面向節(jié)能減排的電網(wǎng)低碳發(fā)展關鍵技術與應用

魏光明，邱 東，孫春山，虎亞玲，張 江

（國網(wǎng)甘肅省電力公司 蘭州供電公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，使得電力能源的消耗日益增加，同時帶來了嚴重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞問題。電力行業(yè)作為能源消耗和污染物排放的大戶，其節(jié)能減排工作成為我國實現(xiàn)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要保障[1]。國家出臺了一系列鼓勵節(jié)能減排的政策措施，節(jié)能減排工作取得了積極成效，但仍存在一些問題：（1）傳統(tǒng)高能耗、高污染的發(fā)電方式仍在運行，煤耗高、排放大；（2）電力消費結(jié)構(gòu)不合理，電力消費增長快于用電量增長；（3）發(fā)電燃料結(jié)構(gòu)單一，煤炭比例過高；（4）發(fā)電設備利用效率偏低[2]。隨著能源革命和供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的不斷深入推進，我國將加快推進能源生產(chǎn)和消費革命，調(diào)整優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，加快綠色低碳轉(zhuǎn)型；大力發(fā)展非化石能源，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)[3]。在此背景下，電力行業(yè)應積極探索面向節(jié)能減排的電網(wǎng)低碳發(fā)展關鍵技術體系及其應用方案。在電網(wǎng)規(guī)劃和建設方面應將節(jié)能減排理念貫穿于電網(wǎng)建設全過程，從電源規(guī)劃、電網(wǎng)規(guī)劃、輸電規(guī)劃以及配電規(guī)劃等方面入手，并在電網(wǎng)運行管理方面將節(jié)能減排理念貫穿于電力生產(chǎn)、傳輸和消費全過程。

1 節(jié)能減排面臨的主要問題

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和工業(yè)化進程的加快，工業(yè)生產(chǎn)過程中所排放的廢水、廢氣、廢渣等污染物對生態(tài)環(huán)境造成的污染日益加重，尤其是一些火電企業(yè)“三廢”（廢水、廢氣、廢渣）排放嚴重，已經(jīng)成為制約我國可持續(xù)發(fā)展的重要因素。近年來，我國經(jīng)濟保持快速發(fā)展，全社會用電量持續(xù)快速增長，但用電量的增長速度要遠高于經(jīng)濟增長速度，在一定限度上擠占了工業(yè)發(fā)展空間和企業(yè)生產(chǎn)效益。目前，我國主要使用煤炭發(fā)電，煤電在能源結(jié)構(gòu)中的比例達到70%以上，遠高于世界平均水平。我國設備平均發(fā)電效率僅為70%左右，而國際先進水平為80%左右[4]。電力行業(yè)是我國能源消耗和污染物排放的大戶，降低電力系統(tǒng)的碳排放量是實現(xiàn)“碳達峰”和“碳中和”目標的關鍵之一。

2 電網(wǎng)低碳發(fā)展關鍵技術

2.1 關鍵技術內(nèi)容

電力工業(yè)是能源消耗和碳排放的主要行業(yè)，中國的電力工業(yè)正處于從“高碳”向“低碳”轉(zhuǎn)型的關鍵時期。如何實現(xiàn)電力工業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型，是目前電力工業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)。電網(wǎng)是電力系統(tǒng)中最主要的組成單元，對電能的生產(chǎn)和消費起著非常關鍵的作用。我國電網(wǎng)在發(fā)展過程中也面臨著資源利用率低、能源結(jié)構(gòu)不合理等問題，必須通過電網(wǎng)技術升級來實現(xiàn)節(jié)能減排。

面向節(jié)能減排的電網(wǎng)低碳發(fā)展關鍵技術在電網(wǎng)規(guī)劃和建設方面的應用包括電力系統(tǒng)規(guī)劃、電力市場設計、新能源接入與消納、分布式發(fā)電市場化交易和需求側(cè)管理等，在電網(wǎng)運行管理方面的應用包括智能電網(wǎng)建設運行監(jiān)測及評估、智能配網(wǎng)系統(tǒng)和電動汽車等新型負荷靈活接入與接出模式、基于源-網(wǎng)-荷的綠色電力交易平臺和智慧能源綜合服務平臺等。在上述應用中，應重點考慮新能源發(fā)電和分布式發(fā)電及智能配網(wǎng)系統(tǒng)與“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源綜合服務平臺。

2.2 關鍵技術體系的建立

電網(wǎng)低碳發(fā)展的關鍵技術體系分為3 個層次：一是節(jié)能技術，即優(yōu)化系統(tǒng)運行方式、降低發(fā)電和輸配電損耗、提高電網(wǎng)效率的技術；二是減排技術，即減少污染物排放和二氧化碳排放的技術；三是低碳能源技術，即太陽能、風能以及地熱能等新能源發(fā)電技術。

