近年來,國內(nèi)外能源電力供給安全均受到了嚴(yán)峻考驗。2021年2月,美國得克薩斯州極端寒潮天氣導(dǎo)致新能源出力不足,全州電力負荷大增,電價飆升至每千瓦時9美元,一戶居民一個月電費達到1萬美元。2016年9月、2019年8月澳大利亞和英國分別發(fā)生因新能源支撐能力不足、惡劣天氣導(dǎo)致的大停電事故。而我國東北、四川等地也陸續(xù)出現(xiàn)了由一次能源引起的電力短缺事件。
經(jīng)濟社會的發(fā)展使人類對電力供應(yīng)的需求持續(xù)增加。尤其是在清潔低碳目標(biāo)的前提下,“保供應(yīng)、保安全、促消納”矛盾交織,如何穩(wěn)定安全地提供充足電力,成為電力系統(tǒng)需要積極應(yīng)對的挑戰(zhàn)。
隨著新能源利用技術(shù)、智能電網(wǎng)技術(shù)、儲能技術(shù)等多個領(lǐng)域的創(chuàng)新技術(shù)實現(xiàn)應(yīng)用,電力系統(tǒng)正在推進的演化和變革,有望“一石三鳥”地滿足經(jīng)濟、生態(tài)、用電安全三方面的共同要求。
中國工程院院士、國家電網(wǎng)有限公司一級顧問郭劍波認為,“清潔低碳、安全充裕、經(jīng)濟高效、供需協(xié)同、靈活智能”的新型電力系統(tǒng)是未來的演進發(fā)展方向。那么,新型電力系統(tǒng)離我們還有多遠?如何構(gòu)建新型電力系統(tǒng)?目前還存在哪些難點?近日,科技日報記者就上述問題專訪了郭劍波。
新能源發(fā)電對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定有何影響
記者:“雙碳”目標(biāo)下,提升新能源發(fā)電比例被視為增加發(fā)電量的最優(yōu)解。您如何看待這一觀點?
郭劍波:從實現(xiàn)綠色低碳的角度出發(fā),增加新能源的發(fā)電比例是解決人類能源問題的最佳方案之一。風(fēng)、光等可再生能源近年來發(fā)展迅速。將風(fēng)、光等可再生能源進行電力轉(zhuǎn)化,在成本、效率方面逐漸可以滿足大規(guī)模應(yīng)用的要求,最近10年我國陸上風(fēng)電成本下降了60%、光伏成本下降了80%左右。
從能源供應(yīng)的安全角度看,大力發(fā)展新能源也將為我國能源的可持續(xù)發(fā)展開辟新的支撐路徑。增加新能源發(fā)電供給有望進一步優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提高能源自給率,保障能源安全。
但是,在認可新能源發(fā)電優(yōu)勢的同時,也要考量其對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的影響。當(dāng)前我國電力系統(tǒng)有著較高的安全穩(wěn)定水平,30多年未發(fā)生大面積停電事故,保持著特大規(guī)模電網(wǎng)安全運行的世界紀(jì)錄。這樣的成績,與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)經(jīng)過100多年構(gòu)建所形成的設(shè)備、系統(tǒng)、技術(shù)、政策、法規(guī)等各方面的“自洽”密切相關(guān)。
隨著新能源發(fā)電比例的逐漸增加,新能源發(fā)電波動性、弱支撐性等特點所帶來的安全穩(wěn)定問題逐步凸顯。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的“自洽”必須尋找新的平衡模式,逐步演進為新的“自洽”,進而保持我國電力系統(tǒng)一以貫之的、高水平的安全穩(wěn)定。
記者:風(fēng)光發(fā)電波動性、弱支撐性對電力系統(tǒng)的影響大嗎?為什么?
郭劍波:新能源有波動性、隨機性,通俗理解就是“不可靠”,風(fēng)、光發(fā)電不能滿足“一插就有電”的供電需求。更具體地說,電具有商品屬性,用戶購買電,對電的供應(yīng)有質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求,即連續(xù)可靠,電壓、頻率、波形要滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,否則就是不合格的商品。“不合格的電”會帶來如燒毀電器、高精密儀器無法正常運行等問題,甚至造成巨大的生產(chǎn)損失。
此外,在極端惡劣天氣情況下。國內(nèi)外均有停電事故或電力供應(yīng)不足事故發(fā)生。我國近60年的氣象數(shù)據(jù)表明,極端天氣發(fā)生頻率呈上升趨勢,在長周期范圍內(nèi),極端天氣用電負荷與新能源發(fā)電出力也呈反調(diào)節(jié)特性,即“極熱無風(fēng),晚峰無光”的特性,這無疑增加了新能源電力供電安全風(fēng)險。
從電的商品角度出發(fā),我們會發(fā)現(xiàn),新能源發(fā)電在電的經(jīng)濟和環(huán)境成本方面貢獻很大,但在電的安全質(zhì)量方面貢獻相對較小,這與新能源的特性密切相關(guān)。比如,為了滿足用電需求,傳統(tǒng)電廠都有備用機制,達到“即便用戶多要電我也有”的效果,以防止運行預(yù)測不準(zhǔn)確。煤電廠留備用的任務(wù)已經(jīng)制度化,包括備好發(fā)電用燃煤、相應(yīng)機組等一系列方案。而風(fēng)電光伏要形成備用機制,經(jīng)濟性較差。其能源基礎(chǔ)是難以儲留的太陽能、風(fēng)能,目前無法形成制度化的備用方案和穩(wěn)定的備用供給。
提高新能源發(fā)電比例需多方協(xié)調(diào)配合
記者:我國中東部風(fēng)、光資源技術(shù)可開發(fā)量總計20億千瓦以上,遠不能滿足當(dāng)?shù)赜秒娯摵尚枨?,仍需依賴我國西北地區(qū)、東北地區(qū)的跨區(qū)輸送電量。電力空間平衡的需求帶來哪些挑戰(zhàn)?
