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南網科學研究院曾勇剛:南方電網構建新型電力系統面臨的挑戰與關鍵技術

2021-10-19 19:03  瀏覽:  

10月13日,2021國家能源互聯網大會在山東淄博會展中心正式拉開序幕。本屆大會以“聚力雙碳目標 ,清潔能源互聯創新”為主題。旨在積極響應國家號召,圍繞能源數字化轉型、新能源高質量發展、新型電力系統建設、氫能/儲能技術發展、能源互聯網技術研發/示范落地/推廣應用等展開研討、交流與成功經驗分享,為匯聚更多相關企事業單位加快新型電力系統建設、推進能源互聯網新技術新產品應用、積極參與“雙碳”目標早日實現行動計劃等指引方向。

南方電網科學研究院院長曾勇剛出席會議并發表題為《南方電網構建新型電力系統面臨的挑戰與關鍵技術》的主題報告。他表示,實現“雙碳”目標,電力是主力軍,電網是排頭兵。南方電網從今年3月份開始,對構建新型電力系統展開了深入研究,提出了分為四個階段的建設路徑。通過頂層設計、分布實施、有序推進新型電力系統的構建,力爭在2030年前基本建成新型電力系統。

以下為發言全文:

曾勇剛:各位專家、各位領導、各位來賓,大家上午好!我報告的題目是《南方電網構建新型電力系統面臨的挑戰與關鍵技術》。主要有三個部分:一、構建新型電力系統的主要挑戰;二、國際經驗的借鑒;三、關鍵技術。

眾所周知,習總書記在去年9月提出了“雙碳”目標,3月15號又提出了構建新型電力系統。實現“雙碳”目標,理論是主戰場,電力是主力軍,電網是排頭兵。南方電網也是從今年3月份開始,對構建新型電力系統展開了深入研究,提出了分為四個階段的建設路徑,通過頂層設計、分布實施、有序推進新型電力系統的構建,力爭在2030年前基本建成新型電力系統。

新型電力系統最主要的特征是以新能源為主體,大家都知道具有“兩高和三性”特點,兩高是高比例新能源接入、高比電力電子設備應用,三性是隨機性、波動性和間歇性,帶來了兩個方面的挑戰,第一是電力保障的挑戰,第二是慣量下降的挑戰。

右邊圖是典型光伏的出力曲線圖,從圖中可以比較直觀地來了解新能源的“三性”。隨機性就是看天吃飯,主要是出力取決于來風和光照等自然條件,具有較強的不確定性。波動性主要是時高時低,相鄰時段和相鄰時段的變化大且不可控;間歇性主要是時有時無,對光伏來說是晝夜特性,對風電來說存在連續多天的低出力現象。

以云南和廣東電網為例,全年的高峰時段90%概率下可保證風力出力是5%左右。如果按照這個計算,預測南方電網2030年是2.5億千瓦的新能源裝機。按照5%來算,裝機替代只有達到1250萬千瓦,仍然需要規劃大量常規機組做電力保障。

對于波動性,最主要是對于短時發電功率影響大,對電力系統靈活性調節能力要求非常高。以云南風電為例,在2019年做過統計,日內發電功率峰谷差最大達到了全省風電裝機的60%。按照這比例來算,2030年,2.5億千瓦新能源裝機的60%日功率的波動將達到1.5億千瓦的數字,非常龐大的數!

對于間歇性,對電力供應保證的挑戰主要是存在連續多日的低出力、光伏的晝夜間歇現象,對系統的供電能力提出了非常高的要求。比如以廣東桂山風力發電為例,在2020年就出現過連續7天的低于20%的出力情況。由于大范圍連續多天低出力,將對新能源電力系統的電力保障有重大挑戰。由于這幾方面的問題是通過儲能是比較難以解決,因為是連續墮天。如果通過常規的機組來解決的話,系統的運行成本是非常高。

另外一個方面,由于南方電網與云南電網實現了異步,現在廣東電網正在進行柔性直流互聯,也逐步南方電網變成3到4個交流同步電網。這方面對系統的慣性方面也帶來了更大影響。在構建新型電力系統,就對系統慣量更加關注,尤其是關注交流同步電網的頻率同步穩定問題。

