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科技创新规划解读丨如何推动构建新型电力系统?
来源:   作者:   点击数:   日期:2022-05-26 11:03

发挥科技创新引领作用

推动构建新型电力系统

规划编制电网专业组

 

2020年9月,习近平总书记提出了我国碳达峰、碳中和目标。2021年3月15日,在中央财经委第九次会议上,对碳达峰、碳中和作出进一步部署,提出构建以新能源为主体的新型电力系统。这是自2014年6月提出“四个革命、一个合作”能源安全新战略以来,我国再次对能源发展作出的系统深入阐述,明确了新型电力系统在实现“双碳”目标中的基础地位,为我国能源电力发展指明了科学方向、明确了行动纲领、提供了根本遵循。

 
根据碳达峰、碳中和目标,结合我国能源资源禀赋及经济、政策、技术等发展趋势,预计未来我国能源供需格局将发生巨大变化。能源供给方面,煤、油、气等化石能源将在2030年前依次达峰,以太阳能、风能为代表的非化石能源迅猛发展,占一次能源的比重将在2030年升至约25%以上,并逐步成为一次能源供应主体;能源消费方面,电能占终端能源消费的比重将显著提升,更多碳排放从交通、建筑、工业等行业转移到电力行业,电力行业将成为我国碳达峰、碳中和目标实现的关键所在。
 
“十四五”是我国经济由高速增长向高质量发展转型的攻坚期,也是碳达峰的关键期和窗口期。电力行业需要结合电力系统演变趋势,统筹近期、中远期发展需求,统筹加强科技支撑顶层设计,进行战略性、前瞻性电网技术布局,遴选重点方向,开展基础理论、核心技术和关键装备等系统性攻关。

 

一、国内外电网技术发展现状及趋势
 

(一)国外技术发展现状
 
新能源发电并网与主动支撑技术方面,风电和光伏发电效率逐步提高,成本逐步下降,欧洲8MW~10MW风电机组已形成产业化能力并批量安装,10MW及以上更大容量的风电机组也已经进入设计阶段,海上风电技术已进入大规模发展阶段,远海、深海风电开发技术已相对成熟,瑞典、德国企业已有多个海上风电经柔直送出的工程经验。单个新能源发电单元特性及控制策略、高比例可再生能源集群协同优化控制、电网适应性主动控制等技术较国内更为领先,正在攻克多类型可再生能源与灵活资源的跨时空互补调度、短期和超短期随机优化调度、调度决策风险评估与预警等技术。
 
电网安全高效运行方面,国外多为超高压电网,单一电源或通道输电比例相对较小,新能源多采用分散低电压并网方式,电网发展速度相对较缓慢,原有的运行控制技术基本能满足电力系统运行控制需求,故针对提升互联电网安全控制与综合防御能力的研究较少,主要集中在运行效率提升、新能源汇集、柔性直流输电技术创新等方向。在电网运行控制领域高端芯片设计、制造工艺、封装和测试等技术方面,较国内具有明显领先优势。
 
配电网与分布式能源方面,发达国家电力负荷趋于饱和,网架基本成熟,配电网发展注重可靠性与经济性的平衡,资产利用水平较高,设备质量优良、入网检测严格、折旧年限远高于国内。配电自动化以就地型为主、实用化水平高,多采用无线公网通信方式,带电作业开展较为充分,普遍建成了以GIS为基础的企业级信息化系统;在分布式电源系统稳定性方面,国外研究致力于稳定裕度监测到稳定裕度改善相关的多个环节,较国内当前研究更为深入全面。
 
高端电工装备方面,特高压套管、高端电缆、发电机出口断路器等技术较为成熟,产品的运行可靠性和稳定性较好,有载分接开关产品已有较多应用。高端电工装备用基础材料、核心器件和工艺具有垄断地位;3300V/1500A焊接IGBT和4500V/3000A压接IGBT器件已实现产品化,并在风力发电、柔性直流输电等领域广泛应用;魏德曼、HSP和ABB、MR公司在特高压换流变压器阀侧套管、分接开关、出线装置设计制造方面具有丰富的经验。
 
源网荷储一体化及多能互补方面,德国可再生能源电力转换氢、甲烷技术达到商用化;美国重点发展分布式能源、冷热电三联供技术提高电力系统灵活性,开展需求侧“太阳能+储能”系统集群友好并网技术研究应用,以降低居民用电成本,提高电网调峰调频和应急响应能力;欧洲和日本在综合能源规划、设计与运行优化等技术方向总体处于领先水平;英国、德国、挪威等积极发展聚合小型分散的燃气机组、可再生能源发电机组的虚拟电厂技术。
 
