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郭剑波院士: 电力系统必须寻找新的平衡模式

近年来,国内外能源电力供给安全均受到了严峻考验。2021年2月,美国得克萨斯州极端寒潮天气导致新能源出力不足,全州电力负荷大增,电价飙升至每千瓦时9美元,一户居民一个月电费达到1万美元。2016年9月、2019年8月澳大利亚和英国分别发生因新能源支撑能力不足、恶劣天气导致的大停电事故。而我国东北、四川等地也陆续出现了由一次能源引起的电力短缺事件。

经济社会的发展使人类对电力供应的需求持续增加。尤其是在清洁低碳目标的前提下,“保供应、保安全、促消纳”矛盾交织,如何稳定安全地提供充足电力,成为电力系统需要积极应对的挑战。

随着新能源利用技术、智能电网技术、储能技术等多个领域的创新技术实现应用,电力系统正在推进的演化和变革,有望“一石三鸟”地满足经济、生态、用电安全三方面的共同要求。

中国工程院院士、国家电网有限公司一级顾问郭剑波认为,“清洁低碳、安全充裕、经济高效、供需协同、灵活智能”的新型电力系统是未来的演进发展方向。那么,新型电力系统离我们还有多远?如何构建新型电力系统?目前还存在哪些难点?近日,科技日报记者就上述问题专访了郭剑波。

新能源发电对电力系统安全稳定有何影响

记者:“双碳”目标下,提升新能源发电比例被视为增加发电量的最优解。您如何看待这一观点?

郭剑波:从实现绿色低碳的角度出发,增加新能源的发电比例是解决人类能源问题的最佳方案之一。风、光等可再生能源近年来发展迅速。将风、光等可再生能源进行电力转化,在成本、效率方面逐渐可以满足大规模应用的要求,最近10年我国陆上风电成本下降了60%、光伏成本下降了80%左右。

从能源供应的安全角度看,大力发展新能源也将为我国能源的可持续发展开辟新的支撑路径。增加新能源发电供给有望进一步优化能源结构、提高能源自给率,保障能源安全。

但是,在认可新能源发电优势的同时,也要考量其对电力系统安全稳定的影响。当前我国电力系统有着较高的安全稳定水平,30多年未发生大面积停电事故,保持着特大规模电网安全运行的世界纪录。这样的成绩,与传统电力系统经过100多年构建所形成的设备、系统、技术、政策、法规等各方面的“自洽”密切相关。

随着新能源发电比例的逐渐增加,新能源发电波动性、弱支撑性等特点所带来的安全稳定问题逐步凸显。传统电力系统的“自洽”必须寻找新的平衡模式,逐步演进为新的“自洽”,进而保持我国电力系统一以贯之的、高水平的安全稳定。

记者:风光发电波动性、弱支撑性对电力系统的影响大吗?为什么?

郭剑波:新能源有波动性、随机性,通俗理解就是“不可靠”,风、光发电不能满足“一插就有电”的供电需求。更具体地说,电具有商品属性,用户购买电,对电的供应有质量标准的要求,即连续可靠,电压、频率、波形要满足标准要求,否则就是不合格的商品。“不合格的电”会带来如烧毁电器、高精密仪器无法正常运行等问题,甚至造成巨大的生产损失。

此外,在极端恶劣天气情况下。国内外均有停电事故或电力供应不足事故发生。我国近60年的气象数据表明,极端天气发生频率呈上升趋势,在长周期范围内,极端天气用电负荷与新能源发电出力也呈反调节特性,即“极热无风,晚峰无光”的特性,这无疑增加了新能源电力供电安全风险。

从电的商品角度出发,我们会发现,新能源发电在电的经济和环境成本方面贡献很大,但在电的安全质量方面贡献相对较小,这与新能源的特性密切相关。比如,为了满足用电需求,传统电厂都有备用机制,达到“即便用户多要电我也有”的效果,以防止运行预测不准确。煤电厂留备用的任务已经制度化,包括备好发电用燃煤、相应机组等一系列方案。而风电光伏要形成备用机制,经济性较差。其能源基础是难以储留的太阳能、风能,目前无法形成制度化的备用方案和稳定的备用供给。

提高新能源发电比例需多方协调配合

记者:我国中东部风、光资源技术可开发量总计20亿千瓦以上,远不能满足当地用电负荷需求,仍需依赖我国西北地区、东北地区的跨区输送电量。电力空间平衡的需求带来哪些挑战?

郭剑波:从能源分布角度看,“胡焕庸线”以东属经济发达地区,“胡焕庸线”以西是资源富集地区,存在着能源逆向分布的情况。随着新能源发电量的增加,新能源发电的大容量远距离外送面临的问题更多、挑战更大。

目前对于超过1000公里的大容量远距离输电来说,最经济的方式是直流输送。但直流输送的整流和逆变过程(交流电与直流电的变换过程),需要强电源的支撑。而新能源发电则是以电力电子换流器并入电网,这种方式承受过电流能力低,通过这种方式产生的是“弱电源”。打个比方,直流输电的整流和逆变过程需要电源的支撑,传统技术中,电源的支撑能力可能如同3头牛、5头牛扛着这项工作,因此在系统有波动时,电源也能扛得住。而新能源并网时接入的换流器如同众多“小蚂蚁”,其汇集而成的力量也要承担运送“粮草”(电力)的任务,但承受系统故障冲击的能力低,这就导致大容量远距离外送的系统安全性面临挑战。

记者:增加新能源发电比例还有哪些工作要做?需要哪些方面的协调和配合?

