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  圖片      周孝信院士      “近年來我國新建與計劃建設煤電機組的節能減排、靈活調節等方面性能優異,而且具有較強的有功調節和電壓支撐能力,同時可為電網提供必要的轉動慣量,對電力系統安全運行

2023-07-03 來源:科技日報 瀏覽數:1303

      周孝信院士    近年來我國新建與計劃建設煤電機組的節能減排、靈活調節等方面性能優異,而且具有較強的有功調節

  
  
  周孝信院士
  
  “近年來我國新建與計劃建設煤電機組的節能減排、靈活調節等方面性能優異,而且具有較強的有功調節和電壓支撐能力,同時可為電網提供必要的轉動慣量,對電力系統安全運行有不可替代的支撐作用。若采用簡單關停方式處理,既可能造成大規模存量資產閑置浪費,也不利于一定時期內能源供應平穩過渡,需要尋求合理的措施手段推進煤電機組轉型。”
  
  “雙碳”目標下,風電、太陽能發電等各類新能源項目建設正加速推進,諸多新要素的加入使電力系統復雜性成倍增長,給電力系統的安全穩定運行帶來挑戰。
  
  新型電力系統新在哪?建設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院院士周孝信。
  
  我國正處于第三代電力系統初級發展階段
  
  記者:您曾經做過一個關于世界電力系統發展階段的調研,提出我國電網的發展歷程和世界電網的整體發展歷程類似。根據您的調研,新型電力系統在我國電網發展歷程中處于什么階段,為什么要提出新型電力系統概念?
  
  周孝信:新型電力系統的概念是2021年3月中央財經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”現代能源體系規劃》,進一步將“構建新型電力系統”作為重點工作任務?;仡?9世紀末以來國內外100多年的電力系統發展歷程,可以發現電力系統的發展具有明顯代際演化特征。20世紀50年代之前,全球電力系統均以小機組、低電壓、小電網為特征,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;20世紀50年代后,發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,電力系統的規??焖贁U張,逐步形成交直流混合大規?;ヂ撾娋W,到20世紀末,以大機組、超高壓、大電網為主要特征的電力系統在主要發達國家基本形成,可以稱為第二代電力系統。
  
  我國第二代電力系統的建設始于國內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,形成了我國首個超高壓跨省區域電力系統。通過20世紀末期25年的持續努力,我國已在全國范圍建成超高壓、交直流輸電的特大規?;ヂ撾娋W,形成第二代電力系統。
  
  20世紀90年代以來,人們逐漸認識到第二代電力系統高度依賴化石能源,是一種不可持續的發展模式,從而開啟了對第三代電力系統的探索和實踐。
  
  隨著風、光、水等可再生能源發電快速發展,特高壓輸電和智能電網技術飛躍進步,我國電力系統建設進入新階段,開始著力推進以可再生能源和清潔能源發電為主、骨干電源與分布式電源結合、主干電網與局域配網和分布式微網協調運行的綜合能源電力系統,可以稱之為第三代電力系統。新型電力系統就是這一階段的最終形態,是能源轉型要求下必須探求的一種可持續發展模式,當前我國電力系統處在第三代電力系統的初級發展階段,正向著新型電力系統方向發展。
  
  新型電力系統主要具有6個技術特征
  
  記者:相對傳統電力系統,我國提出構建的新型電力系統主要有哪些特征?
  
  周孝信:“雙碳”目標下,我國新型電力系統主要具有6個技術特征。
  
  一是高比例可再生能源電力系統。這是最顯著的特征,是電力系統升級換代的重要標志。
  
  二是高比例電力電子裝備電力系統。傳統的電力系統以電磁變換裝備為主,隨著超大規模交直流輸電及大量新能源機組接入系統,電力電子裝備并網數量會不斷提升、范圍不斷擴大,系統運行特性可能發生很大改變。
  
  三是多能互補綜合能源電力系統。未來的電力系統不僅具有傳統的電能生產傳輸的單一功能,還要實現風、光、水、煤等資源協同互補,電、熱、冷、氣綜合利用。
  
  四是數字化智能化智慧能源電力系統。隨著技術高速發展,先進傳感量測、信息通信等手段將與電力系統深度融合,形成高效運行、用戶友好的智慧能源系統。
  
  五是清潔高效低碳零碳電力系統。這一點是“雙碳”目標對電力系統發展的必然要求,即實現清潔能源開發利用規模增加、系統總體能源利用效率提升、二氧化碳排放有效控制,為能源轉型奠定基礎。
  
  六是高韌性本質安全可靠電力系統。集中分布并舉的生產供應和消費是未來電力系統重要結構模式,這種特征下的電網形態和電源布局,將會從結構設計層面,增強系統應對不確定性風險和故障的能力,從根本上實現“高韌性”意義上的“本質安全”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安全穩定運行,需要滿足哪些方面的性能要求?
  
