能源行業(yè)是實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的重點領(lǐng)域和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，必將伴隨著強隨機性、波動性的新能源大規(guī)模并網(wǎng)，以及電動汽車、分布式電源等交互式設(shè)備大量接入。屆時，電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)高比例新能源、高比例電力電子化的“雙高”特點，電力系統(tǒng)在供需平衡、系統(tǒng)調(diào)節(jié)、穩(wěn)定特性、配網(wǎng)運行、控制保護(hù)和建設(shè)成本等方面都將發(fā)生顯著變化，也將面臨一系列新的挑戰(zhàn)。
中國科學(xué)院院士、中國電科院名譽院長周孝信指出，“雙碳”目標(biāo)將對電力系統(tǒng)帶來巨大影響，最主要的變化是可再生能源的比例將大幅度上升，這給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行帶來新的挑戰(zhàn)，構(gòu)建清潔低碳、靈活高效、具有高韌性本質(zhì)安全可靠的新型電力系統(tǒng)對推動我國能源轉(zhuǎn)型發(fā)展具有重大意義。
電力系統(tǒng)對推動實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和影響重大
周孝信指出，根據(jù)電力系統(tǒng)的主要特征，其發(fā)展歷程可以分成三個階段：第一階段為20世紀(jì)50年代以前，電力系統(tǒng)主要特點是電壓低、電網(wǎng)規(guī)模小、機組容量小，是電網(wǎng)發(fā)展的初級階段;第二階段為20世紀(jì)50年代至20世紀(jì)末，電力工業(yè)快速發(fā)展，整個電力系統(tǒng)實現(xiàn)從小規(guī)模向大規(guī)?？缭桨l(fā)展，技術(shù)水平快速提高，電網(wǎng)安全性、可靠性顯著提升，該階段的主要特點是大機組、超高壓、交直流互聯(lián)大電網(wǎng)，這一階段的發(fā)展模式高度依賴化石能源，是不可持續(xù)的;第三階段為新一代電力系統(tǒng)，電源以可再生能源等非化石能源發(fā)電為主，骨干電源與分布式電源相結(jié)合，電網(wǎng)發(fā)展模式為主干電網(wǎng)和局部配網(wǎng)、微網(wǎng)并存。總的來說，第三代(新一代)電力系統(tǒng)基于可再生能源和清潔能源，是一種可再生發(fā)展的綜合能源電力的發(fā)展模式。當(dāng)前的電力系統(tǒng)是第三代電力系統(tǒng)的初級發(fā)展階段，正向著新型電力系統(tǒng)方向發(fā)展。
建設(shè)中的新型電力系統(tǒng)將逐漸具有高比例可再生能源、高比例電力電子裝備、多能互補綜合能源、數(shù)字化智能化智慧能源、清潔高效低碳零碳、高韌性本質(zhì)安全可靠等6項主要特征。
據(jù)初步估算分析，2025年我國非化石能源發(fā)電裝機占比將超過50%，2035年風(fēng)光發(fā)電裝機超過總裝機容量50%，2050～2060年煤電裝機將保持在4億千瓦以上;發(fā)電量方面，2030～2035年非化石能源發(fā)電量占比超過50%，2045～2050年風(fēng)光發(fā)電量超過總發(fā)電量50%，2050～2060年煤電發(fā)電量降至較低水平，年運行小時數(shù)可能在2000小時左右。“預(yù)計到2060年，在不考慮CCUS等其他減碳措施的條件下，電力系統(tǒng)二氧化碳排放將大幅降低為2025年前峰值的16%。電力系統(tǒng)做得好不好，對碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)影響重大。”周孝信指出。
新型電力系統(tǒng)安全運行面臨的新挑戰(zhàn)
根據(jù)2050年預(yù)測數(shù)據(jù)，我國電力裝機容量75億千瓦，其中非化石能源發(fā)電裝機占比約為84%，風(fēng)光發(fā)電裝機占比72%;全年發(fā)電總量約為15萬億千瓦時，其中風(fēng)光發(fā)電量占58%，煤電占比為5.8%，氣電占6.7%，顯著呈現(xiàn)高比例新能源特征。
周孝信認(rèn)為，電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定和經(jīng)濟運行有五項性能要求：
