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国家电网郭剑波:以新能源为主体的新型电力系统面临的挑战

日期:2021-09-13    来源:电网技术+国家电网报

国际太阳能光伏网

2021
09/13
10:00
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关键词: 国家电网 郭剑波 新能源电力

核心提示:在中国电力科学研究院有限公司日前举办的新型电力系统学术研讨会上,中国工程院院士郭剑波发表研究观点,并分析碳达峰、碳中和目标下新型电力系统的特征,提出相关建议。

2021年3月15日,习近平总书记在中央财经委第九次会议上提出构建清洁低碳安全高效的能源体系,控制化石能源总量,着力提高利用效能,实施可再生能源替代行动,深化电力体制改革,构建以新能源为主体的新型电力系统。这一重大部署在业内引发了广泛思考,对我国能源电力转型发展具有重要的指导意义。

实现“双碳”目标、构建新型电力系统是极具前瞻性、开创性的战略挑战和系统工程,将对电力系统运行调控机制、政策法规机制、电价市场机制及技术研发与创新等方面提出若干挑战,亟须凝聚行业内外各方力量,针对基础理论机制和重大核心技术开展系统性的深入研究,统筹好发展与安全、存量与增量、短期与中长期、源网荷储各环节的关系,明确路径、形成合力、统筹推进,以新型电力系统的建设推进能源电力行业又一次根本性变革。

对于新型电力系统的几个认识

一是关于新能源的定义。新能源相关技术已经发展得较为成熟,但其定义一直不断变化与更新。综合国内外关于新能源定义的有关描述,新能源的基本定义是相对于传统能源而言,在新技术基础上加以开发利用的能源。对于现今的电力行业来说,光伏发电、风电是当前全球技术经济最成熟、发展最快、规模效应最大的两种发电类型,是可预期的新能源主要增量来源,因此后文中新能源特指风、光新能源。

二是对于以新能源为主体的认识。在新型电力系统的建设发展过程中,新能源将逐步占据电量主体、出力主体和责任主体的地位。新能源主体地位的第一性应表现为电量主体,新能源电量的多少直接关系碳减排量的多少,“双碳”目标也对新能源电量和占比提出了明确要求。新能源电量的主体性,是新型电力系统的最终目标和主驱动力。新能源也将逐渐表现为出力主体。据估测,2060年,新能源机组出力占系统总负荷大于50%的累计时段可达全年时长的46%,表明全年近一半时间的新能源机组出力可占主体地位。新能源必须成为支撑新型电力系统的责任主体。新能源作为主体电源,必须具备自主支撑电网电压和频率的能力。目前在不具备这些能力的情况下,部分国家对新能源机组出力占比进行了限制。

新能源发电量占据主体地位、新能源机组承担支撑系统运行的主体责任是新型电力系统建成的两个重要标志。

对新型电力系统几个关键问题的分析

一是关于源,特别是新能源。要明确电的二重属性,即从社会管理者和用户的角度看,表现为商品属性;从专业监管者的角度看,表现为安全属性。绿色是商品属性,价格应该由市场来决定。要明确新能源“到户”利用的综合成本,虽然新能源发电设备的单位容量成本不断下降,但大电网和兜底电源的成本和投资并不会因新能源增加而明显减少,总体来看综合总成本呈增加趋势,将呈现环境-安全-经济矛盾三角形态,需要在运行调控机制、电价市场机制、政策法规机制方面进行创新,通过构建新型电力系统加以协调解决。要明确新能源利用率和发电量占比之间的关系,“双碳”目标下,新能源电量渗透率与利用率之间相互制约,以新能源利用率为目标的消纳模式亟须转变。新能源高渗透率和高利用率不可兼得,合理利用率随渗透率的增加而降低。为达到渗透率目标,应适当降低利用率,以保障系统运行的经济性。

