刘吉臻:新能源电力系统与再电气化

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GEDI | 南方能源建设

EnergyGedi记者 郑文棠

刘吉臻院士指出:“解决人类未来的能源问题将依赖于新能源电力,新能源电力安全、高效的生产与利用将是新能源时代永恒的主题。化石能源清洁化是能源转型的基础,清洁能源规模化是能源转型的核心,而再电气化(泛在、绿色、高效、智能)是我国实现能源转型的根本途径”。

2019年8月5日,中国工程院能源与矿业学部副主任委员刘吉臻院士在《南方能源建设》期刊主办单位中国能建广东院学术报告厅作“我国能源电力科技发展重点与关键技术”专题报告。刘院士从世界能源发展现状及趋势、中国能源发展总体目标与重点任务、传统化石能源的清洁高效利用、大规模可再生资源开发利用、高比例电能替代与再电气化、提升能源利用效率与节能等几个方面着手,详细介绍了构建“清洁低碳、安全高效”的现代能源体系所涉及的能源生产、能源转化输配和能源利用领域的科技发展重点与关键技术。以下是整理的“新能源电力系统与再电气化”的观点集锦:

什么是新能源电力系统?

随着大规模具有随机波动性的可再生能源(风能、太阳能等新能源)进入电力系统,新能源电力由现在的辅助能源、补充能源逐步过渡成为主导能源、替代能源,并在一定时期内与传统电力系统(水电、火电、核电等)构成混合能源系统,具有高比例新能源的电力系统需要在随机波动的负荷需求与随机波动的电源之间实现能源的供需平衡,其结构形态、运行控制方式以及规划建设与管理发生根本性变革,从而形成了以新能源电力生产、传输、供应与消费为主体的新一代电力系统——新能源电力系统

新能源电力的发展现状及前景

综合新能源电力的发展现状以及未来新能源电力的发展规划来看,新能源电力在电源结构布局中的比例将逐步增加,以化石能源为一次能源的传统发电比例将逐渐降低。尽管如此,在未来相当长的时间内,传统化石能源在整个能源结构中的主导地位仍然不会改变。未来几十年我国仍将处于一种传统能源与新能源此消彼长的“混合能源时期”,新能源将由现在的辅助能源、补充能源逐步过渡成为主导能源、替代能源。无论传统化石能源还是新能源的开发利用,最基本的途径就是转化为电能,坚持以电力为中心是新能源发展的重要方向,也是推进能源生产和消费方式转变的必由之路。解决人类未来的能源问题将依赖于新能源电力,新能源电力安全、高效的生产与利用将是新能源时代永恒的主题。

新能源电力系统的特征

随着以风电、太阳能发电等新能源电力的开发利用,接入电网的新能源电力比重日益提高。众所周知,电力的基本特征是难以大规模储存,电力的生产与消费必须同步进行。电力系统通过统一的调度指挥,使电力的生产跟随负荷需求的变化,保证电能的实时供需平衡。对于传统的电力系统来说,电力调度中心根据用户负荷需求变化对发电单元发出调度指令,发电单元执行自动发电控制(Automatic Generation Control,AGC)调度指令改变发电负荷,满足用户负荷需求,维持电网安全稳定,保证电能质量。当发电侧的可调度容量难以达到负荷侧需求以及发生可能影响电网安全稳定的情况时,电力调度中心将采取切除用户负荷等措施,保证电网安全稳定运行。

对于传统的火电、水电、核电、油/气发电而言,发电单元一般具有良好的可调度性能。发电机组在一定的容量范围内可以按照电网调度AGC指令变更发电功率。因此,在发电装机容量可满足用户最大负荷的前提下,整个电力系统是可调可控的。

风电、太阳能发电区别于传统发电的一个重要特征在于它的随机波动性。由于产生电力的一次能源来自于自然界空气的流动与太阳光的辐射,不仅不可储存,而且受到季节、气候和时空等的影响,具有很强的随机波动性和间歇性,因此,对于具有一定装机容量的新能源发电单元来说,其实际出力首先取决于现时刻的风力、太阳光强度的约束。当风电、太阳能发电规模化接入电网后,电力系统就必须在随机波动的发电侧与随机波动的负荷侧之间实现电力的供需平衡,保持电网的安全稳定。如下图所示。

