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高压电气元件系列 | News Center

新型电力系统有哪些特征?新型电力系统面临哪些挑战?

发布时间:2022-05-01 05:37:35 来源:环球体育bet

  新型电力系统核心特征在于新能源占据主导地位,成为主要能源形式。随着我国碳达峰与碳中和目标的提出,新能源在一次能源消费中的比重不断增加,加速替代化石能源。未来我国将是我国发展最快的电源类型,到 2060约 60%,发电量占比之和达到约 35%。态势。在电源总装机容量中,陆上风电、光伏未来新能源的广泛接入也将呈现集中式与分布式并举的态势。西北、华北、东北地区大规模风光基地、西南地区水电基地、东部沿海地区海上风电基地,以及因地制宜、数量可观、就近消纳的分布式电源,共同缓解我国资源逆向分布问题。

  未来新能源的广泛接入还将呈现智能灵活、友好并网、高效环保的特征。通过储能、交直流组网与多场景融合应用提升智能灵活;通过“风光水火储”多能互补、集群调度、气象大数据发电预测、广义虚拟同步技术,提升友好并网与主动支撑性能;通过新型风能捕捉与大叶轮、新型光伏电池、数字智能运维、环保材料提升效率与可靠性;并且构建灵活性火电机组、天然气与储氢调峰电站、储热与储能电站的调峰电源体系。

  新型电力系统需要解决高比例新能源接入下系统强不确定性(即,随机性与波动性)与脆弱性问题,充分发挥电网大范围资源配置的能力。未来电网将呈现出交直流远距离输电、区域电网互联、主网与微电网互动的形态。

  特高压交直流远距离输电成为重要的清洁能源配置手段。分布式电源按电压等级分层接入,实现就地消纳与平衡。储能与需求侧响应快速发展,预计 2060年需求响应规模有望达到 3.6 亿千瓦左右,储能装机将达 4.2 亿千瓦左右,两者将成为未来电力系统重要的灵活性资源,保障新能源消纳和系统安全稳定运行。 新一代调度体系。主要包括:

  3)从单点故障触发的被动式保护演变为电力物联网全局感知提前预防的主动防御;

  5)高弹性电网的核心在于建立全网协同、数据驱动、主动防御、智能决策复合潮流控制及动态增容等新型电力电子装置的手段丰富的调度调节资源。

  6)从传统机电动作缓慢响应(秒级)调频资源不足演变为具有灵活性电源、储能、需求侧响应、宽频振荡抑制;

  7)从传统调峰高弹性电网的基础在于建设万物互联的电力物联网。基于物联网智能传感、边缘计算融合网关、智能终端以及安全芯片等感知设备,实现全环节数据可测可采可传,且各类终端与设备即插即用、安全接入、万物互联;通过5G光纤/物联网等现代通讯网络,实现数据快速上传;通过人工智能、大数据等先进算法,基于云平台实现智能发电、智能调度、智能运维的全场景与全链条智能化。

  未来终端用能结构中,电气化水平持续提升,电能逐步成为最主要的能源消费品种。根据有关机构预测, 2025 费中的主导地位,电能占终端能源消费比重在 2035 年和 2060年有望分 别达到约 45%和 70%。围绕着满足人民对美好生活的向往,电能替代、电动汽车、清洁供暖、屋顶光伏、家用储能设备及智能家居的广泛应用使用电负荷朝着多元化方向发展。

  在能源互联网背景下,既是消费者,又是生产者的全新模式改变着能源电力服务形态,需求侧响应、虚拟电厂及分布式交易越来越多成为用户的新选择。在能源互联网新消费下,除了普遍服务外,绿色电力、定制化服务、优质供电、精准计量、电力大数据增值服务成为用户的新需求。

  我国正在建设的能源互联网是推动能源革命的技术路径。在物理层,能源互联网需要建设以新一代电力系统为基础,与天然气、交通、建筑等多个领域互联互通的综合能源网络。

  在生产侧,多品种能源需要结合各自特点,发挥所长,进行互联互通,优势互补;在传输侧,智能电网与热力管网、天然气管网、交通网络进行互联互通,协同调度;

  在消费侧,电冷热气水进行综合能源供应。电力物联网成为网络安全的重点环节。建设“安全芯片-终端认证-数据可信-网络加密-应用密钥”在信息层,电力网络逐步与现代通信网络融合,共同构建信息物理社会的主动式全域网络安全防护体系,打造全息全景感知、信息高效处理、数据数字安全、应用便捷灵活的开放安全物联网络。

