)融合發(fā)展,構筑堅強電網(wǎng),加強技術(shù)創(chuàng )新和推廣應用,實(shí)現發(fā)電、輸配和電力消費系統協(xié)同融合、共同發(fā)展,助力電力行業(yè)率先碳中和。

大力發(fā)展新能源。堅持集中式與分布式并舉,有序推進(jìn)三北地區等資源富集區新能源開(kāi)發(fā)以及中東部負荷地區分布式能源建設,加大新能源產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)力度。

同時(shí),推動(dòng)新能源產(chǎn)業(yè)與傳統水電、環(huán)保、農業(yè)等融合發(fā)展,構建生態(tài)能源體系,推廣水風(fēng)光互補、漁光農光互補、光伏治沙等新業(yè)態(tài),探索多能互補、智慧協(xié)同的能源生態(tài)發(fā)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(guò)“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(dòng)具備條件的火電項目進(jìn)行靈活性改造,努力為系統提供經(jīng)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(xué)有序發(fā)展抽水蓄能、電化學(xué)儲能項目。加強可調節負荷、虛擬電廠(chǎng)等技術(shù)的研究和應用,實(shí)現源網(wǎng)荷一體化協(xié)同發(fā)展。

推動(dòng)分布式、微電網(wǎng)與大電網(wǎng)融合發(fā)展。加強數字技術(shù)應用,通過(guò)配電資產(chǎn)的深度鏈接構建基于傳統電網(wǎng)物理架構的數字電網(wǎng)。支持分布式可再生能源+儲能系統建設,通過(guò)就近取材、就地消納,擺脫對大電網(wǎng)的依賴(lài),形成多個(gè)獨立微網(wǎng),各個(gè)微電網(wǎng)之間互相備用支撐,實(shí)現“綠能”身邊取。

研究顯示,當風(fēng)電、光伏發(fā)電量占比超過(guò)30%至40%時(shí),大電網(wǎng)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(wǎng)與大電網(wǎng)的融合發(fā)展將成為未來(lái)電力系統的重要支撐。

加快技術(shù)創(chuàng )新和推廣應用。加強新能源功率預測、虛擬同步發(fā)電機、柔性直流輸電、分布式調相機等技術(shù)研發(fā),充分挖掘工業(yè)大用戶(hù)、電動(dòng)汽車(chē)等需求側響應資源,通過(guò)電源、電網(wǎng)以及用戶(hù)側技術(shù)創(chuàng )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(shí),儲能、虛擬電廠(chǎng)和直流微網(wǎng)等技術(shù)具有削峰填谷、調頻調壓作用,是支撐新能源跨越式發(fā)展的重要技術(shù)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(chǎn)業(yè)引導,加大技術(shù)攻關(guān),積極推動(dòng)相關(guān)技術(shù)標準的制定,助力行業(yè)科學(xué)、規范、有序發(fā)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(huì )“‘十四五’能源發(fā)展與大氣污染防治及應對氣候變化目標協(xié)同研究”項目。)
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