二是关于网,也就是电力系统。要明确大电网仍然是必需的,具体表现在中东部的分布式新能源资源总量不足以支撑当地负荷需求,而西部、北部的富集新能源仍需要跨区外送,需要通过大电网、大平台才能实现高比例新能源的消纳,依托大电网才能保障能源电力供应的安全。要明确新型电力系统仍是以交流同步机制为主。根据生产模拟测算,基准场景下2030年同步机组的出力占总负荷之比大于50%、80%的累计时段将达全年时长的100%和约61%;2060年同步机组出力占总负荷之比大于40%、50%的累计时段仍达全年时长的84%和53%。基于测算结果,在新型电力系统构建过程中,同步机组在相当一段时期承担组网作用,风、光等新能源机组锁相同步控制较为成熟,因此新型电力系统的基本运行机制仍是以交流同步运行机制为主。

三是关于储能、新能源汽车等新要素。储能在新型电力系统的电力电量平衡中起到重要的灵活调节作用,支撑供需双侧动态匹配,促进新能源有效利用;应该覆盖发输变配用全环节,参与规划、生产、运行、辅助服务等全过程,承担能源枢纽站缓冲节点作用;引导海量电动汽车有序充放电,挖掘可中断、可调节的多源负荷资源,有效增加系统灵活调节能力。

关于电力系统对碳中和贡献度的几个判断

一是满足终端用电负荷增长需求,通过电能替代帮助其他行业转移碳排放。与2020年相比, 2025年新增电量中有6000亿千瓦时来源于电能替代,可减少其他行业二氧化碳排放2.9亿吨,占其碳减排任务的4.6%。与2025年相比,2030年新增电量中有5500亿千瓦时来源于电能替代,减少其他行业二氧化碳排放2.6亿吨,占其碳减排任务的4.1%。

二是服务源端高比例风、光等非化石能源发电的接入和送出,支撑源端的清洁替代减排。根据预测,2030、2060年风光新能源装机规模将分别达到12亿~17亿千瓦和50亿千瓦,装机占比分别提高到33%~41%和63%。以2020年为基准,2030年由于支撑源端新增非化石能源电量,替代化石能源电量等效碳减排16.6亿~22.3亿吨;2060年由于支撑源端新增非化石能源电量,替代化石能源电量等效碳减排86.8亿吨。

三是电力行业能源燃烧碳排放持续下降,助力碳减排目标实现。2030年后,能源燃烧碳排放加速下降,2060年降至10亿吨左右,考虑土地利用及土地利用变化(LULUCF)后全行业温室气体基本实现近零排放,能够实现碳中和目标。各情景下远期排放水平和结构趋于一致。其中,碳排放源方面,能源燃烧二氧化碳排放、工业过程和其他温室气体排放持续下降,2060年分别下降至10亿吨左右和10亿吨以下,发电碳排放约5亿吨。

四是电力行业碳吸收能力持续加强,支撑全社会整体碳中和目标实现。碳汇净增量逐年增加,2060年LULUCF等预计吸收量达到15亿~20亿吨,碳捕集利用和封存(CCUS)累计吸收6亿吨,全社会整体实现温室气体负排放。分领域看,发电和工业领域几乎实现近零排放,建筑、交通、工业过程和其他温室气体排放则较多依赖碳汇实现碳中和目标。

“双碳”目标下新型电力系统的几个特征

一是表现为变流器与同步机混合发电系统。新型电力系统中,风、光等通过变流器并网接入的新能源电源将成为电量供应主体;水电、核电作为重要的非化石能源发电组成,煤电、气电配合CCUS实现近零排放,起到保供和调节作用。可见,传统同步电源仍将占有一定比例,新型电力系统将是一个变流器电源和传统同步电源混合发电的电力系统。

即使在新能源出力大于传统同步电源的发电场景,仍然存在频率、电压、功角以及宽频振荡等安全稳定问题。需要加强对系统认知和基础理论研究,加强标准体系建设,在设备研制和系统规划设计阶段考虑并网控制及系统支撑需求,提前布局。