  在数据层,电力行业进行数字化转型,建设具有活力的电力数字生态。电力大数据服务社会治理与经济发展,数字电网平台赋能,培育新型电力数字产业;对接工业互联网,服务数字政府和智慧城市;对接能源价值链各环节资源,发挥企业间的互利共生优势,构建产业链合作平台与新能源电力生态。

  总的来说,未来新型电力系统的核心特征是新能源占主体地位。同时围绕着满足人民对美好生活的向往,电动汽车、清洁供暖、屋顶光伏、家用储能、智能家居以及电能替代的广泛应用,使得用电负荷朝着多元化方向发展。面对源荷两端重大变化,电网功能与形态的也需要进行深刻的变革。为推动能源革命战略,落实 2030年碳达峰和 2060建“清洁低碳、安全高效”新型电力系统。这一历史任务意义重大。

  欲带皇冠,必承其重,欲握玫瑰,必承其痛。承载着党与国家厚望的新型电力系统不仅是历史使命,而且也是重大挑战。现有电力系统并不能简单的能源系统,建设适应高比例新能源广泛接入的地以线性发展方式演变到更高阶段的新型电力系统,二者存在较大的差异性。归纳总结本质性的技术,其演变过程为三点:

  首先,电源端具有强不确定性。我国电源结构将从传统火电机组为主导,逐步演变为未来的新能源机组为主导。未来风电和光伏发电的装机容量将呈现持续上升趋势,预计 2060年两者装机容量占比之和达到约 60%,发电 量占比之和达到约 35%。现有常规火电、水电或者核电出力呈现一定的规律性和可控性;而风电与光伏等新能源出力具有多时空的强不确定性和不可控性。

  其次,负荷端具有强不确定性。未来,电能逐步成为最主要的能源消费年后电力将取代煤炭在终端能源消费中的主导地位。现有电力负荷变化相对有规律,整个电力系统的运行方式相对固定,例如在电力系统规划时,只需要选取不同季节的典型日或时的负荷曲线便可以进行预测。而高度电气化下负荷结构多元化,电动汽车充电与电供暖等用电行为的时空随机分布,以及用户侧的有源化特征凸显,都会加剧负荷的不可预见性。目前,我国电网负荷的峰谷差正在逐渐加大。

  再次,电力潮流具有强不确定性。在较少新能源并网时,由于负荷变相对有规律,传统电力系统“源随荷走”的运行方式相对固定。而在高比新能源电力系统中,由于在源端和荷端存在较大的不确定性,电力系统运行的“边界条件”将更加多样化。输电网的联络线潮流可能跟随新能源的出力波动而大幅变动(甚至双向流动),配电网的分布式新能源与虚拟电厂也会改变电力潮流。

  新能源的并网、传输和消纳在源-网-荷端引入了更多电力电子装备,电力系统呈现显著的电力电子化趋势问题。因此,电力系统基本特性将由旋转电机主导的机电稳态过程为主演变为电力电子装备的电磁暂态过程为主。现有火电、水电等传统机组采用同步电机,具有较强的机械惯性,因此,电力系统具有较大的时间常数(秒-分钟级),系统频率以工频(五十赫兹)为主。而电力电子装置具有低惯性、低短路容量、弱抗扰性和多时间尺度响应特性,导致电力电子化电力系统时间常数更小(毫秒级)、频域更宽(几百赫兹)、安全域更复杂。在多种扰动情形下系统的机电暂态和电磁振荡等多重因素交互影响,例如,目前新能源基地出现的暂态电压支撑不足、风电机组并网的高/低电压穿越停机脱网、宽频振荡、多馈入直流换相失败等都 是电力电子化系统的具体表现。

  能源互联网需要建设以新能源电力系统为基础,与天然气、交通、建筑等多个领域互联互通的综合能源网络。因此,现有的电力系统将与热力管网、天然气管网、交通网络进行互联互通,构成综合能源系统。而且,天然气与氢能源的储备与传输将与电力系统深度融合,发挥重要的调峰作用。

  在现有技术条件下,新能源出力不确定性强,具有随机性、波动性、反调峰特点,“极热无风”、“晚峰无光”、“大装机、小电量”成为行业弊端。从现有电力系统向新型电力系统演变,将会面临重要的技术挑战,现有技术体系还不足以支撑未来新型电力系统的建设,主要不足体现在:

