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中国科学院院士周孝信:构建新型电力系统 帮助实现“双碳”目标

科技日报记者 陈瑜。双碳

在“双碳”目标下,中国风电、科学太阳能发电等新能源项目的院院建设正在加快。许多新因素的士周实现加入使电力系统的复杂性翻了一番,挑战了电力系统的孝信新型系统安全稳定运行。

新的构建电力系统在哪里?新能源体系建设的背景是什么,具有什么特殊意义?近日,电力记者采访了中国科学院院士周孝信。帮助

中国正处于第三代电力系统的目标初级发展阶段。

记者:您对世界电力系统的双碳发展阶段进行了研究,提出中国电网的中国发展过程与世界电网的整体发展过程相似。根据您的科学研究,新电力系统在我国电网发展过程中处于什么阶段,院院为什么要提出新电力系统的士周实现概念?

周孝信:2021年3月,中央财经委员会第九次会议首次提出了新电力系统的概念。此后,《2030年前碳达峰行动计划》和《十四五现代能源系统规划》进一步以“建设新电力系统”为重点任务。回顾19世纪末以来国内外电力系统100多年的发展历程,可以发现电力系统的发展具有明显的代际演变特征。20世纪50年代以前,全球电力系统以小机组、低压、小电网为特征,电压等级一般在220kV以下,可称为第一代电力系统;20世纪50年代以后,单机容量大幅增加,输电电压等级达到330kV至750kV超高压水平,电力系统规模迅速扩大,交流直流混合大型互联网逐渐形成,到20世纪末,以大机组、超高压、大电网为主要特征的电力系统在主要发达国家基本形成,可称为第二代电力系统。

中国第二代电力系统的建设始于甘肃省刘家峡市第一座容量超过100万千瓦的大型水电站。配套建设的330千伏超高压输电线路向甘肃、陕西、青海和宁夏发电,形成了中国第一个跨省超高压电力系统。

中国第二代电力系统的建设始于甘肃省刘家峡第一个容量超过100万千瓦的大型水电站。330kV超高压输电线路将电力输送到甘肃、陕西、青海、宁夏,形成了中国第一个超高压跨省区域电力系统。经过20世纪末25年的持续努力,中国在全国范围内建立了超高压、交直流输电的大型互联网电网,形成了第二代电力系统。

自20世纪90年代以来,人们逐渐意识到第二代电力系统高度依赖化石能源,这是一种不可持续的发展模式,从而开始了对第三代电力系统的探索和实践。

随着风、光、水等可再生能源发电的快速发展,特高压输电和智能电网技术的飞跃和进步,我国电力系统建设进入了一个新阶段,开始推进以可再生能源和清洁能源发电为主的综合能源电力系统,主干电源与分布式电源相结合,主干电网与局域配电网和分布式微网协调运行,可称为第三代电力系统。新型电力系统是现阶段的最终形式,是能源转型要求下必须探索的可持续发展模式。目前,我国电力系统正处于第三代电力系统的初级发展阶段,正朝着新型电力系统的方向发展。

新型电力系统主要具有6个技术特点。

记者:与传统电力系统相比,我国提出建设新型电力系统的主要特点是什么?

周孝信:在“双碳”目标下,我国新型电力系统主要有六大技术特点。一是可再生能源电力系统比例高。这是电力系统升级换代最显著的特征和重要标志。二是高比例电力电子设备电力系统。传统的电力系统主要是电磁变换设备。随着大规模交直流输电和大量新能源机组接入系统,电力和电子设备的数量将继续增加,范围将继续扩大,系统的运行特性可能会发生很大的变化。三是综合能源电力系统多能互补。未来的电力系统不仅具有传统电能生产传输的单一功能,还实现风、光、水、煤等资源的协调互补,综合利用电、热、冷、气。四是数字智能智能能源电力系统。随着技术的快速发展,先进的传感测量、信息通信等手段将与电力系统深度融合,形成高效运行、用户友好的智能能源系统。第五,清洁高效低碳零碳电力系统。这是“双碳”目标对电力系统发展的必然要求,即增加清洁能源开发利用规模,提高系统整体能源利用效率,有效控制二氧化碳排放,为能源转型奠定基础。六是安全可靠的高韧性电力系统。集中分布的生产、供应和消费是未来电力系统的重要结构模式。在这一特点下,电网形式和电源布局将从结构设计层面提高系统应对不确定性风险和故障的能力,从根本上提高“高韧性”意义上的“基本安全”和可靠性。

记者:保证具有上述特点的新型电力系统安全稳定运行需要满足哪些性能要求?

