構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)建議

曹正清，葉鈺琰

（中電投廣西核電有限公司，廣西 南寧 530012）

0 引言

新型電力系統(tǒng)在構(gòu)建過程中具有一定復(fù)雜性，因此對其進(jìn)行全面分析，做出超前判斷十分必要，這是系統(tǒng)構(gòu)建中應(yīng)解決的問題。在此過程中需充分考慮到的電源、能源、負(fù)荷、網(wǎng)絡(luò)等多個方面，明確系統(tǒng)構(gòu)建思路，進(jìn)而推動電力行業(yè)向著更好方向發(fā)展[1]。

1 新型電力系統(tǒng)發(fā)展中面臨的變化

電力系統(tǒng)在推動碳中和、碳達(dá)峰過程中，應(yīng)注重電力系統(tǒng)的升級轉(zhuǎn)型，在此過程中，技術(shù)基礎(chǔ)、物質(zhì)基礎(chǔ)會發(fā)生較為深刻的變化，其中主要體現(xiàn)在這幾方面：首先，一次能源性發(fā)生的變化。在電力系統(tǒng)中，一次能源主體能夠從可運輸與可存儲化石能源逐漸向不能存儲、不能運輸，以及和氣象環(huán)境有關(guān)的太陽能資源、風(fēng)能資源轉(zhuǎn)變，供應(yīng)一次性能源時具有較大不確定性。其次，功能變化和能源布局變化[2]。結(jié)合我國在太陽能、風(fēng)能方面的分布情況，開發(fā)新能源時應(yīng)運用分散和集中結(jié)合的方式，如果電源總體實際接入的位置比較偏遠(yuǎn)，則低電壓等級越發(fā)深入。今后新能源將成為主體電源，成為電力電量提供者，并且形成調(diào)節(jié)、支撐以及故障穿越多種構(gòu)網(wǎng)能力。再次，形態(tài)變化和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變化。北部和西部建設(shè)的清潔能源基地為中東部地區(qū)對應(yīng)負(fù)荷中心進(jìn)行輸電的格局不發(fā)生改變，電網(wǎng)規(guī)模會明顯擴(kuò)大。同時電網(wǎng)形態(tài)由原本交直流之間混聯(lián)逐漸向柔直電網(wǎng)、微電網(wǎng)方向轉(zhuǎn)變。最后，特性和復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化。在社會不斷發(fā)展過程中，能源消費呈現(xiàn)出明顯電氣化，整體用電需求明顯增加，并且配電網(wǎng)具有有源化特點，多能可以進(jìn)行靈活轉(zhuǎn)換。從負(fù)荷上來講，由原本單一用電逐漸向著一體化發(fā)展，實際支撐能力和調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)比較明顯。除此之外，技術(shù)基礎(chǔ)也會發(fā)生變化，對于電源并網(wǎng)技術(shù)來講，從交流同步逐漸向著電力電子方向轉(zhuǎn)變，同時系統(tǒng)進(jìn)行同步運行過程中的機(jī)理從原本物理特性作為主導(dǎo)逐漸向著人為控制計算作為主導(dǎo)轉(zhuǎn)變。

2 當(dāng)前電力生產(chǎn)消費的全新特點

當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展獲得了歷史性成就，總體運行平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不斷優(yōu)化，國內(nèi)生產(chǎn)總值超過一百萬億元。電力生產(chǎn)消費呈現(xiàn)出全新特點。首先，電氣化進(jìn)程加快。生產(chǎn)領(lǐng)域、生活領(lǐng)域電氣化實現(xiàn)率呈現(xiàn)出持續(xù)提升狀態(tài)，在工業(yè)領(lǐng)域中約占25%，建筑領(lǐng)域中在16%左右。同時在交通領(lǐng)域當(dāng)中，鐵路方面實現(xiàn)的電氣化程度比較高，整體提升明顯。同時產(chǎn)業(yè)用電量呈現(xiàn)出迅速增長。在一定程度上表明經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)獲得了較大程度的優(yōu)化升級。除此之外，新業(yè)態(tài)在用電量方面呈現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)增長活力，信息技術(shù)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之間展開了深度融合，新業(yè)態(tài)、新技術(shù)以及新模式逐漸涌現(xiàn)，行業(yè)用電量增長迅速。其次，電力進(jìn)行低碳轉(zhuǎn)型明顯加速?；陔娫赐顿Y進(jìn)行分析，非化石能源在比重上可以達(dá)到90%，而煤電投資整體規(guī)模呈現(xiàn)出逐年下降趨勢。基于清潔能源進(jìn)行分析，企業(yè)、國家加強(qiáng)了清潔能源的發(fā)展力度，獲得的效果較為顯著。基于技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行分析，電力整體效能水平獲得了持續(xù)性提升，在應(yīng)用新工藝與新技術(shù)過程中，運營水平、管理水平、技術(shù)水平等均獲得了明顯提升，電力進(jìn)行節(jié)能減排也因此獲得了新成效。

