中國國家電網(wǎng)公司成立于2002年12月,以投資建設運營電網(wǎng)為核心業(yè)務,致力于為經(jīng)濟社會發(fā)展提供可持續(xù)的電力保障,連續(xù)3年位居世界500強企業(yè)第2位,是全球最大的公用事業(yè)企業(yè)。在國內,我們運營著全球裝機規(guī)模最大、輸電能力最強的特大型電網(wǎng),為超過11億人口提供供電服務;在境外,我們投資運營7個國家和地區(qū)的骨干能源網(wǎng),并以工程承包等方式參與能源電力基礎設施建設,管理境外資產(chǎn)約655億美元,擁有良好的市場信譽和國際影響力。
下面,結合論壇主題和中國國家電網(wǎng)公司的實踐,就構建新一代電力系統(tǒng)與大家分享3個方面的認識。
中國電力系統(tǒng)發(fā)展實踐
電是人類歷史上最偉大的科學發(fā)現(xiàn)之一,電能的廣泛應用,極大地解放了社會生產(chǎn)力,促進人類文明的進步。如今,電能已經(jīng)成為全球使用最廣泛、最重要的能源之一,遍布世界各地的電力系統(tǒng),每天源源不斷地為人類社會發(fā)展提供不竭動力。
中國有電始于1882年。到1949年全國發(fā)電裝機容量185萬千瓦,年發(fā)電量43億千瓦時,人均裝機僅有3瓦。新中國成立后,中國政府把電力工業(yè)作為國民經(jīng)濟的先行工業(yè)擺在優(yōu)先發(fā)展的位置,經(jīng)過近70年的艱苦努力,特別是改革開放40年來的快速發(fā)展,中國電力工業(yè)取得舉世矚目的成就?；仡櫺轮袊闪⒁詠淼碾娏Πl(fā)展歷程,大致可分為3個階段:
第一個階段:從新中國成立后的1949年到改革開放前的1978年。這一時期,中國電力發(fā)展的主要任務是加快建立電力工業(yè)體系,提高電力自主建設能力,電力系統(tǒng)的主要特點是小機組、低電壓、省內聯(lián)網(wǎng),電力供需主要在省內平衡。到1978年,中國平均單機容量僅為3萬千瓦,初步形成以220千伏為主網(wǎng)架的省級電網(wǎng)。
第二階段:從改革開放后的1979年到20世紀末的2000年。這一時期,隨著改革開放的深入,中國經(jīng)濟加快發(fā)展,電力需求快速增長,電力供應長期緊缺,中國電力發(fā)展的主要任務是通過引進先進技術、多方集資辦電,著力解決缺電問題,電力系統(tǒng)的主要特點是大機組、高電壓、省間聯(lián)網(wǎng),電力供需主要在區(qū)域內統(tǒng)籌平衡。到2000年,30萬千瓦及以上機組逐步成為主力機型,電網(wǎng)主網(wǎng)架向500千伏升級,跨省聯(lián)網(wǎng)規(guī)模不斷擴大,基本形成六大區(qū)域電網(wǎng)。
第三階段:21世紀以來至今。這一時期,中國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程不斷加快,資源、環(huán)境對經(jīng)濟社會發(fā)展的制約日益突出,電力發(fā)展的主要任務是滿足電力供應和優(yōu)化結構并重,電力系統(tǒng)的主要特點是大基地、特高壓、全國聯(lián)網(wǎng),電力資源在全國范圍內統(tǒng)籌平衡。到2017年,全國電力裝機達到17.8億千瓦,年發(fā)電量6.4萬億千瓦時,均居世界第一位,實現(xiàn)了除中國臺灣以外的全國聯(lián)網(wǎng),在西部、北部建成一批大型能源基地,電網(wǎng)大規(guī)模、遠距離輸電能力顯著發(fā)揮,形成了大規(guī)?！拔麟姈|送”“北電南供”電力配置格局。
中國電力工業(yè)是一個不斷創(chuàng)新、進步的過程,是一個從弱到強、從跟跑到并跑再到領跑的過程。在這個過程中,形成了兩大標志性工程。
第一個標志性工程是三峽輸變電工程。三峽輸變電工程是三峽工程的重要組成部分,承擔著三峽水電送出任務。通過三峽輸變電工程建設,不僅實現(xiàn)了三峽水電送出,而且大幅提高了中國電網(wǎng)技術水平,掌握了±500千伏直流輸電的核心技術,實現(xiàn)了華中、華東、華北、南方電網(wǎng)互聯(lián),有力地促進了全國聯(lián)網(wǎng)。三峽輸變電工程是中國電網(wǎng)技術實現(xiàn)由跟跑到并跑的關鍵性工程,也是實現(xiàn)全國聯(lián)網(wǎng)的基礎性工作。