  (1)电源和电网规划统筹协调不够。送端配套电源建设滞后和受端电网承载能力不足。电网结构尚不能完全满足大范围资源配置以及分布式广泛接入的需要。

  (2)电力系统平衡能力严重不足。新能源机组尚不具备与传统电源机组相当的电网安全稳定支撑能力,耐受电网扰动能力较低。现有火电灵活性改造和抽水蓄能的电源灵活调节能力不足,无法完全满足与高比例新能源接入情况下的系统调峰调频需求。

  (3)电力系统调节控制能力不足。系统运行中已经出现了动态无功支撑不足、频率调节和稳定不足、短路电流超标、传统同步稳定和新形态稳定交织等安全问题。此外,大量新兴的分布式发电的“弱调度”或“无调度”特点,导致电力系统协调运行控制难度持续增大。由于“数据烟囱”,贯 通“发电-电网-用户”度体系的基础还没有完全建立。

  (4)电力装备支撑能力不足。面向新型电力系统电力电子化的特性,现有输变电设备的适应性亟需升级,需要向更敏捷、更智能、更高承载能力方向发展。特别是现有电力系统用电力电子器件过载承受能力低,在物理上决定了装备与系统的脆弱性,急需提升器件水平。此外,大容量储能系统的实用化水平亟需提高,成本、安全和效率仍是储能大规模推广的主要障碍。

  (5)电力系统基础理论体系亟需提升。传统电力系统技术体系不适应大规模新能源和电力电子装备发展的问题逐步显现。在规划层面,电力电量平衡以及容量充裕度的概念与方法应由目前确定性的思路向概率性的思路转化。在运行层面,需要深入掌握电力电子动态特性,提高复杂环境下的系统分析手段。

  科技创新是构建清洁低碳安全高效的能源体系、构建新型电力系统的科学道路和必然选择。

  当前,科技革命和产业变革日新月异,能源互联网、数字能源、电力物联网等领域向纵深发展。以可再生能源发电、分布式电源、微电网、储能、电动汽车为代表的能源生产消费技术正在加速传统电力行业向新能源电力系统演变;以大数据、云平台、物联网、移动通讯、人工智能、区块链等为代表的数字互联网技术正在推动全球工业经济向数字经济演变;以电力电子、智能传感、超导及石墨烯材料为代表的装备制造技术层出不穷。因此,随着各种新型技术和开发利用方式的不断涌现,新能源电力系统装备技术面临着不断创新突破的可能和重大需求。为构建具备“高度电气化的负荷多元互动、基础设施多网融合数字赋能”特征的新型电 力系统,应建立多学科融合下的多维立体化的科学技术体系。

  主要方向是围绕高比例新能源接入,构建合理高比例新能源广泛接入、高弹性电网灵活可靠配置资源、的调峰电源体系。新能源机组应具备智能灵活、友好并网、高效环保的特点,调峰电源具备灵活机动、深度调峰、快速启停能力。

  风电:发展大叶轮、高效率、电网友好型风机;研究具备抗扰性、自适应并网与主动支撑功能的并网变流器技术及应用;发展海上风电技术;发展低速风电与高空风电,集中式与分散式风电并举,使得不同地理环境的风能资源都得到了利用;陆上风电与海上风电进入智能化运维阶段。

  光伏与光热:推广普及高效电池技术和工艺,提高晶硅电池效率;研制具备抗扰性、自适应并网与主动支撑功能的并网变流器技术及应用;发展储热介质技术,逐步推进太阳能热发电向高效率、低成本、高可靠性发展。

  水电及抽水蓄能:提升水泵水轮机水力稳定性和鱼友型水轮机;发展超高水头、超低水头水轮机设计理论和水电设备监测与智能诊断技术;对现有水电站增加抽水蓄能功能。

  调峰电源。构建灵活性火电、抽水蓄能、天然气调峰电站、储氢调峰电站、储能电站、虚拟电厂等调峰电源体系;提升调峰机组的灵活性、深度调峰、快速启停能力;结合储能提升新能源机组的可调度性和调峰机组的功率调节速率。

  碳捕获与封存或使用技术。碳中性燃料技术。利用清洁能源生产碳中性气体和液体燃料,包括氢、氨和烃类载体等。可以长期储存电力和运输燃料,也可用于发电,尤其是调峰电厂。更长远的还有微型反应堆和核聚变技术。

