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國家電網總工程師 陳國平:電力系統全面轉型升級的重大歷史機遇

北極星智能電網在線訊:構建以新能源為主體的新型電力系統是習近平生態文明思想的最新原創性成果,是我國能源電力發展的根本遵循。

《國家電網》:您認為構建以新能源為主體的新型電力系統的重要意義和價值是什么?

陳國平:2020年9月,國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上鄭重提出碳達峰、碳中和目標。該目標是黨中央作出的重大決策,關系著中華民族永續發展和構建人類命運共同體。實現碳達峰、碳中和目標的過程是一場廣泛而深刻的經濟社會變革,在能源供給側要構建多元化清潔能源供應體系,大力發展非化石能源,重點是加大風力、光伏等新能源發電的開發利用,要求電力系統展現更大作為。2021年3月15日,習近平總書記在中央財經委員會第九次會議上提出構建以新能源為主體的新型電力系統,是碳達峰、碳中和目標背景下黨中央對電力系統發展作出的最新重大決策。

構建以新能源為主體的新型電力系統是習近平生態文明思想的最新原創性成果,是我國能源電力發展的根本遵循。一是凸顯了電力系統在碳達峰、碳中和目標實現過程中的關鍵作用。踐行碳達峰、碳中和,能源是主戰場,電力是主力軍。電力系統是重要的碳排放源,自身承擔著較大減排壓力,同時需要通過電能替代承接其他行業用能需求,支撐全社會減排。習近平總書記在實現碳達峰、碳中和目標的基本思路和主要舉措中特別提出構建新型電力系統,明確了電力行業服務碳達峰、碳中和的重要責任和使命,體現了電力系統在碳達峰、碳中和能源轉型中的關鍵作用。二是明確了電力系統未來發展的目標與方向。實現碳達峰、碳中和目標時間緊迫、任務艱巨、影響廣泛,需要全行業迅速統一思想,形成推動能源電力轉型的強大合力。構建新型電力系統要求的及時提出,以權威聲音解答了建設什么樣的電力系統、以何種主體能源建設電力系統等關鍵問題,為能源電力行業提供了根本行動指南,對實現碳達峰、碳中和目標具有重大而深遠的指導意義。

《國家電網》:在碳達峰、碳中和目標背景下,構建新型電力系統與落實國家能源安全新戰略之間存在什么內在聯系?

陳國平:2014年,習近平總書記在中央財經領導小組第六次會議上提出“四個革命、一個合作”能源安全新戰略,成為指導我國能源轉型的行動綱領,引領能源行業發展進入了新時代。基于“十三五”期間能源發展取得的階段性成果,黨中央審時度勢提出碳達峰、碳中和目標,為能源革命制定了具體時間表。構建以新能源為主體的新型電力系統,是“四個革命、一個合作”能源安全新戰略的最新實踐與發展,是碳達峰、碳中和目標背景下能源革命內涵的深化,為電力發展指明了方向。

具體而言,在能源供給革命方面,新型電力系統將以新能源為供應主體,同時深度替代其他行業的化石能源使用,對建立多元能源供應體系、保障供應安全具有重要意義。在能源消費革命方面,新型電力系統將通過電能替代實現能源消費高度電氣化,有助于提高用能效率、控制能源消費總量,加快形成清潔低碳和節能型社會。在能源技術革命方面,新能源發電廣泛替代常規電源將深刻改變電力系統技術基礎,轉型將全面促進電力技術創新、產業創新、商業模式創新,催生產業升級的新增長點。在能源體制革命方面,構建新型電力系統是一項長期的系統性工程,現有電力結構、發展模式、利益格局均面臨革命性變化,要求全面深化電力體制改革,進一步發揮市場在能源清潔低碳轉型與資源配置中的決定性作用。能源國際合作方面,我國已成為全球最大的可再生能源市場和設備制造國,新型電力系統的建設將更加有力推動我國可再生能源技術裝備和服務“走出去”,為全世界綠色低碳發展、打造能源命運共同體貢獻中國力量、中國智慧、中國方案。

《國家電網》:如何理解新型電力系統與電網之間的關系?

