科技日報記者?陳瑜
(資料圖片僅供參考)
“雙碳”目標(biāo)下，風(fēng)電、太陽能發(fā)電等各類新能源項目建設(shè)正加速推進，諸多新要素的加入使電力系統(tǒng)復(fù)雜性成倍增長，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來挑戰(zhàn)。
新型電力系統(tǒng)新在哪？建設(shè)新型能源體系的背景是什么，有什么特殊意義？記者日前就此采訪了中國科學(xué)院院士周孝信。
我國正處于第三代電力系統(tǒng)初級發(fā)展階段
記者：您曾經(jīng)做過一個關(guān)于世界電力系統(tǒng)發(fā)展階段的調(diào)研，提出我國電網(wǎng)的發(fā)展歷程和世界電網(wǎng)的整體發(fā)展歷程類似。根據(jù)您的調(diào)研，新型電力系統(tǒng)在我國電網(wǎng)發(fā)展歷程中處于什么階段，為什么要提出新型電力系統(tǒng)概念？
周孝信：新型電力系統(tǒng)的概念是2021年3月中央財經(jīng)委員會第九次會議上首次提出的，此后，《2030年前碳達峰行動方案》《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》，進一步將“構(gòu)建新型電力系統(tǒng)”作為重點工作任務(wù)。回顧19世紀末以來國內(nèi)外100多年的電力系統(tǒng)發(fā)展歷程，可以發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)的發(fā)展具有明顯代際演化特征。20世紀50年代之前，全球電力系統(tǒng)均以小機組、低電壓、小電網(wǎng)為特征，電壓等級一般在220千伏及以下水平，可以稱之為第一代電力系統(tǒng)；20世紀50年代后，發(fā)電機組單機容量大幅提升，輸電電壓等級升高至330千伏至750千伏的超高壓水平，電力系統(tǒng)的規(guī)?？焖贁U張，逐步形成交直流混合大規(guī)?；ヂ?lián)電網(wǎng)，到20世紀末，以大機組、超高壓、大電網(wǎng)為主要特征的電力系統(tǒng)在主要發(fā)達國家基本形成，可以稱為第二代電力系統(tǒng)。
我國第二代電力系統(tǒng)的建設(shè)始于國內(nèi)首座容量超過百萬千瓦的甘肅劉家峽大型水電站，配套建設(shè)的330千伏超高壓輸電線將電力送往甘肅、陜西、青海、寧夏4省區(qū)，形成了我國首個超高壓跨省區(qū)域電力系統(tǒng)。通過20世紀末期25年的持續(xù)努力，我國已在全國范圍建成超高壓、交直流輸電的特大規(guī)?；ヂ?lián)電網(wǎng)，形成第二代電力系統(tǒng)。
20世紀90年代以來，人們逐漸認識到第二代電力系統(tǒng)高度依賴化石能源，是一種不可持續(xù)的發(fā)展模式，從而開啟了對第三代電力系統(tǒng)的探索和實踐。
隨著風(fēng)、光、水等可再生能源發(fā)電快速發(fā)展，特高壓輸電和智能電網(wǎng)技術(shù)飛躍進步，我國電力系統(tǒng)建設(shè)進入新階段，開始著力推進以可再生能源和清潔能源發(fā)電為主、骨干電源與分布式電源結(jié)合、主干電網(wǎng)與局域配網(wǎng)和分布式微網(wǎng)協(xié)調(diào)運行的綜合能源電力系統(tǒng)，可以稱之為第三代電力系統(tǒng)。新型電力系統(tǒng)就是這一階段的最終形態(tài)，是能源轉(zhuǎn)型要求下必須探求的一種可持續(xù)發(fā)展模式，當(dāng)前我國電力系統(tǒng)處在第三代電力系統(tǒng)的初級發(fā)展階段，正向著新型電力系統(tǒng)方向發(fā)展。
新型電力系統(tǒng)主要具有6個技術(shù)特征
記者：相對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，我國提出構(gòu)建的新型電力系統(tǒng)主要有哪些特征？