郭剑波:随着新能源发电比例的增加,电力行业已经开始关注新能源发电入网对电力安全贡献薄弱的问题。

例如,技术方面存在的一个瓶颈是,新能源大规模并网带来的宽频振荡问题在不同国家和地区相继发生,其振荡频率覆盖范围广,从数十赫兹到数百赫兹乃至上千赫兹,机理复杂。针对上述问题,学界和产业界均开展了相关研究。如在振荡的抑制方面,可以通过建立千万千瓦级新能源发电集群全电磁暂态仿真平台,利用仿真重现的手段,帮助预防和解决振荡事故;在新能源机组发电的安全稳定性方面,主动建立并支撑电网频率和电压的构网型技术也得到了积极的发展。

持续提升新型电力系统的稳定性不完全是个技术问题,还与体系有关。以新型电力系统解决供需矛盾,不可能一蹴而就。比方说,过去的面粉种类有“75粉”“85粉”,同样是100斤麦子,有的能打出75斤面粉,有的能打出85斤面粉,两种面粉的价格肯定是不一样的。因为前一种除去了10斤“麸糠”,进行了质量升级的工作。现在的新能源发电由于本身特点,将使得电力系统低惯量、低阻尼、弱电压支撑等特点凸显,就好像掺杂了“麸糠”的面粉,但在并网时电力安全和质量成本未能体现在相关的核算中。随着产消者的出现,需适当修订现行的《电力法》,使其适应新型电力系统,也就是说要实现责权利对等。我们在鼓励新商业模式和商业形态兴起的同时,也应该赋予其同等的责任。

构建新型电力系统关键是形成新的“自恰”

记者:构建新型电力系统最大的挑战是什么?目前有哪些应对举措?

郭剑波:为解决新能源电力系统存在的问题,当前也涌现出不少技术和方案,比如,通过储能技术提高新能源发电的利用率。但当前这些技术和方案仍未能同时较好地解决安全保供、治理环境、提升经济效益三方面的问题。新能源出力具有随机性、波动性,电力电量时空分布极度不均衡,带来充裕性挑战;新能源的弱支撑性导致故障对电网造成的打击强度增加,带来安全性挑战;新能源发电成本下降,但系统匹配的调节和安全成本大幅增加,需要政策机制的引导和保障,带来经济性和体制机制挑战。安全―经济―环境“矛盾三角形”将长期存在。如何在可接受范围内给出可以普及的、最优的问题解决方案,是新能源电力系统面临的难题。

从新型电力系统的构建来看,最大挑战是如何形成新的“自洽”。我们应该意识到,构建新型电力系统的根基是安全保供,它的起点和演进过程均需要依靠传统电力系统。新型电力系统不是通过推翻传统系统重新建立起来的。新型电力系统是在能源电力系统基础上持续演进的过程,应该客观、科学地认识新能源发电的弱点,通过开发安全稳定、成本可及、可持续发展的技术弥补这些问题,逐步形成新系统的“自洽性”。

记者:如何理解新型电力系统的演进方向?如何构建各参与主体、各关键要素协同发展的生态?

郭剑波:环境问题、能源危机和新能源成本下降必将加速新能源的发展,而新能源比例的增加将使得新型电力系统面临的安全、经济、体制机制等挑战来得更快、更猛烈、更复杂。因此,必须加快科技创新和推广应用,加强社会―能源―电力系统的协同,不断完善政策法规。

政策应进一步鼓励智慧技术的应用。新型电力系统是一个物理信息社会系统,电力系统的运行与社会行为、信息交互的关系将会更加紧密。以电动车为例,新型电力系统通过交互和调度,能够实现在太阳光充足时,让电动车多充些电、消耗负荷,在没太阳的时候则让电动车给电网供些电。这样的交互也可以发展到温感负荷的使用中,让每个电力的使用者都能为电力系统稳定贡献“平衡力”。

政策还将平衡新能源开发利用的着力点。当前,新能源开发受到行业产业的高度重视,但新能源真正发挥效果是在应用中。发电后如何满足不同用电场景、如何更便于行业企业的应用?在这些方面,技术创新开发仍旧不足。

可见,新型电力系统的形成,离不开包括政策法规作为“指挥棒”的方向引导作用。

记者:党的二十大报告指出,加快规划建设新型能源体系。如何正确理解新型电力系统与新型能源体系的关系?

郭剑波:首先,从量的关系上来说,据预估,到2060年能源消费侧的电力消费占比将是所有能源消费的50%以上,甚至可能达到70%,新型电力系统将逐步从新型能源体系的重要部分变成主要部分。其次,从相互之间的作用关系来看,能源低碳靠电力、电力安全靠能源。新型电力系统是源网荷储协同的系统。在新型电力系统演进过程中,需要迎接多能源利用、多行业发展对电力系统提出的挑战,还要兼顾解决世界能源理事会提出的能源“三难指数”(即能源安全、能源公平、环境可持续性)的矛盾。

因此,必须运用大系统观,从能源体系和社会体系的视角出发,认识新型电力系统演化趋势和发展规律。在新的历史条件下,要结合中国特有的实际情况,系统全面地考量安全经济环境因素,并以之为基础推进新型电力系统建设。

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