陳國平:電力系統是由發輸變配用各領域、源網荷儲各環節、技術體制各層面緊密耦合形成的有機整體。電網是連接電能生產與消費的基礎平臺設施,是電力系統的中樞環節。新型電力系統各方面的變化將更加凸顯電網的平臺作用,對未來電網的物理形態和技術特征提出了新的要求,具體表現為高度的安全性、開放性、適應性。安全性方面,新型電力系統中各級電網協調發展,多種電網技術相互融合,廣域資源優化配置能力顯著提升,電網安全穩定水平可控、能控、在控,能夠承載高比例新能源、直流等電力電子設備接入,有效保障國家能源安全、電力可靠供應與電網安全運行。開放性方面,新型電力系統的電網具有高度多元、開放、包容特征,兼容各類電力新技術,滿足各種新設備便捷接入需求,支撐各類能源交互轉化、新型負荷雙向互動,是各能源網絡有機互聯的鏈接樞紐。適應性方面,新型電力系統的電網與源、荷、儲各環節緊密銜接、協調互動,通過應用先進技術并擴展控制資源池,形成較強的靈活調節能力和高度智能的運行控制能力,適應海量異構資源廣泛接入并密集交互的應用場景。

《國家電網》:在現有電力系統的基礎上構建新型電力系統,電力調度面臨的主要挑戰和機遇有哪些?

陳國平:傳統電力系統向新型電力系統轉型升級的過程中,電力系統的物質基礎和技術基礎持續變化。一是電力生產結構發生深刻變化。新型電力系統的一次能源供應主體將由穩定可控的煤、氣、水等常規能源轉向風能、太陽能等新能源。新能源供應與氣象環境相關,具有隨機、波動、間歇特性,為電源出力引入高度不確定性;新能源資源不能運輸或存儲,只能就地轉換,按照資源分布進行集中或分散式開發,電源總體接入位置愈偏遠、愈加深入低電壓等級。二是電力系統技術基礎發生深刻變化。傳統電力系統以交流電技術為基礎,常規電源通過機械旋轉部件帶動同步發電機并網,以機電—電磁耦合作用實現同步運行。新能源機組通過靜止式電力電子裝置并網,依賴鎖相環等控制機制實現同步,交流電力系統同步運行機理由物理特性主導轉向人為控制算法主導。三是電力系統控制基礎發生深刻變化。傳統電力系統的控制對象是同質化大容量常規發電機組,具有連續調節和控制能力,采用集中控制模式。新能源單機容量小、數量眾多、布點分散、特性多樣,電力電子設備采用基于快速切換的離散控制,使得新型電力系統控制模式發生根本性改變。

隨著電力系統各方面發生快速而深刻的變化,以新能源為主體的新型電力系統調度運行面臨嚴峻挑戰。一是電力平衡保障難度加大。電力系統是一個發用電實時平衡系統,隨著出力隨機波動的新能源發電占比提升,新能源小發期間電力供應不足和大發期間消納困難的問題將頻繁交替出現。特別是在極熱極寒無風、連續陰雨等特殊天氣下,新能源對高峰電力平衡支撐有限。例如,2021年1月上旬全國大范圍寒潮期間,晚高峰時段新能源出力僅為裝機的13%,電力供應保障困難的問題已經顯現。二是電網安全運行風險加大。在未來相當長的時間內,電力系統仍將以交流同步技術為主導,而隨著新能源發電等電力電子靜止設備大量替代旋轉同步電源,維持交流電網安全穩定的物理基礎被不斷削弱,功角、頻率、電壓等傳統穩定問題呈惡化趨勢。當前新能源機組抗擾動能力不夠強,面對頻率、電壓波動容易脫網,使故障演變過程更加復雜,存在大面積停電風險。電力電子設備比例不斷升高,更寬時間尺度的交互影響加強,出現寬頻振蕩等新形態穩定問題,電網呈現多失穩模式耦合的復雜特性。三是運行控制模式亟待創新。未來新型電力系統中,控制原理將發生根本性變化,控制規模呈指數級增長,控制對象特性差異極大,運行監視與控制難度加大。供需雙側不確定性增加導致電網未來運行狀態可預見性降低,使得現有基于確定性框架的預防控制邊界和故障防御策略制定面臨很大困難。