周孝信：“雙碳”目標(biāo)下，我國新型電力系統(tǒng)主要具有6個技術(shù)特征。一是高比例可再生能源電力系統(tǒng)。這是最顯著的特征，是電力系統(tǒng)升級換代的重要標(biāo)志。二是高比例電力電子裝備電力系統(tǒng)。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)以電磁變換裝備為主，隨著超大規(guī)模交直流輸電及大量新能源機組接入系統(tǒng)，電力電子裝備并網(wǎng)數(shù)量會不斷提升、范圍不斷擴大，系統(tǒng)運行特性可能發(fā)生很大改變。三是多能互補綜合能源電力系統(tǒng)。未來的電力系統(tǒng)不僅具有傳統(tǒng)的電能生產(chǎn)傳輸?shù)膯我还δ?，還要實現(xiàn)風(fēng)、光、水、煤等資源協(xié)同互補，電、熱、冷、氣綜合利用。四是數(shù)字化智能化智慧能源電力系統(tǒng)。隨著技術(shù)高速發(fā)展，先進傳感量測、信息通信等手段將與電力系統(tǒng)深度融合，形成高效運行、用戶友好的智慧能源系統(tǒng)。五是清潔高效低碳零碳電力系統(tǒng)。這一點是“雙碳”目標(biāo)對電力系統(tǒng)發(fā)展的必然要求，即實現(xiàn)清潔能源開發(fā)利用規(guī)模增加、系統(tǒng)總體能源利用效率提升、二氧化碳排放有效控制，為能源轉(zhuǎn)型奠定基礎(chǔ)。六是高韌性本質(zhì)安全可靠電力系統(tǒng)。集中分布并舉的生產(chǎn)供應(yīng)和消費是未來電力系統(tǒng)重要結(jié)構(gòu)模式，這種特征下的電網(wǎng)形態(tài)和電源布局，將會從結(jié)構(gòu)設(shè)計層面，增強系統(tǒng)應(yīng)對不確定性風(fēng)險和故障的能力，從根本上實現(xiàn)“高韌性”意義上的“本質(zhì)安全”和可靠性提高。
記者：保證具有上述各項特征的新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，需要滿足哪些方面的性能要求？
周孝信：電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定和經(jīng)濟運行有五項性能要求。一是靈活性，即應(yīng)對系統(tǒng)中電源出力和負荷需求的短期和中長期波動時，保持正常穩(wěn)態(tài)運行的調(diào)節(jié)能力，這是電力系統(tǒng)源荷平衡保持正常運行的必要條件。二是韌性，即極端氣候或外力嚴重干擾下，系統(tǒng)快速恢復(fù)電力供應(yīng)的能力，這是電力系統(tǒng)應(yīng)對突發(fā)事件的必備條件。三是穩(wěn)定性，即系統(tǒng)承受各類擾動后保持暫態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定的能力，這是電力系統(tǒng)正常和擾動后安全穩(wěn)定運行的基本條件。四是可靠性，即系統(tǒng)不間斷地向用戶供電能力的度量，這是電力系統(tǒng)安全運行的基礎(chǔ)條件。五是經(jīng)濟性，即建立在市場或非市場基礎(chǔ)上，系統(tǒng)能量損失最小或經(jīng)濟社會效益最大化的運行機制體現(xiàn)，是電力系統(tǒng)為社會提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)的前提條件。
記者：目前新型電力系統(tǒng)建設(shè)還面臨哪些挑戰(zhàn)？
周孝信：在靈活性方面，新型電力系統(tǒng)可再生能源占比高，而這類電源具有較強的間歇性、波動性和隨機性，調(diào)節(jié)能力也相對較弱，系統(tǒng)面臨巨大的靈活調(diào)節(jié)需求。
