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科技创新支撑新型电力系统构建

作者:曾勇刚 来源:电力供需研究 发布时间:2021-05-08 浏览:
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曾勇刚 南方电网科学研究院有限责任公司党委副书记,院长

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出,“坚持创新在我国现代化建设全局中的核心地位,把科技自立自强作为国家发展的战略支撑”。

构建以新能源为主体的新型电力系统,是推动能源革命的重要战略举措,科技创新在新型电力系统构建中处于核心地位。

新型电力系统的特点与发展阶段

以新能源为主体的新型电力系统在源网荷储各环节都将呈现新的特点:

电源开发将呈现风光新能源为主体,多种清洁能源协调发展态势。初步测算,到2030和2060年,我国以风光为主的新能源发电量占比将分别超过25%和60%。新型电力系统构建过程中将逐步呈现高比例新能源特性。

终端能源消费“新电气化”进程加快,能效提升。初步测算,工业,建筑,交通三大领域终端用能电气化水平将从目前的30%,30%和5%提升至2060年的约50%,75%和50%,数字经济的快速发展也将推动终端用能电气化水平进一步提高。电力电子装备的广泛应用在提升能效的同时将使需求侧电力电子化特征凸显。

电网支撑新能源大范围优化配置的平台作用更加显著。大电网柔性互联将进一步提升更大范围资源配置能力,满足新能源基地大规模集中开发与跨省区输送需求;配电网与微电网协同发展将具备更高的灵活性和主动性,实现分布式新能源的高效就地消纳。

规模化储能将加快发展并广泛应用。高比例新能源并网消纳需要合理配置大规模储能以提高系统的可控性和灵活性。大量电力电子变换器型储能装置在增加系统灵活性的同时,也使得系统特性复杂度进一步增加。

电力市场在资源优化配置和市场主体利益协调中的作用更加凸显。新能源和传统电源角色发生转变,需要有高效完善的电力市场支撑,以更高效地协调不同市场主体的利益诉求,实现全要素资源的充分投入和优化配置,这对灵活高效的市场机制设计与实现技术提出了更高要求。

基于新型电力系统的以上特点,从动态发展的角度,我国新型电力系统的构建将大致经历以下4个阶段:第一阶段,预计到2030年,新能源装机占比在各类型电源中居首位,处于相对主导地位,支撑“碳达峰”目标实现;第二阶段,新能源装机占比超过50%,处于主导地位;第三阶段,新能源发电量占比超过50%,处于绝对主导地位;第四阶段,新能源发电量占比超过60%,全面支撑2060年“碳中和”目标实现。

构建新型电力系统面临的挑战

新型电力系统将呈现高比例新能源与高度电力电子化特征,对可靠供电,安全稳定和经济运行带来新的挑战。

电力系统持续可靠供电面临新挑战。风光等新能源发电具有较强的随机性,波动性和间歇性。大规模新能源并网后,不同时间尺度供需平衡调控难度大幅增加,对新能源资源评估与发电预测,电力电量平衡,大范围资源配置,规模化储能等技术提出了更高要求。此外,风光新能源高度依赖自然条件,发电设备耐受极端天气能力脆弱,系统保底供电能力和快速恢复能力面临更大挑战。

电网安全稳定运行面临新挑战。新型电力系统在延续交直流复杂大电网特征的同时,由于源网荷储各环节高度电力电子化,将呈现低转动惯量,宽频域振荡等新的动态特征,系统功角稳定,频率稳定,电压稳定问题更加复杂。目前构筑于以传统同步发电机为主体之上的系统运行控制理论与技术,难以满足新型电力系统安全运行要求,系统基础理论,分析方法,控制技术亟须全面创新与突破。

电能供应经济性面临新挑战。新能源能量密度小,发电年利用小时数低,且大型新能源基地通常远离负荷中心,为保障高比例新能源并网消纳,系统安全与可靠供电,总体上新型电力系统建设和运营成本将上升。需要先进的数字化技术与电力电子技术提升各环节运行效率,灵活的市场机制释放源网荷储各方潜力,将供电成本控制在合理范围。