第二個標志性工程是特高壓輸電工程。特高壓輸電是指1000千伏交流、±800千伏直流及以上的輸電技術,具有大容量、遠距離、低損耗、占地少的綜合優(yōu)勢,是目前世界最先進的輸電技術。國家電網(wǎng)公司于2005年全面啟動特高壓工作,依靠自主創(chuàng)新全面掌握了特高壓交、直流核心技術并實現(xiàn)工程應用,2009年建成晉東南—荊門特高壓交流試驗示范工程、2010年建成向家壩—上海特高壓直流示范工程。目前,中國國家電網(wǎng)公司已建成投運“八交十直”18項特高壓工程,合計交流變電容量1.29億千伏安,直流輸電容量8360萬千瓦,線路長度超過3萬千米。特高壓使中國在遠距離輸電技術上實現(xiàn)了從并跑到領先的跨越,為構建全球能源互聯(lián)網(wǎng)、推動能源在更大范圍內優(yōu)化配置提供了重要支撐。國際大電網(wǎng)委員會認為:“中國的特高壓工程是一個偉大的技術成就,是世界電力工業(yè)發(fā)展史上的里程碑?！?br> 能源轉型對電力系統(tǒng)的挑戰(zhàn)
進入21世紀,為應對氣候變化、保護生態(tài)環(huán)境、保障能源供應,世界各國都加快推進能源轉型。2015年達成的《巴黎協(xié)定》,為這一輪能源轉型提供了新的驅動力。從本質上看,這一輪能源轉型是一個再電氣化的過程,同以往的電氣化相比,這一輪再電氣化進程有明顯不同。能源生產(chǎn)環(huán)節(jié),體現(xiàn)為電能越來越多的由非化石能源轉換而來,最終將主要由非化石能源特別是可再生能源轉換而來;終端能源消費環(huán)節(jié),體現(xiàn)為電能的利用范圍前所未有的拓展,電力將成為支撐現(xiàn)代信息社會和數(shù)字經(jīng)濟的主要能源品種。
中國是全球最大的能源消費國,能源結構長期以煤為主,能源需求呈較快增長趨勢,油氣對外依存度持續(xù)提升,推進能源轉型的任務十分緊迫。中國政府出臺了一系列政策,積極支持能源轉型?！吨袊茉瓷a(chǎn)和消費革命戰(zhàn)略(2016～2030)》明確提出,到2020、2030、2050年非化石能源占一次能源消費比重分別達到15%、20%和50%;2030年前碳排放總量達到峰值。
在中國政府大力推動下,中國能源轉型進程不斷加快。2008～2017年,中國風電、太陽能發(fā)電裝機年均增長達到44%和191%,大大高于全球19%和46%的平均增速。截至2017年底,中國可再生能源裝機6.5億千瓦(水3.4、風1.6、光1.3億千瓦),占比36.6%(略低于歐洲2015年38.7%的水平,遠高于美國19.6%的水平)。與此同時,電能占終端能源消費比重不斷提升,2000年以來,中國電能占終端能源消費比重由14.8%提高到23.5%,提升了約9個百分點,比全球平均水平高約5個百分點。預計2020、2035、2050年,電能占終端能源消費比重將由目前的23.5%提升至25%、30%、40%。
能源轉型持續(xù)推進,特別是風能、太陽能等具有間歇性、波動性特征的新能源大規(guī)?？焖侔l(fā)展,給電力系統(tǒng)帶來一系列重大挑戰(zhàn)。一是電網(wǎng)資源配置能力的挑戰(zhàn)。中國能源資源與需求逆向分布,80%以上的水電、風電、太陽能發(fā)電資源集中在西部北部地區(qū),與東中部負荷中心相距1000～3000千米。大規(guī)模開發(fā)西部北部的可再生能源,持續(xù)擴大“西電東送”“北電南供”規(guī)模,對電網(wǎng)大范圍配置能力提出了挑戰(zhàn)。
二是確保系統(tǒng)安全的挑戰(zhàn)。隨著新能源和直流輸電的快速發(fā)展,電力電子技術廣泛應用,電力系統(tǒng)的運行特性和機理發(fā)生深刻變化。風電的“弱轉動慣量”和光伏的“零轉動慣量”導致電力系統(tǒng)等效轉動慣量大幅度降低,抗擾動能力下降,易發(fā)生穩(wěn)定破壞。同時,機電和電磁暫態(tài)過程交織,系統(tǒng)穩(wěn)定形態(tài)復雜,大直流送端過電壓問題更為突出,多直流饋入地區(qū)的電壓崩潰風險顯著提高。三是系統(tǒng)平衡調節(jié)的挑戰(zhàn)。電力系統(tǒng)具有發(fā)、供、用實時平衡的特點,傳統(tǒng)的電網(wǎng)運行控制方式是利用常規(guī)電源的調節(jié)能力滿足負荷的動態(tài)變化。風電、太陽能發(fā)電等具有顯著的間歇性、波動性和隨機性特征,不具備常規(guī)電源有功、無功調節(jié)性能,導致電網(wǎng)短路容量大幅下降,系統(tǒng)動態(tài)調節(jié)能力嚴重不足。同時,我國電源結構以煤電為主,其調節(jié)能力和調節(jié)速度不能滿足新能源大規(guī)模并網(wǎng)要求。