周孝信:电力系统安全稳定,经济运行有五个性能要求。一是灵活性,即在应对系统中电源输出和负荷需求的短期和中长期波动时,保持正常稳定运行的调节能力,是电力系统源负荷平衡保持正常运行的必要条件。二是韧性,即在极端气候或外力严重干扰下,系统快速恢复供电能力,这是电力系统应对突发事件的必要条件。第三,稳定性,即系统在承受各种干扰后保持临时和动态稳定的能力,这是电力系统正常和干扰后安全稳定运行的基本条件。第四,可靠性,即系统对用户供电能力的不间断测量,这是电力系统安全运行的基本条件。第五,经济是电力系统在市场或非市场基础上为社会提供优质服务的前提,体现了系统能源损失最小或经济社会效益最大化的运行机制。

记者:新电力系统建设仍面临哪些挑战?

周孝信:在灵活性方面,新电力系统的可再生能源比例较高,间歇性、波动性和随机性强,调节能力相对较弱,系统面临着巨大的灵活调节需求。

在韧性方面,风电、太阳能和水能发电对气候更敏感。此外,随着全球气候变化的加剧,电力系统对极端气候条件下快速恢复供电的韧性需求更加频繁和迫切。

在稳定性方面,新型电力系统将面临多重挑战,如系统惯性低、频率电压稳定、宽频振荡、信息物理系统稳定、多能耦合系统稳定等。

在可靠性方面,电力电子设备过载能力弱、抗故障能力差、新能源发电不确定性都会影响风电、太阳能发电接入设备和系统供电的可靠性。

在经济方面,在“双碳”目标下,需要有效解决能源转型过程中电力成本的增加,建立有利于系统经济高效运行和绿色低碳转型的市场化机制。

燃煤发电是我国电力结构的劣势和优势。

记者:为了应对这些挑战,中国未来电力系统需要关注和发展哪些关键技术?

周孝信:我们认为未来可能会有10种关键技术需求具有全球影响,包括:可再生能源发电和综合利用技术、燃煤发电提高灵活性和CCUS技术、新型电力电子元器件和系统技术、新型储能技术、绿色氢能生产、储存、运行和应用技术、新型输电和超导综合输能技术、新型电力系统理论体系和运行控制技术、综合能源电力系统技术、数字智能能源互联网技术、综合能源电力市场技术。

记者:我国仍有大规模的传统煤电机组,如何科学合理地促进煤电转型升级,更好地服务于新电力系统的建设?

记者:中国仍有大量的传统煤电机组。如何科学合理地推进煤电转型升级,更好地为新型电力系统建设服务?


周孝信:燃煤发电不仅是中国电力结构的劣势,也是中国的优势。我国煤电机组使用寿命一般较短,随着技术水平的提高,近年来新建和计划建设机组节能减排、灵活调整性能优异,具有较强的有功调节和电压支撑能力,可为电网提供必要的旋转惯性,对电力系统的安全运行具有不可替代的支撑作用。如果采用简单的关闭方式,不仅可能造成大规模股票资产的闲置浪费,而且不利于一定时期内能源供应的稳定过渡。有必要寻求促进煤电机组转型的合理措施。我们提出了“综合能源生产单位”的理念,将煤电机组碳捕集、生物质混合燃烧、可再生能源电解水制氢、甲烷/甲醇/氨合成等技术相结合,预计将其作为煤电转型路径的替代方案。一方面可以充分利用和发挥煤电资源的基本保障和调节能力,为高比例新能源电力系统提供灵活支持;另一方面,氢及其衍生物可作为绿色燃料或化工原料产品,为化石能源替代提供一定的来源补充,作为未来新电力系统的储能介质,在确保短期、中长期能源供应可靠方面发挥重要作用。
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