3 電力系統(tǒng)發(fā)展中面臨的挑戰(zhàn)

3.1 調(diào)節(jié)系統(tǒng)平衡

首先，供需平衡理論受到挑戰(zhàn)，新能源在所占比例不斷升高過程中，系統(tǒng)調(diào)節(jié)以及供需雙側(cè)在資源方面呈現(xiàn)出明顯不確定性，系統(tǒng)原本平行機(jī)制從不確定負(fù)荷確定發(fā)電跟蹤逐漸向不確定負(fù)荷和不確定發(fā)電轉(zhuǎn)變，供需雙側(cè)在運行時會依賴于外部條件，并且依賴程度較高，因此電力系統(tǒng)中運用的供需平衡理論需要進(jìn)一步進(jìn)行完善[3]。其次，日內(nèi)調(diào)節(jié)難度較大。新能源呈現(xiàn)出的隨機(jī)波動性應(yīng)運用可控能源具有的深度調(diào)節(jié)能力進(jìn)行抵銷。當(dāng)前電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力基本上已經(jīng)得到了全面挖掘，但是仍然需要強(qiáng)大的調(diào)節(jié)能力適應(yīng)新能源在消納時的實際需要。因此遠(yuǎn)期能源作為主要能源以后，由于常規(guī)能源占比明顯下降，以及和負(fù)荷方面的側(cè)調(diào)節(jié)能力比較有限，難以使日內(nèi)消納需求獲得充分滿足。最后，季節(jié)調(diào)節(jié)需求明顯增加。進(jìn)行新能源發(fā)電時，和用電之間存在季節(jié)不能匹配的情況，處于冬季和夏季時為用電高峰期，但是新能源出力與平均水平相比更低，處于春季和秋季時，新能源大發(fā)的情況下為用電低谷。當(dāng)前運用的存儲技術(shù)僅能使日內(nèi)調(diào)節(jié)需要獲得滿足，存在的季節(jié)消納矛盾會變得更為突出。

3.2 綜合供電成本

新能源在使用過程中，不僅包括場站本體成本，也包括系統(tǒng)調(diào)節(jié)成本、靈活電源投資、補(bǔ)強(qiáng)投資、大電網(wǎng)擴(kuò)展等多項成本[4]。新能源如果電量滲透率超出10%～15%以后，將會使系統(tǒng)成本迅速進(jìn)入臨界點，今后新能源場站降低成本難以充分對沖新能源產(chǎn)生的系統(tǒng)成本。同時在滲透率不斷提高過程中，系統(tǒng)成本在疏導(dǎo)時更加困難，進(jìn)而整體供電成本將會受到顯著影響。

3.3 運行安全穩(wěn)定

首先，穩(wěn)定基礎(chǔ)理論收到了挑戰(zhàn)，新能源發(fā)電和常規(guī)機(jī)組動態(tài)性特征和同步機(jī)制存在一定區(qū)別，造成暫態(tài)功角對應(yīng)的穩(wěn)定性定義并不適用。并且電力電子設(shè)備的高比例特點造成系統(tǒng)呈現(xiàn)出控制策略主導(dǎo)、多時間尺度進(jìn)行交織、離散性、切換性特征，這就需要針對向有關(guān)過渡過程理論、非工頻穩(wěn)定性相協(xié)調(diào)理論等進(jìn)行完善。其次，控制理論需進(jìn)行創(chuàng)新。傳統(tǒng)模式下，電力系統(tǒng)進(jìn)行資源控制時主要運用大容量設(shè)備，設(shè)備為同質(zhì)化。新型電力系統(tǒng)在構(gòu)建過程中，大量電力電子設(shè)備與新能源會接入等級電壓中，使資源異質(zhì)化、碎片、時變化受到控制。

