“雙碳”目標(biāo)下新型電力系統(tǒng)發(fā)展路徑研究

安徽南瑞中天電力電子有限公司 趙 偉 韓 周 李天陽 樊 華 周 浩 何義赟

1 引言

現(xiàn)階段，減少碳排放、堅(jiān)持綠色發(fā)展這一理念已在全球范圍內(nèi)達(dá)成共識。2020年，第75屆聯(lián)合國大會(huì)在紐約開幕，會(huì)上習(xí)近平總書記首次提出“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，即中國力爭在2030年達(dá)到碳達(dá)峰、在2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，這一目標(biāo)的提出向世界表達(dá)了中國堅(jiān)持低碳發(fā)展的決心[1]。然而，當(dāng)下社會(huì)能源發(fā)展現(xiàn)狀并不理想，不可再生能源仍然在能源消耗中占比較高，同時(shí)能源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重、利用率低也是阻礙我國能源可持續(xù)發(fā)展的主要因素。電力行業(yè)作為碳排放較為集中的行業(yè)之一，電力系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型備受關(guān)注，值得注意的是，在建設(shè)新型電力系統(tǒng)時(shí)，還應(yīng)以當(dāng)下現(xiàn)有電力系統(tǒng)為基石，盡可能降低投資成本，同時(shí)確保在建設(shè)過程中用電安全，推動(dòng)非石化電力系統(tǒng)快速發(fā)展。

2 我國新型電力能源發(fā)展現(xiàn)狀以及研究方向

近年來，在能源轉(zhuǎn)換的背景下，新能源發(fā)電量不斷增加，占比不斷提升。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2020年新能源發(fā)電量占比如圖1所示。

圖1 2020年我國發(fā)電量占比

2.1 火電發(fā)電現(xiàn)狀

由于可再生能源發(fā)電受到陽光、季節(jié)和風(fēng)力等自然天氣條件“不可控”短板的嚴(yán)重限制，因此火力發(fā)電被視為穩(wěn)定國家電力生產(chǎn)、供應(yīng)和靈活性調(diào)整的“穩(wěn)定器”，即使在“雙碳”背景下，火力發(fā)電也應(yīng)在電力系統(tǒng)中始終保持一定占比。但是鑒于火電不可避免的碳排放，未來必須解決以下兩方面問題。一是要使火電生產(chǎn)更加高效、清潔、低碳和靈活；二是通過CCUS 技術(shù)消除火電的碳排放。

CCUS 技術(shù)是指碳捕獲、利用和儲存技術(shù)，其能高效移除火電中的碳排放，進(jìn)而使火電能在電力系統(tǒng)發(fā)展中保持旺盛生命力。目前，CCUS 技術(shù)在商業(yè)發(fā)展中仍存在高能耗、高成本的問題，因此未來需要對低成本、低能耗的碳捕獲技術(shù)、大規(guī)模碳排放儲存與轉(zhuǎn)化技術(shù)以及生物質(zhì)耦合負(fù)碳排放技術(shù)進(jìn)行研究。

2.2 水電發(fā)電現(xiàn)狀

水電是一種效率高、發(fā)電成本低、啟動(dòng)快、調(diào)節(jié)方便且清潔的能源，水電在新能源發(fā)電系統(tǒng)中的地位比較突出且固定。但是，由于水力發(fā)電利用的是水的自然流動(dòng)，因此受自然條件影響很大，在后續(xù)措施中，要繼續(xù)推進(jìn)高原高山水力發(fā)電。同時(shí)，新型發(fā)電系統(tǒng)對儲能系統(tǒng)的需求量較大，因此有必要研究如何將現(xiàn)有水電站改造成可利用式抽水蓄能電站。

2.3 核電發(fā)電現(xiàn)狀

核燃料能量密度高，核電運(yùn)行成本低，屬于清潔能源，因此國家將逐步調(diào)高核電比例。在此前提下，還需要對核電廠的放射性殘余物處理、熱污染處理、核事故防治等進(jìn)行深入研究。

2.4 風(fēng)電發(fā)電現(xiàn)狀

在新能源中，風(fēng)能蘊(yùn)量巨大，并且在政策的持續(xù)推動(dòng)下，我國風(fēng)電行業(yè)已經(jīng)由粗放式擴(kuò)張階段向集約式質(zhì)量發(fā)展邁進(jìn)，目前國家風(fēng)電產(chǎn)業(yè)及產(chǎn)能不斷發(fā)展壯大，高質(zhì)量、低成本發(fā)電模式成為風(fēng)電行業(yè)轉(zhuǎn)型方向。為了更貼合“雙碳”目標(biāo)，風(fēng)電后續(xù)發(fā)展應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面。