  主要方向是建设高弹性电网,充分发挥电网大范围资源配置的能力,包括:构建交直流远距离输电、区域互联、主网与微网互动的形态;不断完善新三道防线,建立全网协同、数据驱动、主动防御、智能决策的新一代调度体系。 特高压输电。开展卡脖子装备的国产化研究进程;掌握特殊环境下特高压技术,推动全国不同气候、环境条件的地区的电网广泛互联;开展先进传感、无人机与人工智能对特高压线路与装备的智能运维、故障诊断研究,提高运行可靠性与效率。

  柔性直流输电。开展使用架空线的柔性直流输电工程应用技术实践;开展直流限流器、直流潮流控制器等新型装备技术研究与应用;完成海上平台的紧凑化换流阀研究与应用;开展基于宽禁带器件/电力专用硅基器件的柔 性直流关键设备研制与应用。

  灵活交流输电。开展超大容量兼备潮流控制与短路电流限制的功能复合型装备研究与应用;开展动态增容线路技术、基于超导或碳纤维新材料的输电技术研究和应用;基于宽禁带器件/电力专用硅基器件的 FACTs 新型装 备研究与应用。

  交直流配电网。微电网/“源-网-荷-储”微能源网成为未来终端能源供应的重要形态,不仅可以实现自洽自治,提高供电可靠性,而且能够对主网提供支撑;构建相协调的区域性分布式发电群控群调系统;完成基于电力物联网的配电自动化系统建设;开展能源(电力)路由器、故障自愈拓扑重构的电力电子软开关等新型装备研究与应用。

  智能调度。近期丰富“三道防线”,结合电力电子、智能传感、 5G/光纤通信与人工智能技术,实现快速可靠的继电保护、精准稳控装置和网荷互动微网支撑的失步解列措施。中长期构建新一代全网协同、数据驱动、智能决策、主动防御的智能调度体系。建设超大规模全电磁暂态仿真系统;开展人工智能等先进算法的深化研究与应用;开展基于物联网与 5G 的电网 控制保护及调度运行的关键装备研制与应用。

  主要方向是实现高度电气化负荷多元互动,并且挖掘用户侧潜力,通过互联网聚合下的用户互动与需求响应,提升系统效率。微电网与分布式电源取得长足进展,成为综合能源供应的重要支撑。普遍推广;建筑的终端能源消费中,电能占比逐步提高。

  综合能源供应。工业园区与公共建筑成为开展综合能源服务的重点对象;节能绿色建筑。光伏建筑一体化、可再生能源建筑及(近)零能耗建筑终端能源生产者与消费者结合紧密。需求响应激励政策清晰,虚拟电厂商业模式成立,而且用户侧储能与分布式光伏的普及促进虚拟电厂的技术进步。

  车网融合。电动汽车及氢能源汽车全面替代传统能源汽车,交通领域形态发生根本性变化,具备显著的清洁化、互动化、智能化特征。能源互联网车桩网互动模式普及。

  电能质量。开展储能型、综合型电能质量装置研究及应用,有效解决大规模联网、复杂电网形式、大功率非线性负荷等对电网提出的新问题和挑战。

  发展抽水蓄能、压缩空气储能、储氢、储热等跨季的长时间尺度储能技术;发展电池储能、飞轮储能、小型空气储能等短时间尺度储能技术;发展固态电池、锂硫电池、金属空气等新体系电池技术;发展储能在大规模新能源基地和微电网及用户侧的广泛应用;促进长寿命、低成本、高可靠性各类储能成为我国能源系统的重要调节手段。

  建设能源互联网数字化技术体系,持续进行能源数字新基建,奠定数字化基础。重点加强“卡脖子”高端芯片、智能传感、边缘计算、区块链和人工智能算法等关键核心技术攻关。开展国产化芯片以及智能传感器研制及大规模上线,全面覆盖能源应用各个场景,实现终端泛在接入;开展量子通信研究与应用,基于光纤、 5G 与北斗卫星等建设“空天地海”一体化通信网,实现能源场景全覆盖与网络快速传输;打通行业数据壁垒,深度实现云端智能管控;构建以全息感知的数据基础、开放共享的知识体系、融合创新的智慧应用为特征的能源人工智能架构,实现共享高效利用;研发自主可控的国产化行业操作系统。

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