4 構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的基本保障

4.1 確保新能源和電力供應(yīng)消納

在電源側(cè)方面，首先應(yīng)注重電力供應(yīng)能力的有效提高，促進(jìn)北部地區(qū)、西部地區(qū)建立新能源基地，運用因地制宜方式推動?xùn)|中分布式新能源的發(fā)展。重視海上風(fēng)電向遠(yuǎn)海進(jìn)行拓展。煤電由原本控容減量以及增容控量逐漸向減容減量發(fā)展，將保障作用充分發(fā)揮出來，實現(xiàn)對存量資產(chǎn)的合理利用，制定退出路徑時，應(yīng)進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃。同時積極開發(fā)水電，將西南水電建設(shè)作為重點，使沿海地區(qū)進(jìn)行核電建設(shè)時在有序狀態(tài)下進(jìn)行，適時組建內(nèi)陸核電。其次，要注重有功調(diào)節(jié)能力的提高，針對運煤電機(jī)組做出靈活改造，提高機(jī)組深度調(diào)峰能力以及調(diào)節(jié)迅速。新建煤電需呈現(xiàn)出良好調(diào)峰能力。在此過程中，應(yīng)注重天然氣方面調(diào)峰電源的發(fā)展，將其具有的功率調(diào)節(jié)迅速、啟停耗時較短優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，建設(shè)時可以將其設(shè)置在電網(wǎng)靈活度較差，發(fā)電滲透率較高的區(qū)域中。新能源需根據(jù)一定比例進(jìn)行儲能配置。在電網(wǎng)側(cè)方面，新能源的使用會進(jìn)一步加大遠(yuǎn)距離外送與規(guī)模性集中開發(fā)程度，需要建設(shè)跨區(qū)域或者是跨省輸電通道，重視資源優(yōu)化配置的實現(xiàn)，建設(shè)相關(guān)平臺，并且將受端交流電網(wǎng)、送端交流電網(wǎng)以及聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，進(jìn)而使大規(guī)模以及跨區(qū)域的輸電需求獲得充分滿足。并且積極建設(shè)與微網(wǎng)、分布式發(fā)展的配電網(wǎng)，使電網(wǎng)充分體現(xiàn)出智能性，推動冷、熱、電、氣之間能夠進(jìn)行協(xié)調(diào)控制和互補(bǔ)，適應(yīng)分布清潔能源在多元負(fù)荷用電與并網(wǎng)方面的需要，保證終端能源進(jìn)行消費時的整體節(jié)能提效效果。

4.2 運用顛覆性技術(shù)

建設(shè)將新能源作為主體的全新電力系統(tǒng)過程中，運用傳統(tǒng)技術(shù)難度較大，需進(jìn)行技術(shù)革新，運用顛覆性技術(shù)。由于顛覆性技術(shù)存在較大突破難度，具有較強(qiáng)不確定性，因此需要長期進(jìn)行高投入。在此過程中應(yīng)加強(qiáng)對技術(shù)的支持，加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)工作，使電力系統(tǒng)構(gòu)建和碳中和目標(biāo)實現(xiàn)時獲得充分技術(shù)支撐。對于新型儲能技術(shù)來講，應(yīng)盡量體現(xiàn)出安全性、大容量、低成本、長壽命，使儲能形態(tài)上體現(xiàn)出廣域協(xié)同特點，資源的具有明顯的可控、可觀性，進(jìn)而使不同場景中特有的技術(shù)需求可以獲得充分滿足。對于直流組網(wǎng)技術(shù)來講，應(yīng)將柔性直流優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，針對新能源進(jìn)行多點大規(guī)模匯集，并且使其不出現(xiàn)同步電源并網(wǎng)情況，將能源輸送對應(yīng)的多端特高壓相關(guān)柔直技術(shù)作為重點，進(jìn)而在缺少同步電源支撐和網(wǎng)架薄弱的區(qū)域中實現(xiàn)對新能源的集中性開發(fā)。

5 以新能源為主體新型電力系統(tǒng)建設(shè)的策略

5.1 建設(shè)新型電力系統(tǒng)試點

在青海、西藏等地區(qū)，可再生能源在資源稟賦方面較好，發(fā)電量、發(fā)電裝機(jī)容量在全國占據(jù)前列，在青海地區(qū)，截至到2021 年11 月份，全省發(fā)電裝機(jī)達(dá)到了4070 萬kW，水電裝機(jī)為1193 萬kW，整體占比達(dá)到29.31%，而火電裝機(jī)為393 萬kW，整體占比達(dá)到9.66%。并且新能源在能源發(fā)電裝機(jī)方面為2484 萬kW，整體占比達(dá)到61.03%。西藏電網(wǎng)光伏裝機(jī)容量139 萬kW，平均利用小時數(shù)約1320h，全年發(fā)電量為16.97 億kWh?？梢栽谏鲜鰠^(qū)域中建設(shè)新型電力系統(tǒng)試點，將電網(wǎng)的拉動、支撐、服務(wù)功能充分發(fā)揮出來，為社會經(jīng)濟(jì)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造良好條件，并且為全國范圍內(nèi)建設(shè)新型電力系統(tǒng)提供經(jīng)驗支持。同時上述數(shù)據(jù)也在一定程度上表明新能源和傳統(tǒng)能源相比，優(yōu)勢比較明顯。