一是靈活性。即在系統(tǒng)中電源出力和負(fù)荷需求短期和中長期波動時，保持正常穩(wěn)態(tài)運行的調(diào)節(jié)能力，這是電力系統(tǒng)源荷平衡保持正常運行的必要條件。新型電力系統(tǒng)中，以風(fēng)電、太陽能發(fā)電為主的可再生能源占比高，對靈活性資源的需求巨大。
二是韌性。即在極端氣候或外力嚴(yán)重干擾下，系統(tǒng)快速恢復(fù)電力供應(yīng)的能力，這是電力系統(tǒng)應(yīng)對突發(fā)事件的必備條件。風(fēng)電、太陽能、水能發(fā)電對氣候的敏感性，以及全球氣候變化，使極端氣候條件下快速恢復(fù)供電的韌性需求更為頻繁和迫切。
三是穩(wěn)定性。即系統(tǒng)承受各類擾動后保持暫態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定的能力，這是電力系統(tǒng)正常和擾動后安全穩(wěn)定運行的基本條件。新型電力系統(tǒng)將面臨系統(tǒng)低慣性、頻率電壓穩(wěn)定、寬頻振蕩，以及信息物理系統(tǒng)、多能耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性等多重挑戰(zhàn)。
四是可靠性。即系統(tǒng)不間斷地向用戶供電能力的度量，是建立在裝備和系統(tǒng)故障統(tǒng)計基礎(chǔ)上概率分析的結(jié)果，這是電力系統(tǒng)安全運行的基礎(chǔ)條件。電力電子器件過載能力弱、抵御故障能力差及新能源發(fā)電的不確定性，均影響風(fēng)電、太陽能發(fā)電入網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)供電的可靠性。
五是經(jīng)濟性。即建立在市場或非市場基礎(chǔ)上，系統(tǒng)能量損失最小或經(jīng)濟社會效益最大化的運行機制體現(xiàn)，是電力系統(tǒng)為社會提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)的前提條件。“雙碳”目標(biāo)下能源轉(zhuǎn)型過程中需有效化解電力成本的提高，建立有利于系統(tǒng)運行綠色經(jīng)濟性的市場化機制。
綜合能源生產(chǎn)單元(IEPU)設(shè)想
“雙碳”目標(biāo)下，我國能源電力系統(tǒng)清潔低碳轉(zhuǎn)型任務(wù)艱巨，如何科學(xué)推進(jìn)傳統(tǒng)煤電升級改造及有序退出、同時促進(jìn)新能源消納是能源轉(zhuǎn)型路徑規(guī)劃和相關(guān)戰(zhàn)略制定的重要議題。一方面，由于資源稟賦及行業(yè)發(fā)展歷史等原因，我國仍保有大量燃煤火電機組，若采用簡單關(guān)停處理方式，不利于一定時期內(nèi)能源平穩(wěn)供應(yīng)過渡，迫切需要有效手段，科學(xué)推進(jìn)存量煤電機組的升級改造，充分發(fā)揮煤炭基礎(chǔ)性保障和靈活調(diào)節(jié)作用;另一方面，由于以風(fēng)電、太陽能發(fā)電為主的可再生能源具有波動性和間歇性，機組出力不確定性強，抗擾動能力和動態(tài)調(diào)節(jié)能力弱，新能源高比例接入將對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來巨大挑戰(zhàn)，系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)資源的需求顯著提升。為應(yīng)對上述問題，周孝信提出一種融合煤電機組碳捕集、可再生能源電解水制氫、甲烷/甲醇合成、新型燃?xì)獍l(fā)電等技術(shù)的設(shè)想——綜合能源生產(chǎn)單元(Integrated Energy Production Unit, 簡稱IEPU)。
據(jù)了解，IEPU將電解制氫、可再生能源發(fā)電、甲醇/甲烷/氨合成、二氧化碳捕集等設(shè)備集成為一體，通過單元內(nèi)部各子系統(tǒng)協(xié)同運行及單元與外部電網(wǎng)的靈活互動，以及多類型能源的生產(chǎn)、存儲和化工合成等過程耦合，使之成為能源電力系統(tǒng)中具有多種能源產(chǎn)品和靈活性調(diào)節(jié)功能的新成員，期望能作為煤電低碳/無碳轉(zhuǎn)型路徑方案的一種選擇。