  周孝信:電力系統安全穩定和經濟運行有五項性能要求。
  
  一是靈活性,即應對系統中電源出力和負荷需求的短期和中長期波動時,保持正常穩態運行的調節能力,這是電力系統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,系統快速恢復電力供應的能力,這是電力系統應對突發事件的必備條件。
  
  三是穩定性,即系統承受各類擾動后保持暫態和動態穩定的能力,這是電力系統正常和擾動后安全穩定運行的基本條件。
  
  四是可靠性,即系統不間斷地向用戶供電能力的度量,這是電力系統安全運行的基礎條件。
  
  五是經濟性,即建立在市場或非市場基礎上,系統能量損失最小或經濟社會效益最大化的運行機制體現,是電力系統為社會提供優質服務的前提條件。
  
  記者:目前新型電力系統建設還面臨哪些挑戰?
  
  周孝信:在靈活性方面,新型電力系統可再生能源占比高,而這類電源具有較強的間歇性、波動性和隨機性,調節能力也相對較弱,系統面臨巨大的靈活調節需求。
  
  在韌性方面,風電、太陽能、水能發電對氣候較為敏感,加之全球氣候變化加劇,電力系統對在極端氣候條件下快速恢復供電的韌性需求更為頻繁和迫切。
  
  在穩定性方面,新型電力系統將面臨系統低慣性、頻率電壓穩定、寬頻振蕩,以及信息物理系統、多能耦合系統穩定性等多重挑戰。
  
  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電的不確定性,均影響風電、太陽能發電入網設備和系統供電的可靠性。
  
  在經濟性方面,“雙碳”目標下,能源轉型過程中需有效化解電力成本的提高,建立有利于系統經濟高效運行及綠色低碳轉型的市場化機制。
  
  燃煤發電是我國電源結構的劣勢也是優勢
  
  記者:為應對這些挑戰,我國未來電力系統需要重點關注和發展哪些關鍵技術?
  
  周孝信:我們認為未來可能有10類具有全局性影響的關鍵技術需求,包括:可再生能源發電和綜合利用技術、燃煤發電提高靈活性和CCUS技術、新型電力電子元器件裝置和系統技術、新型儲能技術、綠色氫能生產儲運轉化和應用技術、新型輸電和超導綜合輸能技術、新型電力系統理論體系及運行控制技術、綜合能源電力系統技術、數字化智能化能源互聯網技術、綜合能源電力市場技術。
  
  記者:我國目前還有很大規模的存量傳統煤電機組,如何科學合理地推動煤電轉型升級,更好服務新型電力系統建設?
  
  周孝信:燃煤發電是我國電源結構的劣勢也是優勢。我國煤電機組服役年限普遍較短,隨著技術水平提升,近年來新建與計劃建設機組的節能減排、靈活調節等方面性能優異,而且具有較強的有功調節和電壓支撐能力,同時可為電網提供必要的轉動慣量,對電力系統安全運行有不可替代的支撐作用。若采用簡單關停方式處理,既可能造成大規模存量資產閑置浪費,也不利于一定時期內能源供應平穩過渡,需要尋求合理的措施手段推進煤電機組轉型。
  
  我們提出了一種“綜合能源生產單元”的設想,融合煤電機組碳捕集、生物質混燃、可再生能源電解水制氫、甲烷/甲醇/氨合成等技術,期望能將其作為煤電轉型路徑的一種備選方案。一方面,它可充分利用并發揮煤電資源的基礎性保障和調節能力,為高比例新能源電力系統提供靈活性支撐;另一方面,它生產的氫氣及其衍生物,可作為綠色燃料或化工原料產品,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的一種儲能介質,在保證短期及中長期能源電力可靠供應中發揮重要作用。

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