四是系統(tǒng)靈活控制的挑戰(zhàn)。隨著越來越多的電力電子元件接入,系統(tǒng)設備基礎由傳統(tǒng)交流設備向電力電子化轉變,電力電子設備并網(wǎng)存在諧波、諧振與振蕩風險,頻率分布于更寬的頻帶范圍,與火電機組次同步振蕩等問題交織,給電網(wǎng)無功和諧波控制帶來困難。分布式新能源、微電網(wǎng)、電動汽車大規(guī)模接入,系統(tǒng)運行特征由潮流從電網(wǎng)到用戶的單向流動模式向雙向互動轉變,系統(tǒng)控制的復雜性大幅增加。
五是政策和市場設計的挑戰(zhàn)。近年來,新能源開發(fā)成本持續(xù)下降,但與常規(guī)電源相比,成本依然偏高,新能源比例較大的國家普遍存在補貼數(shù)額巨大和終端用戶電價持續(xù)上漲的壓力。中國也不例外,目前新能源補貼已出現(xiàn)資金缺口,省間壁壘嚴重制約資源優(yōu)化配置,火電參與調峰、儲能技術發(fā)展、電力負荷參與系統(tǒng)調節(jié)的有效價格激勵機制尚沒有形成,棄風、棄光問題突出,政策和市場設計的精準性有待提升。
能源轉型的深入推進,對電網(wǎng)的功能作用、運行方式提出了前所未有的考驗,迫切需要推進傳統(tǒng)電力系統(tǒng)換代升級?；谖覀兊难芯亢蛯嵺`,我認為,未來的電力系統(tǒng),在功能上將向能源互聯(lián)網(wǎng)演進,在技術上將向新一代電力系統(tǒng)升級。
新一代電力系統(tǒng)發(fā)展方向
與傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)相比,新一代電力系統(tǒng)的物理特性、設備基礎、運行特征、控制方式都將發(fā)生根本改變,具有廣泛互聯(lián)、智能互動、靈活柔性、安全可控、開放共享5個方面特征。
廣泛互聯(lián),是指系統(tǒng)規(guī)模大、接入主體多,電網(wǎng)成為資源大范圍優(yōu)化配置平臺。電力系統(tǒng)接入主體更加多樣化,分布式電源、微電網(wǎng)、儲能、電動汽車等大量新型用能設備大量接入;電網(wǎng)、信息網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)深度融合,網(wǎng)絡跨地域、跨領域互聯(lián),能夠實現(xiàn)大范圍的能源互濟供應。
智能互動,是指系統(tǒng)具備高度智慧化和交互性,電力生產(chǎn)、消費與電力市場緊密融合?！按笤莆镆啤焙腿斯ぶ悄芗夹g得到廣泛應用,電力系統(tǒng)全環(huán)節(jié)具備智能感知能力、實時監(jiān)測能力、智能決策水平。發(fā)電和用戶的雙向選擇權放開,發(fā)電側與售電側各主體在電力市場中廣泛參與、充分競爭,用戶通過經(jīng)濟政策或價格信號,實現(xiàn)主動負荷需求響應。
靈活柔性,是指系統(tǒng)具有強大的適應性和抗干擾能力,新能源消納水平顯著提升。儲能、虛擬同步機、大功率電力電子器件、柔性輸電等新技術、新設備廣泛應用,系統(tǒng)的靈活性和適應性顯著提升。源隨荷動、荷隨網(wǎng)動,源網(wǎng)荷實現(xiàn)聯(lián)動,電網(wǎng)運行的彈性顯著增強。
安全可控,是指系統(tǒng)具有高度穩(wěn)定性和可靠性,電網(wǎng)安全可控能控。電網(wǎng)預防和抵御事故風險的能力顯著提升,降低大面積停電風險。交流與直流、各電壓等級電網(wǎng)協(xié)調發(fā)展,主網(wǎng)、配電網(wǎng)效率效益和供電可靠性雙提升。網(wǎng)絡信息加密技術普及,電力系統(tǒng)信息安全防護水平顯著增強。