郭劍波:從能源分布角度看,“胡煥庸線”以東屬經(jīng)濟發(fā)達地區(qū),“胡煥庸線”以西是資源富集地區(qū),存在著能源逆向分布的情況。隨著新能源發(fā)電量的增加,新能源發(fā)電的大容量遠距離外送面臨的問題更多、挑戰(zhàn)更大。
目前對于超過1000公里的大容量遠距離輸電來說,最經(jīng)濟的方式是直流輸送。但直流輸送的整流和逆變過程(交流電與直流電的變換過程),需要強電源的支撐。而新能源發(fā)電則是以電力電子換流器并入電網(wǎng),這種方式承受過電流能力低,通過這種方式產(chǎn)生的是“弱電源”。打個比方,直流輸電的整流和逆變過程需要電源的支撐,傳統(tǒng)技術(shù)中,電源的支撐能力可能如同3頭牛、5頭??钢@項工作,因此在系統(tǒng)有波動時,電源也能扛得住。而新能源并網(wǎng)時接入的換流器如同眾多“小螞蟻”,其匯集而成的力量也要承擔(dān)運送“糧草”(電力)的任務(wù),但承受系統(tǒng)故障沖擊的能力低,這就導(dǎo)致大容量遠距離外送的系統(tǒng)安全性面臨挑戰(zhàn)。
記者:增加新能源發(fā)電比例還有哪些工作要做?需要哪些方面的協(xié)調(diào)和配合?
郭劍波:隨著新能源發(fā)電比例的增加,電力行業(yè)已經(jīng)開始關(guān)注新能源發(fā)電入網(wǎng)對電力安全貢獻薄弱的問題。
例如,技術(shù)方面存在的一個瓶頸是,新能源大規(guī)模并網(wǎng)帶來的寬頻振蕩問題在不同國家和地區(qū)相繼發(fā)生,其振蕩頻率覆蓋范圍廣,從數(shù)十赫茲到數(shù)百赫茲乃至上千赫茲,機理復(fù)雜。針對上述問題,學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界均開展了相關(guān)研究。如在振蕩的抑制方面,可以通過建立千萬千瓦級新能源發(fā)電集群全電磁暫態(tài)仿真平臺,利用仿真重現(xiàn)的手段,幫助預(yù)防和解決振蕩事故;在新能源機組發(fā)電的安全穩(wěn)定性方面,主動建立并支撐電網(wǎng)頻率和電壓的構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)也得到了積極的發(fā)展。
持續(xù)提升新型電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性不完全是個技術(shù)問題,還與體系有關(guān)。以新型電力系統(tǒng)解決供需矛盾,不可能一蹴而就。比方說,過去的面粉種類有“75粉”“85粉”,同樣是100斤麥子,有的能打出75斤面粉,有的能打出85斤面粉,兩種面粉的價格肯定是不一樣的。因為前一種除去了10斤“麩糠”,進行了質(zhì)量升級的工作?,F(xiàn)在的新能源發(fā)電由于本身特點,將使得電力系統(tǒng)低慣量、低阻尼、弱電壓支撐等特點凸顯,就好像摻雜了“麩糠”的面粉,但在并網(wǎng)時電力安全和質(zhì)量成本未能體現(xiàn)在相關(guān)的核算中。隨著產(chǎn)消者的出現(xiàn),需適當(dāng)修訂現(xiàn)行的《電力法》,使其適應(yīng)新型電力系統(tǒng),也就是說要實現(xiàn)責(zé)權(quán)利對等。我們在鼓勵新商業(yè)模式和商業(yè)形態(tài)興起的同時,也應(yīng)該賦予其同等的責(zé)任。
構(gòu)建新型電力系統(tǒng)關(guān)鍵是形成新的“自恰”
記者:構(gòu)建新型電力系統(tǒng)最大的挑戰(zhàn)是什么?目前有哪些應(yīng)對舉措?