直面問題、迎難而上,攻克新型電力系統調度控制難題,保障新型電力系統的平穩轉型與安全優質運行,是時代賦予電力調度的神圣職責與使命,也是電力調度全面轉型升級的重大歷史機遇。一是升級電力系統分析認知體系。開展新型電力系統穩定機理認知與分析基礎理論研究,建設以全電磁暫態、平臺化、智能化為特征的大電網多時間尺度仿真分析手段,對高比例新能源、高比例電力電子設備的“雙高”電力系統特性認知更加全面、更加精確、更加高效。二是完善電力系統運行控制體系。促進“大云物移智鏈”等先進信息通信技術與電力技術深度融合,依托市場化機制充分挖掘源網荷儲各方資源控制調節潛力,實現全業務信息感知、全系統協同控制、全過程在線決策、全時空優化平衡、全方位負荷調度,全面支撐新型電力系統運行控制需求。三是強化電力系統故障防御體系。根據新型電力系統特性認知,重構故障防御標準和體系架構。構建運行風險主動防控體系,基于電網全景全頻段狀態感知,在線評估電網安全態勢,通過風險預測、預判、預警和預控,實現安全風險的事前主動防御。發揮電力電子設備調節快速、可塑性強的特點,充分利用豐富的控制資源,通過大范圍多資源協同快速緊急控制,增強電網故障的事中防御、事后恢復能力。

《國家電網》:在技術條件和市場機制研究方面,哪些工作亟待開展?

陳國平:化石能源時代的國際能源競爭是資源的競爭,新能源時代的競爭是核心技術的競爭。世界上主要國家和地區均將能源技術視為新一輪科技革命和產業革命的突破口。傳統電工理論與技術在構建新型電力系統過程中面臨瓶頸,迫切需要新理論、新方法、新材料與新設備的支撐,必須以科技創新為引領,為新型電力系統發展提供源源不斷的內生動力。能源電力行業具有技術資金密集的特點,存量系統龐大,轉型不能“急剎車”“急轉彎”,近期應重點挖掘先進成熟技術潛力,支撐新能源快速發展,同時集中科研力量開展關鍵基礎理論、顛覆性技術攻關,為未來構建新型電力系統做好技術儲備。需要突破的基礎理論包括新型電力系統供需平衡理論、“雙高”電力系統過渡過程及穩定性認知分析理論、廣域分散協同優化控制理論等;近期急需的應用技術包括新能源機組及儲能主動支撐“構網”技術、遠距離海上風電及匯集送出技術、“雙高”電力系統仿真評估技術、源網荷儲資源協調控制技術等;未來構建新型電力系統的顛覆性技術包括高效電氫雙向轉換、大容量低成本儲能、高效碳捕捉與循環利用、柔性直流組網技術等。

能源電力是國民經濟的重要基礎行業,電力價格的變化對經濟社會發展影響巨大。新型電力系統的構建是對傳統電力系統的全方位變革,會帶來一定的轉型成本,必然會傳導到電力價格中去。必須算好轉型經濟賬,深化電力體制改革,科學設計市場模式,合理構建電力價格形成及成本疏導機制,為構建新型電力系統提供有力的體制與資金保障,確保為經濟社會發展提供綠色經濟優質的電力。一是研究建立科學合理的電價體系,全面分析新能源大規模發展帶來的系統成本上升問題,保持合理電價水平。推動建立以節約能源為導向的電價機制,抑制不合理的能源消費,推動能源轉型和節能提效。出臺抽水蓄能、電化學儲能價格形成機制和可中斷負荷電價機制。二是持續推進電力市場建設,研究建立促進新能源消納的市場機制,加快構建全國統一電力市場,完善輔助服務市場,引導抽蓄、儲能、可中斷負荷等參與系統調節。研究微電網、新能源汽車等參與電力市場交易的機制。三是推動碳市場和電力市場協同發展,將電能價格與碳排放成本有機結合,發揮兩個市場相互促進、協同互補作用,提高清潔能源的市場競爭力,助推碳減排技術快速進步。