储能技术及应用方面,美国、日本等在规模化储能技术选型、布局配置、系统状态监测及安全防护等基础研究方面较为领先。美国侧重于新型储能材料的基础研究,韩国、日本等侧重于电化学储能、氢储能等技术的产业化,日本的固态电池处于国际领先,德国在氢气+天然气应用方面取得突破,西班牙在熔融盐储热技术处于领先地位。
 
(二)国内技术发展现状及创新成就
 
“十三五”以来,在科技创新驱动战略的引领下,我国能源电力科技创新能力和技术装备自主化水平显著提升,建成了一批具有国际先进水平的重大能源电力技术示范工程。特高压电网技术实现了中国创造和中国引领,智能电网技术发展走在世界的前列,我国已经成为世界新能源并网规模最大、发展最快的国家。
 
新能源发电并网与主动支撑技术方面,研发了具有自主知识产权的新能源功率预测与优化调度系统、新能源生产运行模拟仿真分析软件;研制了可再生能源故障穿越、电网适应性、主动调频等并网试验核心装备,可再生能源并网性能大幅提高;突破了海上风电大型化、智能化发展关键技术。
 
电网安全高效运行方面,研制了具有自主知识产权的电力系统仿真分析成套软件系统和ADPSS仿真装置,交直流混联电网安全稳定分析和扰动源定位技术取得突破;突破了特高压电网故障协同处置、源网荷互动运行控制等核心技术,有效提升电网全局态势感知、综合协调决策和控制能力。
 
配电网与分布式能源方面,建成了适用于高密度分布式电源接入的复杂配电网数模混合仿真平台;掌握了在线风险识别与防御、故障精确诊断与连锁阻断、快速转供与自愈控制关键技术,建成了新一代配电自动化系统,研制了分布式电源灵活并网装备及优化调度系统。
 
高端电工装备方面,研制了世界首套1100kV GIL、±1100kV穿墙套管;研制了±800kV高端换流变及阀侧出线装置,攻克了现场组装式1000kV变压器关键技术;研制了500kV直流电缆,研制了交流500kV交联聚乙烯海缆并应用;研制了10GW级特高压直流换流阀、±535kV/3000MW柔直换流阀、500kV/26kA直流断路器;攻克了500kV UPFC关键技术并实现工程应用。
 
源网荷储一体化及多能互补方面,突破了千万千瓦级风光电集群源网协调控制关键技术及应用;掌握了需求侧可调负荷资源建模与互动技术,开展了世界单次规模最大的需求响应试点;初步形成了综合能源系统仿真建模理论,掌握了综合能源多目标规划设计方法。
 
储能技术及应用方面,建立了储能在电力系统应用基础理论体系,开发了电力系统储能调控和能量管理平台,攻克了长寿命锂离子储能电池制备和成组技术;突破了电化学储能大容量系统集成,在江苏、河南、湖南、青海等地建设了一批百兆瓦级储能示范工程;初步构建了完整的电池储能标准体系,掌握了适合各类应用场景的电池储能系统并/离网检测关键技术。
 
虽然我国电力技术水平有了长足进步和显著提高,但与世界电力科技强国相比,我国在原创性、前瞻性科技创新方面依然存在差距,在部分核心技术、关键设备及重要材料方面进口依赖度较高,需要正视差距,努力追赶。
 
(三)技术未来发展趋势
 
新能源发电并网与主动支撑技术方面,随着新能源由次要能源转变为主要能源,需要通过提高对新能源出力特性的认识和把握能力,促进电力资源的优化配置及提高新能源运行水平。新能源并网特性及主动支撑性能研究将进一步深化,新能源高精度预测、新能源发电特性感知与在线评价、大规模海上风电与交/直流互联系统的交互特性及协调稳定控制等技术方向持续发展。
 
电网安全高效运行方面,在高比例新能源和电力电子设备接入电网的背景下,电网仿真技术向着精细化、高效化、智能化方面发展,大电网电磁暂态仿真规模不断增加;随着大数据、人工智能等先进计算技术的发展,电网分析的智能化、自动化水平有望得到显著提升;电网安全稳定量化评估和规划辅助决策水平提高,电力系统频率电压支撑和调节能力增强;源网荷储各环节多要素之间的深度协同互动对系统安全高效运行支撑作用日益显著;交直流混联电网故障机理研究的理论不断丰富,系统安全防御由“预案匹配”模式逐渐向实时响应转变。
 
配电网与分布式能源方面,随着分布式能源、电动汽车、储能等广泛接入,配电网中能源供给与消费形式日趋多样,将从根本上改变传统配电网的电气结构和运行特性。配电网规划分析、保护控制、分布式电源并网等技术总体将向集成化、智能化、灵活化方向发展;通过先进的信息、通信、控制技术的应用,进一步强化网络互联互通,促进能源网络融合发展,实现各类异质能源子系统之间的协调规划与优化运行,提高配电设备及系统的集成度,提高配电网装备、系统运行控制的智能化水平,构建分散协同式的能源互联网能量管理机制。
 
