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构建新型电力系统电力规划转型思考

信息来源:南方电网报  发布时间2021-07-07

  习大大总书记指出,实现碳达峰、碳中和是中国向世界作出的庄严承诺,也是一场广泛而深刻的经济社会变革,绝不是轻轻松松就能实现。3月15日,中央财经委员会第九次会议指出,“十四五”是碳达峰的关键期、窗口期。 要构建清洁低碳安全高效的能源体系,控制化石能源总量,着力提高利用效能,实施可再生能源替代行动,深化电力体制改革,构建以新能源为主体的新型电力系统。为推动电力系统规划工作积极转型适应新型电力系统构建要求,本文深入分析了新型电力系统特点,由此提出了电力系统规划各环节研究的转型思考。

  一、新型电力系统的特点

  对于构建新型电力系统,南方电网公司4月发布《数字电网推动构建以新能源为主体的新型电力系统白皮书》,5月发布《南方电网公司建设新型电力系统行动方案(2021—2030)白皮书》,提出了新型电力系统建设的总体目标以及8大领域24项重点举措,并提出新型电力系统以新能源占据主导地位为显著特征,呈现绿色高效、柔性开放和数字赋能的特点。在此基础上,笔者分析认为,新型电力系统是以数字化推动的,高比例新能源、高比例电力电子、低转动惯量、强随机性的电力系统,系统中源网荷储之间通过电力流和信息流形成有机整体,并与其他能源系统进行能量和数字交互。从源网荷储四个环节看,均出现了新的变化——

  电源侧:电源装机规模倍增于负荷需求增长,电源结构以新能源为主体。电源出力特性间歇性、波动性加剧。电源布局更为多元,电力电子装置高比例渗透。

  电网侧:电网规模仍需持续扩大。结构上,主电网进一步加强省区互联;配电网将逐步演化为有源供电网络,向交直流混合柔性电网﹢智能微电网等多种形式协同发展;主配网界限进一步模糊。电网稳定问题复杂化、潮流概率化、电网利用率下降。电网由单纯的电力输送通道向能源综合利用的平台转型。电网发展以数字技术为驱动,依托强大的“电力﹢算力”,使电网具备超强感知能力、智能决策能力和快速执行能力。

  负荷侧:能源消费双控将为高载能行业的用电增长带来不确定性,但新电气化进程将带来电量增量。微网、虚拟电厂、电动汽车等多元负荷形态比例提升。在储能单元加入负荷侧后,部分负荷将具备主动参加系统调节的能力,负荷特性不确定性增大。三产及居民用电比重持续提升,峰谷差和尖峰负荷规模将进一步扩大,对电力供应安全要求更高。用户互动性增强,积极参与市场交易及系统调节。

  储能侧:储能规模与新能源、核电的发展同频增长。中短期内以抽水蓄能和化学储能并重,长期随着其他新储能技术不断涌现,储能技术形式进一步多元化。

  二、电力规划工作转型建议

  电力规划工作是基于对未来一段时期内负荷增长的预判,开展电源供应充裕度的分析并提出电源规划的方案,随后对负荷和电源的新需求开展网架方案的设计,最后对规划网架开展电气校验以及经济技术的评价。在新型电力系统下,电力规划的规划对象除了传统的源网荷之外,还需进行储能规划;规划边界进一步扩展,传统规划以电力系统内部数据为主,辅以对社会经济发展数据的研究,在新型电力系统下仍需进一步掌握能耗、碳排放等专业数据;规划流程基本上与传统电力系统规划一致,但各阶段均将引入新的技术手段应对新型电力系统的新特征;规划评价方面,评价指标进一步多元,亟需形成新的评价体系客观衡量新型电力系统的规划效果。以下,将从负荷、电源(含储能)、电网3个规划对象角度,对新型电力系统规划工作需重视的问题进行探讨。