5.2 發(fā)揮科技引領(lǐng)作用

市場經(jīng)濟(jì)背景下應(yīng)特別重視建設(shè)重大科技對應(yīng)的攻關(guān)計劃，推動產(chǎn)學(xué)研政用的深度結(jié)合，促進(jìn)科技創(chuàng)新體系構(gòu)建。同時在新型電力系統(tǒng)方面，針對基礎(chǔ)理論應(yīng)加強(qiáng)研究，將電力系統(tǒng)對應(yīng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)、循環(huán)利用、高效碳捕捉等作為重點研究內(nèi)容?？梢赃\用聯(lián)合方式加強(qiáng)對核心技術(shù)的研制攻關(guān)，建設(shè)科技示范工程，使電工電氣裝備方面的技術(shù)水平獲得明顯提升。在建設(shè)科技示范工程過程中，可以和高校之間進(jìn)行聯(lián)合，在獲得人才支持的同時，也能實現(xiàn)度這方面科技人才的培養(yǎng)。在進(jìn)行核電發(fā)現(xiàn)時，就AP1000 核電廠來講，使用發(fā)電機(jī)屬于三相交流隱極同步發(fā)電機(jī)，專屬達(dá)到1500/min，即定繞組屬于冷水，而定子鐵心屬于氫冷，并且轉(zhuǎn)子屬于氫冷，氫氣壓力0.55MPa。對于發(fā)現(xiàn)及端部來講，通過單環(huán)雙流密封瓦對氫氣進(jìn)行密封。

5.3 推動核電新能源的使用

當(dāng)前在發(fā)展核電的道路上，多國正在同步推進(jìn)。對于中國而言，積極發(fā)展核電還可有效帶動出口，助力經(jīng)濟(jì)穩(wěn)增長。事實表明，安全如期達(dá)成“雙碳”目標(biāo)，核電“蓄能”勢在必行。隨著歐洲能源危機(jī)不斷發(fā)酵，核電發(fā)展重新受到重視。在我國，2021 年底召開的全國能源工作會議將“積極安全有序發(fā)展核電”作為重點任務(wù)，核電建設(shè)經(jīng)過長時間放緩后，再次明確將“積極”推動核電發(fā)展。在日益緊迫的“雙碳”目標(biāo)下，作為凈零排放的基荷電源，核電“蓄能”可謂正當(dāng)時。越來越多的國家和企業(yè)意識到需要核電來補(bǔ)齊能源系統(tǒng)缺口。打造清潔低碳的新型能源系統(tǒng)，核能的優(yōu)勢顯而易見。因此在新型電力系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建過程中，應(yīng)注重對核電的研究與應(yīng)用。2020 年，由發(fā)電形成的二氧化碳實際排放量在21Gt 到24Gt，煤電鏈造成歸一化健康風(fēng)險為20.12 死亡/百萬kW，核電僅為4%，即使可再生資源、水電、煤炭生產(chǎn)獲得充分利用，截止2050 年電力缺口仍會有200GW，核電成為填補(bǔ)缺口的重要途徑。

5.4 健全電力相關(guān)政策體系

應(yīng)制定適應(yīng)煤電從電力電量供應(yīng)者逐漸向調(diào)節(jié)支撐提供者的方向轉(zhuǎn)變的產(chǎn)業(yè)政策，使今后電力供應(yīng)過程中存在安全運行風(fēng)險獲得充分保證。針對光熱發(fā)電、海上風(fēng)電給予一定補(bǔ)貼和政策支持，推進(jìn)示范項目的實施，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)性體系，使產(chǎn)業(yè)獲得更好高的綜合效益，為可持續(xù)發(fā)展的實現(xiàn)創(chuàng)造良好條件。同時注重考慮不同類型儲能功能作用的發(fā)揮，了解受益對象，建立誰受益便由誰承擔(dān)的基本原則建立成本相關(guān)疏導(dǎo)機(jī)制，進(jìn)而推動儲能行業(yè)實現(xiàn)迅速發(fā)展。

6 結(jié)語

總之，構(gòu)建將新能源作為主體的全新電力系統(tǒng)能夠在一定程度上推動碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)，使我國開展的能源革命可以向更深層次邁進(jìn)，可以使生態(tài)環(huán)保與能源安全問題獲得有效解決。在此過程中，應(yīng)注重產(chǎn)業(yè)升級，積極轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展傳統(tǒng)方式。具體實施時，可以從建設(shè)新型電力系統(tǒng)試點，發(fā)揮科技引領(lǐng)作用，重視市場資源配置，健全電力相關(guān)政策體系這幾方面進(jìn)行，進(jìn)而使電力行業(yè)在發(fā)展過程中更具社會適應(yīng)性。