開放共享,是指系統(tǒng)具有高度開放性和共享度,電網(wǎng)成為綜合能源服務平臺。電力、燃氣、熱力、儲能等資源,通過電網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)互通,能源綜合利用效率得到優(yōu)化?；ヂ?lián)網(wǎng)理念貫穿各類用電業(yè)務,形成透明開放的服務網(wǎng)絡。支撐分布式能源、各類用能設備友好接入。構建新一代電力系統(tǒng),技術創(chuàng)新是關鍵,需要在以下5個方面重點突破。
一是堅強的網(wǎng)絡結構。這是構建新一代電力系統(tǒng)的基礎。從世界范圍看,加強電網(wǎng)互聯(lián)互通、擴大聯(lián)網(wǎng)規(guī)模,是很多國家實現(xiàn)能源資源大范圍優(yōu)化配置、推進能源清潔轉型的戰(zhàn)略性選擇。目前,歐洲已建成統(tǒng)一同步電網(wǎng),可以實現(xiàn)新能源在各國互濟消納,為適應風電、太陽能大規(guī)模發(fā)展的需要,歐盟計劃到2030年將各國的跨國輸電容量再增加一倍。中國國家電網(wǎng)到2035年的跨區(qū)輸電規(guī)模將從目前的1.9億千瓦進一步提高到3.8億千瓦,10多個特高壓直流群接入東中部地區(qū),需要加快發(fā)展特高壓交流輸電,構建堅強的送、受端同步電網(wǎng),解決大直流帶來的潮流匯集與疏散安全問題。
二是綜合安全防御體系。加快發(fā)展更快、更強、廣域、智能的大系統(tǒng)控制技術,對電網(wǎng)故障的實時跟蹤分析將從分鐘級提升為秒級、毫秒級,安全防御體系向電源側、用戶側深度延伸,電源側重點提高集群控制的靈活性,用戶側重點提高分散控制的精確性。電網(wǎng)環(huán)節(jié)要加快發(fā)展柔性交、直流輸電,增強電力系統(tǒng)靈活調節(jié)能力。電網(wǎng)調度朝著高度智慧化方向發(fā)展,具備全網(wǎng)狀態(tài)感知能力、自適應巡航能力,成為新一代電力系統(tǒng)的智能中樞,保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。
三是快速平衡調節(jié)能力。新一代電力系統(tǒng)的頻率調節(jié)與無功調節(jié)將朝著快速、動態(tài)、深度、精準方向發(fā)展。頻率調節(jié)方面,重點是推動傳統(tǒng)火電、核電機組增強深度調峰能力,加快發(fā)展新能源機組調頻技術和大規(guī)模電池儲能技術。無功調節(jié)方面,重點利用調相機、FACTS、柔性直流、儲能等動態(tài)無功裝置建立主網(wǎng)虛擬無功電源群。要加快發(fā)展精準負荷控制技術,支持電動汽車、分布式電源、微電網(wǎng)以及各類智能用電裝置參與系統(tǒng)平衡調節(jié),實現(xiàn)源一網(wǎng)一荷一儲協(xié)調互動。
四是新能源友好并網(wǎng)。在新一代電力系統(tǒng)中,新能源機組應當朝著更高效、更友好、更經(jīng)濟方向發(fā)展。一方面要加快發(fā)展大容量風機、更高轉化效率的光伏發(fā)電。另一方面,大力提升新能源機組涉網(wǎng)性能,使其逐步接近常規(guī)機組,重點要提高新能源機組的頻率、電壓耐受能力,加快發(fā)展虛擬同步機技術,主動支撐電網(wǎng)頻率、電壓穩(wěn)定。同時,要大力發(fā)展高精度電力氣象預測技術,實現(xiàn)新能源電站集群控制,推進電網(wǎng)友好型風電場和太陽能電站建設。
五是基礎理論和新一代仿真?；A理論方面,,重點要研究電力電子化系統(tǒng)、交直流混聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定基礎理論。在新一代仿真方面,隨著能源互聯(lián)網(wǎng)建設的深入推進,系統(tǒng)仿真的領域要從電力領域向能源領域拓展,仿真的方法從電磁暫態(tài)+機電暫態(tài)仿真向電磁暫態(tài)+小步長仿真轉變,建設更高精度、更快速度、更強功能的仿真平臺。
推動能源清潔低碳轉型是世界各國普遍選擇,“再電氣化+新一代電力系統(tǒng)”是轉型的重要路徑。中國國家電網(wǎng)公司愿意與國內外同行加強技術交流與合作,共同解決構建新一代電力系統(tǒng)面臨的各種難題,為全球能源轉型、促進人類社會可持續(xù)發(fā)展作出積極貢獻。
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