  负荷预测方面,更重视能耗、排放对负荷发展的限制,预测出来的最大负荷需经过尖峰削减后才能作为后续规划的依据,确定性的负荷预测将逐步向概率化的预测方法转变。结合地区能耗、排放指标开展大用户用电需求预测,特别是在传统高载能行业比重较大的地区,更要特别重视甄别电解铝、钢铁、化工等大用户投产的可行性,更加慎重对待打着大数据中心名义建立的虚拟货币挖矿项目。紧密关注工业、建筑、交通等部门碳达峰路径设计,摸清电能替代资源发展潜力,开展电能占终端能源消费占比测算,并研究其对电力需求增长的拉动作用。传统预测的最大负荷含有一定比例的尖峰负荷,尖峰负荷持续时间短、频次低、电量少,在新型电力系统下,电源、电网的备用率将显著提升,为了更经济高效地开展电力建设,建议开展弹性负荷、虚拟电厂等灵活调节资源摸底,提出合理确定削峰比例,将最大负荷进行尖峰削减后,再参与后续的电源需求、电网需求方案设计。以一个最大负荷5000万千瓦负荷体量的省份为例,若实现5%的尖峰负荷削减,将减少250万千瓦的煤电机组装机需求。同时高比例可再生能源分布式接入用户侧将带来多时空强不确定性,定量的负荷预测需逐步转变为对含分布式电源、储能和主动负荷的广义负荷的用电需求、负荷特性和互动机理的研究。现阶段对概率化负荷预测的研究和应用程度不足,尚未形成通用可行的方法,这也将成为规划领域亟需开展的研究之一。

  电源规划方面,需开展多时间尺度的平衡计算,电源配置上需考虑各类电源定位根本性的改变,含储能在内的调节性电源规划将成为更重要的一项内容。不同电源的调节性能不同,火电受限于其自身运行机理、水电站受限于其水能资源、不同储能技术也对应不同的调节能力,特别是以新能源为主体的新型电力系统下,新能源出力波动的随机性强,对各类电源的配置除了典型断面下的电力电量平衡外,还要进行计及爬坡能力等不同时间尺度下的平衡计算,这也是亟待进行技术突破的关键技术领域。而从电源定位上看,新能源从提供电量补充逐步成为提供电量支撑的主体电源;煤电将转为以提供电力为主、电量为辅的备用保障电源;气电主要作为调节性和保安电源;抽水蓄能将保持削峰填谷、紧急事故备用作用。在新型电力系统中,电源调节能力必须与新能源的接网规模同频增加,抽水蓄能规划、储能电站规划等调节电源规划将成为规划工作中的重要内容。

  电网规划方面,当前亟待解决的是加强网架建设,加强网源荷储一体化协同规划,减少新能源送出卡脖子,先把被动消纳的问题解决好;中长期将提高电网柔性,逐渐加强电网友好主动接纳能力;在电网校验中着重解决潮流随机、稳定机理研究等问题。主电网进一步强化,特别加强新能源富集区域的送出网络建设,适时进一步增加省间互联,减少大规模新能源送出受阻及带来的稳定问题。加大新能源整合送出研究,优选新能源汇流站站址以及技术方案,开展网源荷储一体化协同规划研究。同时对电网规模增大、潮流随机性增加带来的设备利用率下降问题要提出更多解决方法,比如利用柔性交流输电系统等技术,实现电网潮流控制,减少不必要的网架建设。随着分布式电源和互动用户的大量接入,配电网将逐步引入更多的柔性互联设备,实现分布式电源、微网、储能装置即插即用、友好主动接纳的能力。规划工作中要对新能源接入电网安全标准、消纳考核标准等提出合理建议,推动新能源机组进一步完善涉网技术标准,推动新能源在提高系统调节能力方面承担主体作用。在电气计算方面,潮流分布的不确定性提升,典型方式数量较传统电力系统显著加大,常规的潮流计算工具处理随机潮流的效率较低,需逐渐建立高适应性、高灵活性分析的不确定性潮流算法;风光发电大规模替代常规机组将使系统总体有效惯量减小,抗扰动能力降低,电网承受较大潮流波动压力,频率控制难度加大。风光发电机组容易大规模脱网,引发严重的连锁故障,电力电子装置大量应用增加次同步振荡风险。因此在常规的静态、暂态和动态稳定计算之外,仍需开展新能源场站接入系统强度评估等稳定评估。

  三、结语

  在构建新型电力系统进程中主动作为,是电网企业推进碳达峰碳中和目标落地最直接的方式,规划工作也需要在其中进一步转型。上述负荷、电源、电网侧规划方式的转变需要观念转变、技术创新和数字化提升共同助力达成。建议一是提升规划数字化水平,以处理更多的能耗、碳排放、经济等外部数据,应对数据量的激增和数字化的电力系统模型表达,需打造覆盖全电压等级数字化电网规划设计平台,构建以数据为核心的智能电网数字化转型全景框架,形成智能电网、数据流、业务流、人工智能的智能电网体系。二是大力推动技术创新,加大科技投入和资源配置,对电力规划领域亟待突破的关键问题,如源网荷储协调规划方法、多时间尺度的电力电量平衡、广义负荷预测、柔性互动的配电网规划技术等开展攻关。

  广西电网公司电网规划研究中心 南方电网公司二级技术专家 黄丽娟

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