二是表现为综合能源系统。电力在未来能源结构中占比不断提高、能源支柱定位不断加强,将形成以电网为枢纽平台的综合能源系统。电、热、冷、气等能源深度耦合,在工业、交通、建筑等领域实施电能替代,将实现多类型能源转化与互补,以及多种储能设备、用能负荷乃至于多系统间的协调配合,以提高能源系统的安全性、灵活性和综合利用效率。

但受制于电能无法大规模储存的特性,以及风、光一次能源的不确定性,电力系统面临长时间尺度上的平衡难题,存在能源供给安全风险。需要综合利用氢能、低碳利用的化石能源等多种供给形式,宜电则电、宜热则热、宜气则气,选择适宜的能源利用形式。

三是表现为弹性系统。电力是未来其他行业的基础能源,电力安全将成为能源安全的重要内涵和重要保障,电力系统将肩负更加重大的政治责任、经济责任和社会责任。电力系统必须建设成为具有一定恢复能力的弹性系统,即具有对极端事件的预防、抵御、响应以及快速恢复供电的能力。

但能源转型下电力系统的不确定性、开放性、复杂性增加,所要应对的极端事件增多,运行风险增大。需要建立风险管控机制,建立电力系统与社会系统、电力行业与其他行业的协防、协控机制;界定电力的安全属性和商品属性,加强构建“生命线工程”。

四是表现出信息物理社会系统(CPSS)特性。电力系统的网络化和信息化使信息系统和物理系统进一步融合,综合能源系统的开放性与多元化使其与人类社会活动和外部环境交织耦合,呈现出CPSS特性。

但受人类社会行为影响,其具有多利益主体关联、多环节/多过程耦合、多目标/多约束制衡等复杂因素;依靠信息和网络实现源、网、荷、储互动,网络终端多样、业务开放广泛、信息内容海量、网络暴露面广,信息和网络安全难度大。需要加强基础理论体系研究,完善仿真和分析手段,加强社会行为科学及其与能源电力系统相互作用研究,提升信息安全、网络安全。

五是呈现为复杂巨系统。新能源发电空间分布广、单体数量大、运行特性复杂。目前,国家电网经营区大型新能源场站超4000个、低压接入的分布式发电系统约170万个。其中,西北新能源场站超1500个,安控系统规模大、策略复杂,220千伏及以上安控装置达到1152套,单个场站安控策略定值超1000个。未来,全国集中式和分布式新能源发电单元将达数千万个,信号数量可达数十亿,以新能源为主体的新型电力系统是一个多时空尺度、多层级、多系统耦合的复杂巨系统。

但系统调度运行极其复杂,控制措施配置和实施难度极大,需要对系统进行结构化和规则化处理,通过分层分区、各种储能、电力市场等技术,解决不确定性出力与负荷间的时空不匹配问题,通过“大云物移智”等技术实现系统的可观、可知、可控。

对构建新型电力系统的相关建议

一是要解决好安全问题。在碳达峰、碳中和目标下,随着生产和消费侧电能占比的提高,电力作为基础能源的作用和地位愈加重要,而电力生产又以强不确定性的风光为主,各时空尺度的能源安全(主要体现在电力)挑战巨大,从毫秒级的设备安全、秒/分的运行控制安全、小时/天调度安全、周/年的供给安全,以及物理、功能、跨行业和社会等广义空间尺度的安全。需要从全社会的视角审视电力安全问题,需要通过创新解决电力安全问题。

二是要多行业、多主体统筹推进。电力安全是一复杂的系统工程,需要各级政府、各行各业协同,通过政策、法规和体制机制创新,业态、市场和电价机制创新,以及技术创新共同解决。

三是要明确阶段,分步实施。从能源电力系统的发展来看,近期是能源转型期,任务是市场、法规、技术的研发;中期是新型电力系统形成期,完善政策法规和市场电价机制,解决新型电力系统构建和安全运行问题;远期是新一代能源系统形成期,解决能源近零排放和能源电力安全问题,全面建成以新能源为主体的新型电力系统。

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