《國家電網》:未來發電側、電網側和用電側的生態圖景如何?電網企業如何更好地發揮作用?

陳國平:構建新型電力系統將催生大量新技術、新業態,未來發電側、電網側、用電側均將出現全新生態圖景。發電側加快西部、北部新能源集中開發與東中部分布式新能源開發,東部海上風電由近海逐步向遠海拓展;新能源既是裝機主體、電力與電量供應主體,也是責任主體,具備相當程度的主動支撐、調節與故障穿越能力;水電、核電、生物質等清潔能源協同發展,非化石能源資源稟賦得到充分發揮;化石能源電源的功能變為兜底保障、調節與支撐。電網側向適應電力生產與消費結構變化的新形態轉變,西部、北部大型清潔能源基地向東中部負荷中心的輸電能力進一步提高;微電網、海上風電匯集和大規模柔直等新型組網技術快速發展,交直流混聯大電網與多種形態電網并存;現代智慧配電網快速發展,支持分布式新能源、電動汽車、儲能等設備海量接入,滿足功率雙向流動和多元負荷用電需要。用電側分布式電源廣泛存在,負荷從單一用電“消費者”變為發用電一體“產消者”;電、冷、熱、氣等多種能源相互耦合、靈活轉換,負荷呈現明顯差異性和互補性,可以提供相當程度的調節與支撐能力。

電網是電力系統的中樞環節,電網企業在構建新型電力系統的過程中必將扮演極為重要的角色,應當多方面發力,積極服務和支撐能源轉型。一是加快開放型智能電網建設,提升新能源承載能力。加快建設跨省跨區輸電通道,建設大電網、構建大市場,并同步加強送受端交流電網、擴大聯網規模以承載跨區大規模輸電需求。發展現代智慧配電網,提升城鄉配電網電氣化高承載力。積極推動分布式微電網建設,促進多元化源荷即插即用與分布式新能源的就地消納。二是強化源網荷儲協調發展,保障新能源高效利用。推動合理安排新能源發展規模、布局和時序,促進新能源與電網、新能源與靈活調節電源協調發展。盡早啟動并加快抽蓄電站建設,大力推動非抽蓄儲能發展,提升系統調節能力。以并網技術標準為抓手,著力提升新能源機組主動支撐能力。三是推動多能互補與電能替代,服務終端消費電氣化。發揮電網中樞作用,加強多種能源的相互轉換、聯合控制、互補利用,提升能源綜合利用效率。積極服務并聚合電動汽車、用能終端、儲能設備等,發揮負荷集群規模效應,參與電網運行控制。多領域、多維度推進電能替代,提升終端消費電氣化水平。四是開展關鍵技術裝備攻關,占據自主創新制高點。與政府、高校、產業上下游協同,聯合打造“政產學研用”深度融合科技創新體系,加強新型電力系統基礎理論研究,集中突破新型電力系統運行控制等關鍵技術以及大規模儲能等顛覆性技術,合力攻關核心技術裝備,推進科技示范工程建設,全面提升國產電工電氣技術裝備水平。五是推動碳電市場體系建設,加快綠色能源價值實現。研究綠證、碳交易機制及其與電力市場的耦合方式,推動構建適應高比例新能源發展的市場模式,實現儲能和其他電源對支撐新能源發電的輔助服務價值回報,從經濟上保障新型電力系統的建設與運行,同時匯聚各方力量促進新機制、新業態的創新和融合。

摘自 北極星智能電網在線

  


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