在韌性方面，風(fēng)電、太陽能、水能發(fā)電對氣候較為敏感，加之全球氣候變化加劇，電力系統(tǒng)對在極端氣候條件下快速恢復(fù)供電的韌性需求更為頻繁和迫切。
在穩(wěn)定性方面，新型電力系統(tǒng)將面臨系統(tǒng)低慣性、頻率電壓穩(wěn)定、寬頻振蕩，以及信息物理系統(tǒng)、多能耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性等多重挑戰(zhàn)。
在可靠性方面，電力電子器件過載能力弱、抵御故障能力差及新能源發(fā)電的不確定性，均影響風(fēng)電、太陽能發(fā)電入網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)供電的可靠性。
在經(jīng)濟性方面，“雙碳”目標(biāo)下，能源轉(zhuǎn)型過程中需有效化解電力成本的提高，建立有利于系統(tǒng)經(jīng)濟高效運行及綠色低碳轉(zhuǎn)型的市場化機制。
燃煤發(fā)電是我國電源結(jié)構(gòu)的劣勢也是優(yōu)勢
記者：為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，我國未來電力系統(tǒng)需要重點關(guān)注和發(fā)展哪些關(guān)鍵技術(shù)？
周孝信：我們認為未來可能有10類具有全局性影響的關(guān)鍵技術(shù)需求，包括：可再生能源發(fā)電和綜合利用技術(shù)、燃煤發(fā)電提高靈活性和CCUS技術(shù)、新型電力電子元器件裝置和系統(tǒng)技術(shù)、新型儲能技術(shù)、綠色氫能生產(chǎn)儲運轉(zhuǎn)化和應(yīng)用技術(shù)、新型輸電和超導(dǎo)綜合輸能技術(shù)、新型電力系統(tǒng)理論體系及運行控制技術(shù)、綜合能源電力系統(tǒng)技術(shù)、數(shù)字化智能化能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、綜合能源電力市場技術(shù)。
記者：我國目前還有很大規(guī)模的存量傳統(tǒng)煤電機組，如何科學(xué)合理地推動煤電轉(zhuǎn)型升級，更好服務(wù)新型電力系統(tǒng)建設(shè)？
周孝信：燃煤發(fā)電是我國電源結(jié)構(gòu)的劣勢也是優(yōu)勢。我國煤電機組服役年限普遍較短，隨著技術(shù)水平提升，近年來新建與計劃建設(shè)機組的節(jié)能減排、靈活調(diào)節(jié)等方面性能優(yōu)異，而且具有較強的有功調(diào)節(jié)和電壓支撐能力，同時可為電網(wǎng)提供必要的轉(zhuǎn)動慣量，對電力系統(tǒng)安全運行有不可替代的支撐作用。若采用簡單關(guān)停方式處理，既可能造成大規(guī)模存量資產(chǎn)閑置浪費，也不利于一定時期內(nèi)能源供應(yīng)平穩(wěn)過渡，需要尋求合理的措施手段推進煤電機組轉(zhuǎn)型。
我們提出了一種“綜合能源生產(chǎn)單元”的設(shè)想，融合煤電機組碳捕集、生物質(zhì)混燃、可再生能源電解水制氫、甲烷/甲醇/氨合成等技術(shù)，期望能將其作為煤電轉(zhuǎn)型路徑的一種備選方案。一方面，它可充分利用并發(fā)揮煤電資源的基礎(chǔ)性保障和調(diào)節(jié)能力，為高比例新能源電力系統(tǒng)提供靈活性支撐；另一方面，它生產(chǎn)的氫氣及其衍生物，可作為綠色燃料或化工原料產(chǎn)品，為化石能源替代提供一定的來源補充，并可作為未來新型電力系統(tǒng)的一種儲能介質(zhì)，在保證短期及中長期能源電力可靠供應(yīng)中發(fā)揮重要作用。
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