經(jīng)濟(jì)發(fā)展城市通常是高耗電地區(qū)，但同時(shí)平均風(fēng)速往往較低，近年來隨著大葉片、高塔技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)能分散和就地消納的低速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)將逐步應(yīng)用，并成為陸上風(fēng)力發(fā)電的主流。海洋風(fēng)力資源豐富，海上風(fēng)力發(fā)電成果將更為顯著且緊鄰電力負(fù)荷中心，因此要大力發(fā)展海上風(fēng)電技術(shù)，持續(xù)推進(jìn)近海地區(qū)深水發(fā)電建設(shè)，并盡可能向深海風(fēng)電發(fā)展。

隨著風(fēng)力發(fā)電趨于分散化和離岸化，風(fēng)力發(fā)電的智能化亟待提高，通信技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)等均可廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電，這些技術(shù)與智能算法相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的智能化開發(fā)、管理、診斷、運(yùn)維和并網(wǎng)控制。此外，要不斷推進(jìn)風(fēng)電設(shè)備核心技術(shù)國產(chǎn)化，提高風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率，降低風(fēng)電成本。

2.5 太陽能發(fā)電現(xiàn)狀

太陽能發(fā)電原理主要是依靠半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)，將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能，整個(gè)轉(zhuǎn)換過程無油耗、無排放、無機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件[2]。太陽能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，投資少，發(fā)電時(shí)間基本與用電高峰相匹配，是目前最適合負(fù)荷側(cè)的新型電力系統(tǒng)，在未來，為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用太陽能發(fā)電并保持其領(lǐng)先地位，太陽能發(fā)電仍需考慮以下問題。

參考熱力學(xué)知識，太陽能發(fā)電最大期望發(fā)電效率應(yīng)達(dá)80%以上。然而，現(xiàn)有的太陽能電池都是由硅制成，硅板的制造成本相對較高，且晶硅太陽能組件的轉(zhuǎn)換效率目前只有24%左右，嚴(yán)重限制其后續(xù)發(fā)展空間。因此，太陽能發(fā)電迫切需要研究鈣鈦礦等新型太陽能電池材料，以實(shí)現(xiàn)更高的發(fā)電效率和更低的發(fā)電成本。

由于太陽能發(fā)電能量密度低且占地面積大，為了克服上述缺陷，未來可從建筑物入手，利用屋頂或立面空間建造發(fā)電系統(tǒng)，推進(jìn)太陽能發(fā)電與建筑一體化進(jìn)程。我國很多地區(qū)太陽能資源豐富，但這些地區(qū)都存在電力需求增長緩慢、太陽能消納困難以及棄光等問題。是以，未來還要繼續(xù)探索研究太陽能過剩產(chǎn)能的轉(zhuǎn)化路徑，如太陽能與農(nóng)業(yè)一體化研究、太陽能制氫等。

3 構(gòu)建新型電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

3.1 電力供應(yīng)保障難度加大

總體來說，風(fēng)、光電當(dāng)前僅作波動(dòng)電源，只能提供電力，不能參與電力平衡。是以，高比例的新能源并網(wǎng)在一定程度上會(huì)引起電力系統(tǒng)輸出功率的隨機(jī)波動(dòng)，增加電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻負(fù)擔(dān)。此外，新能源并網(wǎng)將替代部分現(xiàn)有設(shè)備，進(jìn)一步弱化電網(wǎng)調(diào)節(jié)功能，繼而給電網(wǎng)的可靠運(yùn)行造成新隱患。如在2021年，美國得州由于發(fā)生重大停電事故，導(dǎo)致該地區(qū)第二大能源——風(fēng)電場因極端寒冷天氣而停運(yùn)，加劇了電力短缺。因此，在“雙碳”背景下，如果未來可再生能源并網(wǎng)比例更高，電力供應(yīng)將難以保障。

3.2 電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題更加復(fù)雜

新能源的大規(guī)模集中開發(fā)和分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的投產(chǎn)、高壓大容量變流設(shè)備在輸電網(wǎng)絡(luò)的不斷推廣，以及電力電子設(shè)備在配電側(cè)的廣泛應(yīng)用，均導(dǎo)致電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性發(fā)生持續(xù)變化，從而造成電磁寬頻振蕩問題，嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)調(diào)查報(bào)告顯示，因并網(wǎng)風(fēng)電已經(jīng)多次發(fā)生次同步振蕩情況，如2009年在美國得州和2012年我國河北沽源、2015年在新疆哈密等地區(qū)均發(fā)生過風(fēng)電在入網(wǎng)過程中引起的次同步振蕩問題，進(jìn)一步對電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行造成威脅。由上文可知，如果不對上述現(xiàn)象進(jìn)行有效解決，新型電力系統(tǒng)在未來發(fā)展中將面臨巨大挑戰(zhàn)。