高端电工装备方面,为支撑新型电力系统建设需求,电力电缆、新型柔性输配电装置、新型直流输电装备等在城市电网建设、新能源开发、柔性输电和跨海高压输电等应用场景中将发挥重要作用。特高压套管、有载分接开关等核心装备运行可靠性逐步提升,国产化程度和工程应用水平持续增强;借助高压全控器件的发展,基于电流源型高压直流换流器拓扑的新一代常规直流换流阀成套设计与应用将可能成为解决换相失败问题的有效手段;FACTS装备将从被动跟随电网向主动支撑电网运行模式的方向发展,向规模化应用、群控群调的方式发展。
 
源网荷储一体化及多能互补方面,未来终端能源系统将向以电为中心、多能互补方向发展,源网荷储集成一体化规划设计需求显著加强。多能耦合转换机理研究将不断深入,居民生活、工业/农业生产、交通运输领域多能转换新型设备与材料技术取得进一步突破;高温蒸汽热泵机组、高密度蓄冷热、电转气等关键技术与装备不断发展;大功率充电及高倍率动力电池技术、多能源耦合条件下的综合能源系统联合仿真规划与运行技术成为研究热点;供需互动服务将向实时感知、精准调控、快速响应的方向发展,负荷灵活调节、大规模电动汽车车-网互动等技术成熟度和应用水平不断提高。
 
储能技术及应用方面,储能系统将成为未来电力系统重要的灵活性调节资源,储能应用将呈现装机高比例化、布局泛在化、场景多样化、运行平台化等特征。高温钠电池、水系离子嵌入电池、液态金属电池的研发将进一步深入;随着技术中长期发展,本征安全、低成本、长寿命、高密度新型储能电池可能取得重大突破;结合物联网、智能感知和人工智能技术,未来将可能构建可观、可测、可控的储能调控平台,充分实现各层级、泛在化、可共享的储能资源有序聚合和广域协同调控。
 

二、“十四五”重点攻关技术方向及发展目标

 
(一)新型电力系统科技攻关需求
 
能源供需格局的深刻调整,必将给电力系统带来深刻变化。从电源结构看,由可控连续出力的煤电装机占主导,向强不确定性、弱可控出力的新能源发电装机占主导转变。从负荷特性看,由传统的刚性、纯消费型,向柔性、生产与消费兼具型转变。从电网形态看,由单向逐级输电为主的传统电网,向包括交直流混联大电网、微电网、局部直流电网和可调节负荷的能源互联网转变。从技术基础看,由同步发电机为主导的机械电磁系统,向由电力电子设备和同步机共同主导的混合系统转变。从运行特性看,由源随荷动的实时平衡模式、大机组大电网的集中控制模式,向源网荷储协同互动的非完全实时平衡模式、大电网与微电网协同控制的分散控制模式转变。
 
上述转变将从本质上改变电力系统机理分析、规划设计、运行控制、装备研制等多个方面,涉及源、网、荷、储多个环节,对相关领域科技创新提出了新的挑战。电力行业技术密集、存量系统庞大,转型对路径高度依赖,构建新型电力系统,是一项极具开创性、挑战性的系统工程,也是一个长期的渐进过程。
 
以构建新型电力系统的重大技术需求为牵引,需要在以下几个方面开展系统性攻关:
 
一是增强新能源发电主动支撑能力,助推新能源由辅助电源向主体电源转变。加快新能源发电主动支撑、海量分布式电源并网运行等技术研究,开展新能源发电集群协调运行控制、大规模新能源基地灵活交直流外送等技术攻关,推进深远海风电并网及运行控制技术研究。
 
二是提升电力系统安全稳定运行水平,助力新能源可持续快速发展。攻克新型电力系统供需平衡、稳定控制等基础理论,建设以多时间尺度、高精度、智能化为特征的系统仿真分析平台,加强新型直流输电和新型柔性输变电装备等技术创新。
 
三是加强源网荷储协同发展,全面支撑新能源高效开发利用。加快新型电力系统源网荷储统一规划、协调开发和科学配置研究,推动多能转换与互补利用、需求侧资源集群优化控制等技术攻关,开展电动汽车与电网灵活互动调控技术研究。
 
四是推动储能技术研究,支撑高比例新能源电力系统灵活调节能力提升。开展不同应用场景下储能器件与系统集成关键技术,推动大规模储能系统设计与应用示范,加强储能电池共性关键技术攻关,开展抽水蓄能、分布式储能与电源协同聚合等技术创新。
 