對于2020年至2060年南方電網的慣性進行評估,通過評估從這兩個圖可以看出,到2035年左右主網系統慣性常數會降到2秒以下,云南電網因為是異步的,2030年左右就會降到2秒以下。如果考慮到儲能以后,到2秒以下的時間會推遲大概10到15年左右。

另外一個指標是初始頻率變化率,以南方電網800萬千瓦直流雙機閉鎖來考察頻率變化率的話,可以看到2020年到2035年由于同步機開機在逐步增大,總的慣量還是增大的,初始頻率在減少。2030年以后由于火電機組退役增速大于同步機的增速,所以總的慣量是在減少。但是如果考慮轉成慣量以后,也是會減少,抗干擾能力也會增強。初始頻率變化率具有重要的意義,現在國家相關的標準對這方面沒有要求的,下一步相關的研究也在加強。

第二個方面,簡要介紹對歐洲電網調研情況做對標

2019年,歐洲總裝機容量是1.2億左右,風光裝機接近30%,發電量在20%。通過預測,2030年南方電網新能源發電量占比也是20%左右,就是與歐洲當前的水平基本相當。我們覺得歐洲的經驗教訓,對南方電網的2030年基本建成新型電力系統具有一定的借鑒意義。

歐洲現在面臨的最大挑戰還是慣性下降的問題,在2020年歐盟對歐洲書店系統運營情況調查評估,慣性下降是列為第一位的。2019年的“8·9”大停電事故,由于南部電網遭受雷擊引起單相接地,部分機組脫網后頻率變化率達到0.135Hz/s,已經超過了海上風電的頻率變化率的保護定值0.125Hz/s,造成了再次機組脫網,加速系統頻率的跌落,誘發了低頻減載動作,導致英國損失負荷達到6.5%。

英國也采取了相關的措施,主要還是采取了新的慣性服務的方式,把一些關停的發電機組做了電動機運行,以增加系統的頻率穩定性。

愛爾蘭和北愛爾蘭也是基于實時開機對慣量進行實時監測。北歐頻率問題比較突出,超過0.1Hz的范圍的時間大幅度增加,未來改變傳統的模式,通過分區控制實現更有效的運行和控制。

通過歐洲的一些經驗調研,我們覺得有幾個方面可以借鑒。第一個方面是關注增強慣量,第二是提升頻率支撐,第三是加強區域互聯,第四是靈活的調節能力。

第三個方面簡要介紹一下南方電網構建新型電力系統需要重點突破的一些關鍵技術,主要是有八個方面。

第一是規模化經濟型儲能應用技術。儲能是解決新型電力系統電力保障和電力慣性的重要舉措,重點要突破的關鍵技術比如GWh級儲能電站集成技術,包括梯次利用、綠氫制取的應用技術。

第二是適應多業務場景的新能源全面可觀可測可控技術,包括新能源多時空尺度精確預測技術、分布式可再生能源全景動態感知以及雙向互動的調控技術等等。

第三是不同時間尺度的概率化電力電量平衡技術,主要是針對新能源的隨機性、波動性、間歇性帶來的電力保障問題,主要解決規劃、調度業務的關鍵技術。包括了兩個時間尺度的,一個是年月的時間尺度,一個是短時間尺度就是周和日的時間尺度。

第四是新型電力系統慣量評估及頻率運行控制技術。

第五是高度電力電子化的電力系統諧波及振蕩抑制技術。這里面主要是解決電力電子化程度快速提升系統的寬頻震蕩以及諧振相關的問題。

第六是大規模新能源接入的全景仿真,里面需要突破的技術非常多,主要是建立覆蓋全網大規模的新能源全景仿真平臺,包括利用實時或者離線,主要是實現精確和實現高效仿真。

第七是電力電子變流設備構網型控制技術,主要是解決慣量問題。

第八是電-碳聯動的運營技術及市場機制,包括基于電力流的碳計算模型及測算方法,以及碳足跡監測及分析技術研究,以及電-碳市場的仿真模擬技術。

接下來,南方電網將充分發揮數字電網的承載作用和科技創新的支撐作用,推動關鍵技術攻關與示范作用,加快建設新型電力系統,全面服務“雙碳”目標的實現!我的報告完畢,謝謝大家!

(本文根據會議現場發言嘉賓的速記整理而成,未經本人審核。)

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