3.3 對電網(wǎng)資源配置能力要求高

從能源發(fā)布角度來說，我國能源豐裕但卻分布不均，富含新能源的大型能源基地基本遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，無法就地消納，新能源發(fā)展受限；而且在我國新能源快速發(fā)展的同時(shí)，新能源富集地區(qū)也出現(xiàn)了大規(guī)模的長期“棄風(fēng)”和“棄光”現(xiàn)象，尤其在“雙碳”目標(biāo)下，預(yù)計(jì)在2030年，風(fēng)能和太陽能總裝機(jī)容量將達(dá)到1200GW 以上，消納困難問題進(jìn)一步加劇。因此，未來新能源電力系統(tǒng)應(yīng)向能源互聯(lián)網(wǎng)化、柔性化、智能化方向開展技術(shù)創(chuàng)新工作，提高電網(wǎng)優(yōu)化大規(guī)模資源配置能力。

4 新型電力系統(tǒng)發(fā)展路徑研究

4.1 負(fù)荷側(cè)：優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，提升電源靈活性

以“雙碳”模式作為未來轉(zhuǎn)型目標(biāo)，新型電力能源必將獲得突破式發(fā)展，由此也需要更為靈活的電力系統(tǒng)與之匹配，應(yīng)優(yōu)化負(fù)荷側(cè)電源結(jié)構(gòu)，使其與電機(jī)組合作共贏。技術(shù)人員可以從以下三個(gè)方面采取措施，保障新型電力系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

4.1.1 新能源發(fā)電技術(shù)

在新型電力系統(tǒng)，特別是風(fēng)能和太陽能中，如果能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)測功率，則有望實(shí)現(xiàn)從根本上對新能源發(fā)電進(jìn)行管控。隨著電力需求量的日益增升，對電力市場交易量進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測較為困難，提升預(yù)測精準(zhǔn)度，使新能源電能曲線與現(xiàn)貨市場有效銜接，能夠在提高新能源電能利用率和經(jīng)濟(jì)效益方面發(fā)揮現(xiàn)實(shí)作用。為此，相關(guān)企業(yè)要積極推動(dòng)靈活性電源發(fā)電技術(shù)，擴(kuò)大各種類綠色能源應(yīng)用范圍，

提升源網(wǎng)協(xié)調(diào)能力。當(dāng)前，就太陽能光伏發(fā)電而言，其是新型電力系統(tǒng)優(yōu)化過程中的一個(gè)明確方向，具有較大的靈活性和可控性，該優(yōu)勢在新型電力系統(tǒng)中有著巨大影響[3]。此外，基于虛擬同步發(fā)電機(jī)控制，將風(fēng)電、光電進(jìn)行并網(wǎng)可獲得與常規(guī)機(jī)組相似的特性，因此要大力鉆研風(fēng)光發(fā)電的虛擬同步技術(shù)，提升風(fēng)光新能源涉網(wǎng)性能，增強(qiáng)電網(wǎng)接納能力，提高系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量。

4.1.2 推進(jìn)新能源+儲能技術(shù)推廣

從當(dāng)下看新能源未來發(fā)展趨勢，可以得出將新能源與儲能相結(jié)合這一發(fā)展方向，因此需積極開展清潔能源+儲能項(xiàng)目。在項(xiàng)目進(jìn)行規(guī)劃研究時(shí)，應(yīng)明晰混合式抽水蓄能電站的發(fā)展規(guī)模與布局，實(shí)現(xiàn)源儲聯(lián)動(dòng)，提高新能源接入量與消納量。另外，要積極推廣分散式新能源與儲能相結(jié)合系統(tǒng)，以便使分散式新能源能夠?qū)崿F(xiàn)就近接入與消納，優(yōu)化新能源配置，提高利用率。

4.2 電網(wǎng)側(cè)：構(gòu)筑能源高效配置平臺

電網(wǎng)是電力系統(tǒng)中必不可少的輔助設(shè)施，其連接供電側(cè)與用電側(cè)是能源傳輸、轉(zhuǎn)化以及應(yīng)用的樞紐平臺。要想構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，提高電網(wǎng)對新能源的消納效率，就要促進(jìn)電網(wǎng)互聯(lián)化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型，使其橋梁連接作用能得以充分發(fā)揮與實(shí)現(xiàn)。

4.2.1 優(yōu)化完善網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，構(gòu)筑清潔能源配置平臺

從新能源傳輸角度出發(fā)，應(yīng)推進(jìn)特高壓以及柔性直流輸電等工程的大力建設(shè)與應(yīng)用，強(qiáng)化電網(wǎng)跨區(qū)域傳輸能力，避免傳輸過程中的電能浪費(fèi)，提升新型電力消納能力。同時(shí)，開展電網(wǎng)跨區(qū)互補(bǔ)規(guī)劃研究和工程建設(shè)，加強(qiáng)各區(qū)域間的電網(wǎng)連通性與互動(dòng)性，強(qiáng)化電網(wǎng)調(diào)度力度，提高供配電可靠性以及電網(wǎng)在大范圍區(qū)域內(nèi)的配置能力。