周孝信認(rèn)為，IEPU作為具有正負(fù)值雙向調(diào)節(jié)能力的綜合能源生產(chǎn)發(fā)電單元，可成為應(yīng)對風(fēng)電、太陽能發(fā)電波動性、間歇性的有效措施之一;其綠色能源產(chǎn)品，如甲烷、甲醇、氨等，以其便于運輸、易于儲存的特性，既可作為綠色燃料和化工原料，替代石油、天然氣等化石能源，也可作為新型電力系統(tǒng)應(yīng)對中長期能源電力供需不平衡的一種儲能介質(zhì)。周孝信表示：“過去是儲煤、儲天然氣、儲石油，將來作為非化石能源，可以儲氫及氫與二氧化碳合成生產(chǎn)的能源產(chǎn)品和化工原料(其中合成氨不需要二氧化碳)，我認(rèn)為這一點對于未來新型電力系統(tǒng)應(yīng)對全球氣候變化的‘氣候韌性’建設(shè)、保證災(zāi)害情況下短期及中長期能源電力供應(yīng)至關(guān)重要。”
電力系統(tǒng)的靈活性和韌性
周孝信告訴記者，目前，國內(nèi)外還缺乏關(guān)于電力系統(tǒng)靈活性統(tǒng)一的定義和定量評價指標(biāo)。北美電力可靠性協(xié)會把電力系統(tǒng)的靈活性定義為：電力系統(tǒng)供需兩側(cè)響應(yīng)系統(tǒng)的不確定性變化的能力，包括儲存能量的能力和高效機組組合及經(jīng)濟調(diào)度的能力。國內(nèi)有學(xué)者進(jìn)一步分析綜合提出了一種更準(zhǔn)確、更細(xì)化的定義，即在所關(guān)注時間尺度的有功平衡中，電力系統(tǒng)通過優(yōu)化調(diào)配各類可用資源，以一定的成本適應(yīng)發(fā)電、電網(wǎng)及負(fù)荷隨機變化的能力。
同樣，電力系統(tǒng)的韌性也尚無統(tǒng)一的定義和定量評價指標(biāo)。美國國家工程院的定義為：能夠認(rèn)識到長時間、大面積停電事故發(fā)生的可能性，事故前充分預(yù)備，事故發(fā)生時使其影響最小化，事故發(fā)生后快速恢復(fù)并且從事故中獲取經(jīng)驗從而自我提升的能力。針對我國電力系統(tǒng)的特點和需求，國內(nèi)有研究者提出了韌性電網(wǎng)的概念,即能夠全面、快速、準(zhǔn)確感知電網(wǎng)運行態(tài)勢，協(xié)同電網(wǎng)內(nèi)外部資源，對各類擾動作出主動預(yù)判與積極預(yù)備，主動防御，快速恢復(fù)重要電力負(fù)荷，并能自我學(xué)習(xí)和持續(xù)提升的電網(wǎng)，并結(jié)合實際提出了加強電網(wǎng)韌性的措施建議。
2022年6月14日，國家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部、科學(xué)技術(shù)部等17個部門聯(lián)合印發(fā)了《國家適應(yīng)氣候變化戰(zhàn)略2035》，其中特別提到增強我國經(jīng)濟社會系統(tǒng)的氣候韌性。“特別是對于基礎(chǔ)設(shè)施，包括能源設(shè)施，以及設(shè)施本身涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，該戰(zhàn)略都提出了很明確的提高韌性的要求。”周孝信說。
電力系統(tǒng)靈活性仿真分析表明，在風(fēng)電、太陽能裝機占比超過70%的情況下，電力系統(tǒng)正常運行時除要有足夠的煤電、氣電、各類儲能等提供的靈活性資源參與調(diào)節(jié)外，還需要設(shè)置光伏電解水制氫等能源轉(zhuǎn)換裝置作為負(fù)值可調(diào)節(jié)容量加以配合。在極端氣候條件下，更需要動用長周期綠色能源儲備，如綠氫及甲烷、甲醇、氨等綠色氣體或液體燃料參與能源電力供應(yīng)。
“雙碳”目標(biāo)下，我國能源轉(zhuǎn)型的兩大重要舉措，就是構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系和構(gòu)建適應(yīng)新能源占比逐漸提高的新型電力系統(tǒng),“雙碳”目標(biāo)和能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略目標(biāo)高度一致，“兩個構(gòu)建”是實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的根本途徑。“為應(yīng)對新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行新挑戰(zhàn)，滿足未來新條件下電力系統(tǒng)靈活性、韌性、穩(wěn)定性、可靠性和經(jīng)濟性的嚴(yán)格要求，需要在基礎(chǔ)理論和實踐方面開展前瞻性研究并積極創(chuàng)造條件實現(xiàn)工程示范。”周孝信表示。
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