(二)新型电力系统重点任务部署
 
《“十四五”能源领域科技创新规划》面向以新能源为主体的新型电力系统建设要求,深入分析我国能源电力供需格局变化带来的技术挑战,基于我国电网科技创新成果总结及发展水平分析,统筹“锻长板、补短板”双重需求,协同推进“集中攻关、示范试验、应用推广”多类创新举措,在“新型电力系统及其支撑技术”重点任务方向布局共12项关键技术,聚焦适应大规模高比例新能源友好并网的先进电网技术、储能技术两大领域,加快战略性、前瞻性电网核心技术攻关。
 
适应大规模高比例新能源友好并网的先进电网技术领域,布局了7项关键技术,应用场景涉及发、输、配、用电多个环节,研究范畴包括仿真、规划、运行、装备等多种类型。一是着眼新能源发电并网支撑、电力系统仿真分析、交直流混合配电网规划运行等传统优势领域,考虑大规模和分布式新能源开发利用带来的新挑战和新需求,深化开展技术研发;二是面向新型电力系统装备自主可控需求,围绕未来高比例新能源场景下的直流输电和柔性输配电技术,加大集中攻关力度;三是针对源网荷储、多能互补、远海风电等跨学科跨领域新兴技术,以充分调动电源侧、负荷侧灵活调节能力为目标,推动系统层面的集成设计和协同攻关。
 
储能技术领域,布局了5项关键技术,涵盖削峰填谷、电网调频等不同时间尺度储能需求,包含电化学储能、飞轮储能、储氢、抽水蓄能等多种介质类型储能技术。一是针对不同电力系统储能应用场景,分别开展能量型、功率型储能装备及系统集成技术攻关;二是考虑储能电池安全性提升、维护管控、回收利用等问题,加强共性关键技术研究;三是围绕新型抽水蓄能装备研制和技术研发,推动实施示范试验;四是着眼分布式储能及分布式电源协同,为储能多场景应用提供技术支撑。
 
新型电力系统重点任务部署,体现了能源电力领域为应对新能源高比例接入和大规模应用挑战,主动谋划开展的技术储备和研发布局,从基础理论研究、仿真工具支撑、设备自主研制等多个角度,引领新型电力系统建设。一方面,支撑建设适应大规模可再生能源和分布式电源友好并网、源网荷双向互动、智能高效的先进电网;另一方面,突破能量型、功率型等储能本体及系统集成关键技术和核心装备,满足能源系统不同应用场景储能发展需要,提升电力系统灵活调节能力和安全稳定运行水平。
 
 

三、新型电力系统技术展望

 
(一)新能源成为主体能源,具备主动支撑电网能力
 
随着能源生产和消费革命持续推进,电源结构将发生根本性变化,由化石能源占主导转变为风电、光伏等非化石能源为主导。随着新能源发电和并网技术的不断进步,分布式光伏发电渗透率将显著提升,海上风电将逐步走向深远海域,成为新能源发电新的增长极。新能源发电支撑技术、大容量储能实用化水平、氢能等新型储能技术得到长足发展,推动新能源发电并网从“被动适应”到“主动支撑”转变。
 
(二)柔性技术广泛应用,电网运行更加安全高效
 
随着清洁能源大规模发展,以电为中心、电网为平台的能源互联网特征更为明显。电网大范围配置清洁能源能力将持续增强,跨区输电通道的清洁能源输送规模不断扩大。能源互联网基础理论、运行控制技术取得重要突破,电源灵活调节技术、柔性输电技术、需求响应技术等广泛应用,源网荷储协调性能大幅提升,实现各类能源的灵活消纳和高效配置。分频输电、超导输电等新型输电技术实现工程化应用。构建新型电力系统故障防御体系,抵御极端事件能力强,大面积停电风险显著降低。
 
(三)多能互补技术逐步成熟,供需互动能力不断提升
 
随着电网在更大范围内资源优化配置能力的增强,需求侧资源与储能在系统运行中的角色愈加重要。电动汽车、分布式储能、分布式新能源以及各类可中断负荷等将积极参与系统灵活调节,供需双向实现深度互动。储能技术和多能转换技术的逐步成熟,丰富了电力系统平衡调节手段,电热气冷氢等多种能源将实现高效灵活转换,电能转换成本显著降低,交通、供暖等用能大户的电气化程度进一步提升。能源配置和综合利用效率逐步提高,服务用户多元需求。
 
(四)新材料及功率器件自主化技术取得突破,高端输变电装备实现自主可控
 
国产电工材料及功率器件在低损耗、高可靠性、节能高效等方面持续提升,为电工装备升级换代提供更多选择。电网装备用电工新材料国有化率显著提升,±800kV及以上直流电缆材料、耐高温电容器薄膜材料实现规模化工程应用,新结构硅基器件、超高压碳化硅器件产品化技术实现全面突破,高敏感材料的研制和应用推动传感技术朝多参量、智能化、高精度方向发展,智能化超导装备和超导变电站有望取得重要突破。

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