4.2.2 利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，提升電網(wǎng)全息感知能力

以大數(shù)據(jù)技術(shù)為依托，再輔以計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等專業(yè)技術(shù)，使新型電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化、數(shù)字化發(fā)展，促進(jìn)電網(wǎng)靈活互動(dòng)，提升電網(wǎng)全息感知與數(shù)字化智慧管理能力，以便其能對電力系統(tǒng)各個(gè)運(yùn)行環(huán)節(jié)中的數(shù)據(jù)信息實(shí)施全面、及時(shí)、有效的管控與監(jiān)測，切實(shí)發(fā)揮大數(shù)據(jù)技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的重要作用。

4.2.3 開展新型電力系統(tǒng)運(yùn)行特性分析研究

在“雙碳”背景下，高比例的風(fēng)光可再生能源并網(wǎng)致使電網(wǎng)“雙高雙峰”特征日益明顯，因此需迫切對新型電力系統(tǒng)實(shí)施安全控制、電量平衡、源網(wǎng)協(xié)調(diào)控制、高效并網(wǎng)及消納等技術(shù)的研究與攻關(guān)，并為此制定規(guī)范的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)電力系統(tǒng)運(yùn)行體系構(gòu)建，使得我國在國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域能保持領(lǐng)先優(yōu)勢。

4.3 負(fù)荷側(cè)：挖掘需求側(cè)資源的利用潛力

能源消費(fèi)將不斷涌現(xiàn)新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式，負(fù)荷結(jié)構(gòu)將更加多元化、負(fù)荷特性更加復(fù)雜。為滿足負(fù)荷側(cè)對可靠性、便捷性、效能等方面的更高要求，需要加強(qiáng)需求側(cè)管理，挖掘需求側(cè)資源利用，促進(jìn)能源供需雙向互動(dòng)；主動(dòng)適應(yīng)未來多元化能源消費(fèi)模式，建立面向用戶需求的多能互補(bǔ)系統(tǒng)，推進(jìn)能源消費(fèi)電氣化。

4.3.1 加強(qiáng)負(fù)荷側(cè)需求管理，挖掘用戶側(cè)可調(diào)節(jié)資源

通過數(shù)字化手段實(shí)現(xiàn)用能設(shè)備的狀態(tài)和需求信息的監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對負(fù)荷側(cè)儲能、可控負(fù)荷、充電樁、用戶側(cè)分布式能源系統(tǒng)的實(shí)時(shí)管理，挖掘用戶側(cè)靈活性調(diào)配資源，促進(jìn)“網(wǎng)荷儲”融合互動(dòng)。結(jié)合區(qū)域負(fù)荷特性，研究負(fù)荷聚合商模型構(gòu)建與量化方法，通過大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等技術(shù)促使海量用戶側(cè)可調(diào)負(fù)荷參與電力需求響應(yīng)，增強(qiáng)負(fù)荷側(cè)響應(yīng)能力，促進(jìn)電力用戶能效管理提升。

4.3.2 負(fù)荷側(cè)電力需求響應(yīng)市場機(jī)制研究

開展負(fù)荷聚合商參與需求響應(yīng)的盈利模式實(shí)踐，激勵(lì)負(fù)荷商參與電力市場交易，促進(jìn)新能源消納。針對未來涌現(xiàn)的多元化能源消費(fèi)新模式、新業(yè)態(tài)，探索靈活多樣的市場化需求響應(yīng)交易模式，提出適應(yīng)電動(dòng)汽車、可控負(fù)荷等需求側(cè)靈活性調(diào)節(jié)資源參與的市場運(yùn)營機(jī)制，促進(jìn)需求響應(yīng)力度，激勵(lì)清潔能源技術(shù)推廣應(yīng)用[4]。

5 結(jié)語

從當(dāng)下新能源發(fā)展趨勢來看，優(yōu)化新型電力系統(tǒng)與實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)息息相關(guān)，在能源領(lǐng)域，利用可再生能源逐漸替代一次性能源，作為電力系統(tǒng)的主要支撐，以保證“雙碳”目標(biāo)的順利推進(jìn)。從新型電力系統(tǒng)本身來說，其復(fù)雜性較為突出，跨領(lǐng)域、跨學(xué)科特點(diǎn)尤為明顯，因此在優(yōu)化過程中，要打破不同專業(yè)、環(huán)節(jié)間的信息壁壘，同時(shí)要統(tǒng)籌各種影響因素與風(fēng)險(xiǎn)源，才能有效保障新型電力系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展與安全運(yùn)行。