郭劍波:為解決新能源電力系統(tǒng)存在的問題,當(dāng)前也涌現(xiàn)出不少技術(shù)和方案,比如,通過儲能技術(shù)提高新能源發(fā)電的利用率。但當(dāng)前這些技術(shù)和方案仍未能同時較好地解決安全保供、治理環(huán)境、提升經(jīng)濟效益三方面的問題。新能源出力具有隨機性、波動性,電力電量時空分布極度不均衡,帶來充裕性挑戰(zhàn);新能源的弱支撐性導(dǎo)致故障對電網(wǎng)造成的打擊強度增加,帶來安全性挑戰(zhàn);新能源發(fā)電成本下降,但系統(tǒng)匹配的調(diào)節(jié)和安全成本大幅增加,需要政策機制的引導(dǎo)和保障,帶來經(jīng)濟性和體制機制挑戰(zhàn)。安全—經(jīng)濟—環(huán)境“矛盾三角形”將長期存在。如何在可接受范圍內(nèi)給出可以普及的、最優(yōu)的問題解決方案,是新能源電力系統(tǒng)面臨的難題。
從新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建來看,最大挑戰(zhàn)是如何形成新的“自洽”。我們應(yīng)該意識到,構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的根基是安全保供,它的起點和演進過程均需要依靠傳統(tǒng)電力系統(tǒng)。新型電力系統(tǒng)不是通過推翻傳統(tǒng)系統(tǒng)重新建立起來的。新型電力系統(tǒng)是在能源電力系統(tǒng)基礎(chǔ)上持續(xù)演進的過程,應(yīng)該客觀、科學(xué)地認識新能源發(fā)電的弱點,通過開發(fā)安全穩(wěn)定、成本可及、可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)彌補這些問題,逐步形成新系統(tǒng)的“自洽性”。
記者:如何理解新型電力系統(tǒng)的演進方向?如何構(gòu)建各參與主體、各關(guān)鍵要素協(xié)同發(fā)展的生態(tài)?
郭劍波:環(huán)境問題、能源危機和新能源成本下降必將加速新能源的發(fā)展,而新能源比例的增加將使得新型電力系統(tǒng)面臨的安全、經(jīng)濟、體制機制等挑戰(zhàn)來得更快、更猛烈、更復(fù)雜。因此,必須加快科技創(chuàng)新和推廣應(yīng)用,加強社會—能源—電力系統(tǒng)的協(xié)同,不斷完善政策法規(guī)。
政策應(yīng)進一步鼓勵智慧技術(shù)的應(yīng)用。新型電力系統(tǒng)是一個物理信息社會系統(tǒng),電力系統(tǒng)的運行與社會行為、信息交互的關(guān)系將會更加緊密。以電動車為例,新型電力系統(tǒng)通過交互和調(diào)度,能夠?qū)崿F(xiàn)在太陽光充足時,讓電動車多充些電、消耗負荷,在沒太陽的時候則讓電動車給電網(wǎng)供些電。這樣的交互也可以發(fā)展到溫感負荷的使用中,讓每個電力的使用者都能為電力系統(tǒng)穩(wěn)定貢獻“平衡力”。
政策還將平衡新能源開發(fā)利用的著力點。當(dāng)前,新能源開發(fā)受到行業(yè)產(chǎn)業(yè)的高度重視,但新能源真正發(fā)揮效果是在應(yīng)用中。發(fā)電后如何滿足不同用電場景、如何更便于行業(yè)企業(yè)的應(yīng)用?在這些方面,技術(shù)創(chuàng)新開發(fā)仍舊不足。
可見,新型電力系統(tǒng)的形成,離不開包括政策法規(guī)作為“指揮棒”的方向引導(dǎo)作用。
記者:黨的二十大報告指出,加快規(guī)劃建設(shè)新型能源體系。如何正確理解新型電力系統(tǒng)與新型能源體系的關(guān)系?
郭劍波:首先,從量的關(guān)系上來說,據(jù)預(yù)估,到2060年能源消費側(cè)的電力消費占比將是所有能源消費的50%以上,甚至可能達到70%,新型電力系統(tǒng)將逐步從新型能源體系的重要部分變成主要部分。其次,從相互之間的作用關(guān)系來看,能源低碳靠電力、電力安全靠能源。新型電力系統(tǒng)是源網(wǎng)荷儲協(xié)同的系統(tǒng)。在新型電力系統(tǒng)演進過程中,需要迎接多能源利用、多行業(yè)發(fā)展對電力系統(tǒng)提出的挑戰(zhàn),還要兼顧解決世界能源理事會提出的能源“三難指數(shù)”(即能源安全、能源公平、環(huán)境可持續(xù)性)的矛盾。
因此,必須運用大系統(tǒng)觀,從能源體系和社會體系的視角出發(fā),認識新型電力系統(tǒng)演化趨勢和發(fā)展規(guī)律。在新的歷史條件下,要結(jié)合中國特有的實際情況,系統(tǒng)全面地考量安全經(jīng)濟環(huán)境因素,并以之為基礎(chǔ)推進新型電力系統(tǒng)建設(shè)。
來源:科技日報 記者 張佳星
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