电力系统电能实时供需平衡示意图

随着新能源电力的规模化开发和电网中新能源电力比重的增加,传统电力系统的基本特征发生了显著的变化,主要体现在以下几个方面:随机性、可控性、安全性、整体性、智能化。进而将推动电力系统的结构形态、运行控制方式以及规划建设与管理发生根本性变革,从而将逐步形成新一代电力系统,即新能源电力系统。

新能源电力系统发展模式

电力及电力系统已经过了100多年发展的历史,成为当今以化石能源为主体、以大容量发电、远距离输送、集中统一管理的现代电力系统。随着新能源电力的规模化开发以及电网中新能源电力比重的增加,新能源电力系统的特征将日益凸显。实际表明,传统的理论方法与技术不能解决新能源电力系统所面临的问题,需要深入认知新能源电力系统的特性,创新理论方法与技术,在发展智能电网技术的基础上,从系统的整体性特征出发,构成基于电源响应、电网响应和需求侧响应为一体的新能源电力系统发展模式,如下图所示。

新能源电力系统发展模式

上图给出了一个现代的动态的新能源电力系统,新能源电力系统要从电源侧、电网侧、负荷侧出发,牢牢把握三个响应:一是电源响应,包括电网友好型先进发电技术,多元互补与灵活发电技术;二是电网响应,即新型电网结构与特高压输电技术、电网智能调度控制与安全防御技术;三是负荷响应,包括可平移负荷资源利用与储能、新型用电方式与供需协同机制。

1

电网友好型先进发电技术

过去电源追求满发、稳定,电力负荷拉直线,现在则需根据电网的需求灵活发电,如通过精准的负荷预测、带储能的新能源发电技术等实现新能源发电的电网友好型控制,这样有效降低新能源规模化并网对电力系统运行的影响,促进规模化新能源电力的消纳。

2

多元互补与灵活发电技术

多能源互补是平抑新能源电力随机波动性的有效手段,但我国电源结构中匮乏燃气/油、抽水蓄能等快速性互补电源,因此中国新能源电力的规模化发展必然主要依赖于火电机组的快速深度调峰,火电灵活性调峰成为了降低弃风弃光率的最现实有效手段,而火力发电灵活控制技术是保障中国大规模开发利用新能源的根本途径。火力发电灵活控制技术包括:火电机组蓄能深度利用、供热机组热电解耦、机组灵活发电智能优化控制、大型发电厂厂级优化调度等。

作为火电来讲,灵活性必然带来火电机组效率、环保、设备寿命的损耗,特别是在大范围变负荷运行的情况下会导致其经济性、安全性、环保性的显著下降,在经济效益方面要付出代价,但收益则是弃风、弃光问题得到缓解。火电灵活性改造不宜“一刀切”,因为并非所有机组都适合进行深度调峰,不同机组的调节方式也应进行区别。

3

新型电网结构与特高压输电技术

先进的输电方式可以增强电网在大时空范围内的输送能力与资源优化配置能力。在积极探索新能源电力、储能、柔性交流输电系统(FACTS)以及高耗能负荷等在时空二维上的全局优化布局和选址定容方法的基础上,通过选择大规模集中电站并网外送、基于可调负荷和储能的就地消纳、基于微网的分布式接入等方式,结合储能、其他形式新能源、抽水蓄能等手段进行多元互补,最终实现接纳大规模新能源的目标。

在电网结构方面,可基于新能源电源时空特性和多种新型输电方式的特征构建区域电网间解耦连接、分层分区的输电网架和就地消纳与远距离输送相结合的新型电网模式。此外,研究适应同时响应负荷侧和电源侧功率随机波动特性的电网结构渐进优化理论方法,对于增强区域电网的消纳能力、实现新能源电力的安全高效传输具有十分重要的意义。