2.2.1 節(jié)能技術

（1）電網(wǎng)系統(tǒng)運行方式優(yōu)化技術。針對電網(wǎng)實際運行中的多種需求，如送電方式、負荷特性、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等，通過協(xié)調(diào)電網(wǎng)運行中各部分之間的關系，使其在滿足系統(tǒng)安全和經(jīng)濟運行要求的前提下，盡可能減少電能傳輸過程中的損耗。以輸電線路為例，分析電網(wǎng)系統(tǒng)中各種輸電線路的負載特性，研究線路損耗計算方法?；诔绷饔嬎惴椒ê蛽p耗計算結(jié)果，提出優(yōu)化輸電線路設計的方法。基于實際工程經(jīng)驗及理論分析，提出降低輸電線路損耗的方法和技術。

（2）電能質(zhì)量調(diào)控技術。電網(wǎng)運行過程中，由于發(fā)電、輸配電和用電設備等的非線性特性以及負荷波動、諧波等因素，使電網(wǎng)出現(xiàn)電壓波動、閃變等現(xiàn)象，嚴重影響電能質(zhì)量[5]。

2.2.2 減排技術

從減排的角度，可從3 方面著手。一是通過技術創(chuàng)新，如開發(fā)清潔能源技術、提高電能質(zhì)量、改進電力輸送和儲存技術、建設智能電網(wǎng)和主動防御系統(tǒng)等，減少化石能源消耗，提高清潔能源消納能力，從而降低污染物的排放；二是通過新能源發(fā)展和可再生能源利用，如光伏發(fā)電、風力發(fā)電等可再生能源技術的發(fā)展，結(jié)合儲能技術和智能電網(wǎng)等先進技術，減少化石能源消耗、提高清潔能源消納能力；三是通過提升電力系統(tǒng)整體的能效水平，如基于不同區(qū)域電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點的優(yōu)化調(diào)度運行控制策略、應用節(jié)能型變壓器、智能終端和負荷側(cè)管理等技術，降低電能輸送過程中的能耗，減少污染物的排放。

2.2.3 低碳能源技術

低碳能源技術指在能源開發(fā)利用過程中，采用清潔、高效、低能耗的新技術，減少能源開發(fā)利用過程中碳排放量的技術[6]。低碳能源技術主要包括超臨界及超超臨界火電機組節(jié)能技術、煤電超低排放控制技術、大型太陽能發(fā)電、光伏發(fā)電并網(wǎng)控制技術以及大型風力發(fā)電技術等。

3 提高電網(wǎng)低碳發(fā)展關鍵技術的措施

電網(wǎng)的能效水平代表著電力系統(tǒng)的綜合能效，而電能質(zhì)量則是影響電網(wǎng)能效的重要因素。電能質(zhì)量的主要影響因素包括供電電壓偏差、供電電壓波動、諧波電流等，其中供電電壓偏差是造成電網(wǎng)電能質(zhì)量問題的最主要因素。提高電網(wǎng)整體能效水平，需要在電網(wǎng)中引入主動調(diào)節(jié)技術和主動控制技術，通過改變電網(wǎng)運行狀態(tài)來改善電能質(zhì)量，進而達到提高能效水平的目的。

電網(wǎng)能效提升主要包括3 個方面。

（1）降低成本。電網(wǎng)行業(yè)是一個典型的規(guī)模經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)，降低成本是提高其市場競爭力的關鍵。通過采用新技術、新材料等手段可以有效降低電網(wǎng)的運行成本，提高其市場競爭力，實現(xiàn)電網(wǎng)行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型。

（2）智能電網(wǎng)。智能電網(wǎng)是一種具有感知、傳輸、處理以及執(zhí)行等功能的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其核心在于信息網(wǎng)絡技術與電力技術的深度融合，通過先進信息網(wǎng)絡技術實現(xiàn)電網(wǎng)向智能化方向發(fā)展。智能電網(wǎng)可實現(xiàn)對各類分布式電源和微網(wǎng)等重要用戶資源的集中監(jiān)控與管理，并通過網(wǎng)絡通信系統(tǒng)將各個終端設備連接到一起，使其實現(xiàn)一體化管理，進而有效降低能源損耗。此外，智能電網(wǎng)將新能源發(fā)電、儲能裝置、負荷和配電線路等各類分布式資源進行綜合規(guī)劃與優(yōu)化配置，形成了智能電網(wǎng)與分布式電源和微網(wǎng)協(xié)同發(fā)展的局面，實現(xiàn)了電能從供給側(cè)到需求側(cè)的有效互動。