科技创新是构建新型电力系统的关键支撑

2021年3月16日,南方电网公司印发了《南方电网公司加强国家战略科技力量建设的实施意见》,明确了高比例新能源和高比例电力电子装备接入电网的稳定运行控制,超远距离跨区域大容量特高压直流输电等十大重点研发方向和电力系统自主专用芯片等八大产业链方向,组建海上风电,先进储能技术等16个联合实验室,成立了交直流串并联复杂大电网规划与运行,储能与可再生能源,数字电网与人工智能等九大科研团队。南方电网公司将依托以上优势科技资源,针对构建新型电力系统面临的挑战,重点从以下方面开展科技攻关。大规模新能源高效消纳技术。

大规模新能源并网消纳是构建新型电力系统亟须解决的首要问题。在新能源发电特性方面需突破集中式与分散式风光资源精细化评估技术,新能源发电多时空尺度出力特性分析技术,新能源发电场站和集群精确建模技术,新能源发电监测与预测技术。在新能源消纳方面需突破源网荷储协调规划技术,概率化电力电量平衡与全景运行模拟技术,电网大规模新能源承载能力提升技术。

远距离大容量直流输电与电网柔性互联技术。为实现大规模新能源在更大区域的优化配置,需大幅提升电网柔性互联和跨省区输电能力。在远距离大容量直流输电方面依托直流输电技术国家重点实验室等平台,突破大容量高海拔特高压柔性多端直流输电技术,远海风电柔性直流输电技术。在电网柔性互联方面需突破数字技术与先进电力电子技术融合的大电网柔性互联技术,满足分布式新能源高效并网消纳的交直流配电网与智能微网技术。

高比例新能源和高比例电力电子装备接入电网的稳定运行控制技术。为应对新型电力系统潮流复杂多变,高度电力电子化带来的挑战,系统运行控制技术亟须变革创新。需突破高比例电力电子化系统稳定基础理论,柔性电网多时间尺度仿真技术,特大型交直流串并联复杂大电网数字化调控技术,新型电力系统安全稳定防控体系重构技术,针对极端天气及外部攻击的系统主动防御与快速恢复技术。

先进储能及应用技术。储能是提升电网灵活性和新能源消纳水平,保障电网安全可靠的关键环节。需重点研究支撑大规模新能源柔性并网和分布式新能源开放接入的储能配置,系统集成与调控技术,源网荷侧多类型储能应用技术,突破新一代先进储能器件,装备与回收利用技术,新型/小型化抽水蓄能设计施工与运维技术。

促进新能源消纳的电力市场技术。有效电力市场机制在挖掘各类资源调节潜力,促进新能源消纳中的作用将更加凸显。需重点研究适应新能源为主体的多类型市场品种交易机制,促进新能源消纳的现货电能量市场,辅助服务市场交易机制与实现技术,灵活多样的市场化需求响应交易模式。

需求侧响应与虚拟电厂技术。需求侧资源参与系统功率整体平衡是新型电力系统安全经济运行的必然要求。需突破海量多元用户的供需互动与能效提升技术,规模化灵活资源虚拟电厂聚合调控技术,电热冷气多元融合技术,电动汽车与电网互动技术。

数字电网与人工智能技术。数字与物理系统深度融合是新型电力系统显著特征。需突破电力专用芯片及智能传感技术,物联感知及通信技术,数字电网平台及人工智能技术,数字电网一体化安全防护与支撑技术。

南方电网公司将整合优势资源,加大关键技术的集中攻关,试验示范,推广应用,形成具有我国自主知识产权的新型电力系统关键技术与标准体系,成为国家战略科技力量,以科技创新支撑新型电力系统构建,为我国实现碳达峰,碳中和目标贡献力量。

来源:南方能源观察

首发于《中国电力报》2021年4月26日第二版

关键字:电力系统

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