4

电网智能调度控制与安全防御技术

电网先进控制与安全防御是决定电网输送极限的又一重要因素,也是决定系统安全运行水平的关键因素。随着智能电网建设的推进,电力系统信息化程度显著提高,各种传感器的大量应用与监测平台的建设,将为新能源电力系统先进控制与安全防御提供有效的数据信息支撑。

应强化“大云物移智”等新技术与能源行业深度融合,促进电能生产、传输、利用各环节智能化水平提升,增加电网的自愈能力,显著增加用户友好性。

5

可平移负荷资源利用与储能

负荷平移能减小电网峰谷差,参与电网调频,提升电力系统稳定性。储能可以平滑新能源发电功率输出,削峰填谷,提高电力系统的可靠性。居民用电负荷中约有30%属于可平移负荷,刘吉臻举例:“比如电动汽车不管效率高与低,它是既成的储能装置,既从电网受点,也可以向电网馈电,将是一个巨大的移动的储能电站。这样的资源,将来大有前途。包括微电网,所有复杂的微电网复杂技术都离不开智能的调动和控制,实现区域内的平衡”。

6

新型用电方式与供需协同机制

需求侧负荷的友好响应是新能源电力系统的重要内容,在不影响用户生活质量的前提下,借助技术的手段、市场的手段、价格的手段引导用户使用新型用电方式,主动参与电网友好互动,实现供需协同。

总结来说:将来的智能电网就要用大系统理论观点统一考虑电源侧、电网侧和负荷侧响应,利用超锵的数据能力、运算能力、大云物移智等新技术来实现多中心的电力调度和多目标的能源优化,最终形成以能源技术与信息技术高度融合,多源互补、源网荷协同控制,网络化、信息化、智能化为特征的新能源电力系统。

再电气化是我国能源转型的根本途径

刘吉臻指出:再电气化要大幅提升我国终端能源消费中电能的比重,要坚持能源转型以电力为中心,努力实现以电代油、以电代煤和以电代气,从北方居民采暖、生产制造、交通运输、电力供应与消费等方面实现电能替代,整体提升全社会的电气化水平。化石能源清洁化是能源转型的基础,清洁能源规模化是能源转型的核心,而再电气化(泛在、绿色、高效、智能)是我国实现能源转型的根本途径。

(本文根据论坛现场发言和报告整理,未经演讲嘉宾审阅)

刘吉臻

⏬ 刘吉臻

中国工程院能源与矿业学部副主任委员,教授,博士生导师。第十二届全国政协委员。国家基础研究发展计划首席科学家,新能源电力系统国家重点实验室主任,国家电力监管委员会电力安全专家委员会委员。长期从事火力发电灵活运行以及新能源电力系统建模与控制研究。作为首席科学家主持973计划项目“智能电网中大规模新能源电力安全高效利用基础研究”,出版专著《新能源电力系统建模与控制》;主持基金委中英国际合作研究项目“含大规模分布式储能的新能源电力系统稳定分析与控制”、基金委一国家电网联合基金重点项目“大规模新能源发电主动支撑与源网协同控制”等。获得国家科技进步一等奖1项,国家科技进步二等奖2项;获得省部级科技奖6项;发表高水平学术论文百余篇。正在承担“国家中长期(2020-2035)能源发展规划研究”和“国家中长期(2020-2035)能源科技发展规划研究”等课题,并担任专家组组长。

编辑发布:《南方能源建设》编辑部 郑文棠

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本文根据论坛现场发言和报告整理,未经演讲嘉宾审阅,未经允许不得擅改、套用或已其他方式使用,转载文章请联系告知并标明出处。《南方能源建设》(CN44-1715/TK,ISSN 2095-8676)为南方电网传媒有限公司主管,中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司主办的能源行业科技期刊,2014年12月创刊,目前为全国电力优秀期刊、广东省特色科技期刊、中国核心期刊(遴选)数据库收录期刊、国家科技学术期刊开放平台收录期刊。

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