（3）減少碳排放。電力系統(tǒng)的碳排放主要來自發(fā)電、輸電以及用電3 個環(huán)節(jié)。在發(fā)電環(huán)節(jié)，可再生能源發(fā)電具有隨機性、間歇性、波動性，大量可再生能源接入電網(wǎng)后對傳統(tǒng)電源產(chǎn)生沖擊，使得電網(wǎng)調(diào)度難度增大，難以實現(xiàn)準確的負荷預測。在輸電環(huán)節(jié)，輸電線路長、線損大、故障率高，不利于電網(wǎng)穩(wěn)定運行。此外，由于輸配電損耗和電能質(zhì)量問題導致的電能浪費現(xiàn)象普遍存在。在用電環(huán)節(jié)，我國的用電量大，用電量持續(xù)增長、電力供需不平衡、可再生能源的間歇性以及電能質(zhì)量問題導致用電可靠性不高。

因此，需要從電網(wǎng)規(guī)劃、電源開發(fā)以及輸配電網(wǎng)建設等方面減少碳排放。首先要加強可再生能源的規(guī)劃布局，并配套相應的電網(wǎng)規(guī)劃。其次要積極開發(fā)利用新能源發(fā)電技術。在規(guī)劃方面，需要優(yōu)先發(fā)展光伏發(fā)電、風力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等技術成熟且安全可靠的新能源發(fā)電技術；在建設方面，應優(yōu)先考慮將分散式風電和分布式光伏電源進行并網(wǎng)規(guī)劃，并加快建設配套的電網(wǎng)工程，最終目的是提高電力系統(tǒng)運行效率，降低用電成本。

4 實例分析

以某新建變電站為例，在“十四五”期間，規(guī)劃新建1 座110 kV 變電站和6 座35 kV 變電站，項目總投資約7.3 億元。在項目建設中，主要應用了以下關鍵技術。

（1）特高壓輸電技術。特高壓輸電技術具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，在我國能源資源分布不均、輸配系統(tǒng)容量有限的情況下，特高壓輸電技術能夠有效解決這一問題。對于新建110 kV 線路和220 kV 線路，優(yōu)先采用特高壓輸電方式，能夠有效提高供電可靠性、減少輸送損耗、降低線路造價、減少碳排放。

（2）智能電網(wǎng)技術。智能電網(wǎng)是一種具有高度信息化、自動化的新型電網(wǎng)形態(tài)，能夠適應復雜多變的電力系統(tǒng)運行環(huán)境，具備快速響應和自愈能力。智能電網(wǎng)關鍵技術包括多能互補的智能電網(wǎng)技術、柔性直流輸電技術、能源互聯(lián)網(wǎng)技術。其中，智能電網(wǎng)技術具有調(diào)節(jié)容量大、運行損耗低、輸送距離遠等特點，能夠有效解決棄風棄光問題；能源互聯(lián)網(wǎng)技術能夠?qū)崿F(xiàn)能源與信息的深度融合，實現(xiàn)電力資源的高效利用和靈活調(diào)配；柔性直流輸電技術可以實現(xiàn)多種能源的協(xié)調(diào)優(yōu)化利用，提高電網(wǎng)運行靈活性。

（3）配網(wǎng)自動化及數(shù)字化運維技術。配網(wǎng)自動化是一種能實現(xiàn)配電網(wǎng)各類信息實時采集和傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)。數(shù)字化運維是利用現(xiàn)代信息技術對電網(wǎng)進行智能監(jiān)測、實時監(jiān)控以及故障診斷。其中，智能監(jiān)測包括在線監(jiān)測與故障診斷、安全防御、電能質(zhì)量檢測等；數(shù)字化運維包括停電管理、資產(chǎn)管理、缺陷管理以及用戶服務等。

（4）綜合能源系統(tǒng)技術。綜合能源系統(tǒng)是一種將傳統(tǒng)電力系統(tǒng)和可再生能源系統(tǒng)有機結(jié)合的新型能源系統(tǒng)，如圖1 所示。綜合能源系統(tǒng)具有集成度高、可擴展性強的特點，能夠充分利用傳統(tǒng)電力系統(tǒng)和可再生能源系統(tǒng)的資源優(yōu)勢，實現(xiàn)多種能源的協(xié)調(diào)優(yōu)化利用。

圖1 綜合能源系統(tǒng)

5 結(jié) 論

面向節(jié)能減排的電網(wǎng)低碳發(fā)展關鍵技術體系的建立，為我國能源資源開發(fā)與利用、可再生能源發(fā)電并網(wǎng)、電能質(zhì)量治理等方面提供了關鍵技術支撐，對于推進我國節(jié)能減排工作具有重要意義。建議繼續(xù)加強研究力度，加強各領域之間的溝通與合作，加大對電力需求側(cè)管理、智能電網(wǎng)等重點技術的研發(fā)投入，以切實提高我國節(jié)能減排工作的效果。