中国工程院院士李立浧:未来电网应“无条件”接受新能源

发布日期:2021-05-31· 能源高质量发展 贾科华

构建新型电力系统意义重大 李立浧说。构建以新能源为主体的新型电力系统。李立浧从发电量、电力在终端能源消费中的占比等方面向大家描绘了2060年电力系统的模样。

中国工程院院士李立浧放下PPT翻页笔,一边从演讲桌上举起一个苹果大小的白色方块一边说:“我今天给大家带来了一个小产品。这就是我们最新研发的小微智能电流传感器。去过变电站的人都知道,在50万伏的变电站里,电流互感器和电压互感器设备有15米高,而现在我们可以用这个电流传感器来替代。”话音未落,台下不少听众就纷纷举起手机拍照……

这是日前发生在广州“数字能源化助力广东绿色低碳发展”论坛上的一幕。在李立浧看来,小微智能传感器是当前热门话题——“构建以新能源为主体的新型电力系统”的关键技术设备。

“构建以新能源为主体的新型电力系统”刚提出,就在行业内引起热议——这一新型电力系统到底是什么样子?与传统电力系统相比,新在了哪里?又该从哪里开始着手构建这一新系统?对于这些关键问题,李立浧给出了他的看法。

构建新型电力系统意义重大

李立浧说:“今年3月15日的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。其中,‘构建以新能源为主体的新型电力系统’这一号召的提出,对于能源电力领域来讲意义重大。”

李立浧指出,当前的电力系统以大电厂、大电网、远距离输送为特征,计划性、集中化、效率低、市场主体相对集中等是其主要表现。那么2060年时的新型电力系统是什么样子的?

“我用了一个词,叫‘概念情景’。”李立浧从发电量、电力在终端能源消费中的占比等方面向大家描绘了2060年电力系统的模样,“那时整个电力系统的发电量将达到18—20万亿千瓦时(编者注:2020年我国发电量为7.4万亿千瓦时)。电力将成为工业、交通领域的主要能源供应形式。所以,发电量达到这一高水平可能性很大。而且,电力在终端能源消费中的直接占比将达到70%、间接占比将达到90%。其中,间接占比包括炼钢、建材生产的用电比重,这些行业原本是使用油气、煤炭的,到时也会转向使用电力。”

据李立浧介绍,新型电力系统中的电网将呈现“主干电网+中小型电网+微型电网”的形态,其中,配电网将占据中心位置。同时,配电网将与分布式电源协同发展;在此背景下,用户将不再仅仅是能源消费者,而是“既是能源消费者,也是能源生产者”。届时,装机和发电量主要来自可再生能源;这种高渗透率接入新能源的局面,将深刻改变传统电力系统的形态、特性和机理;透明将成为新型电力系统的主要特征,电力系统将实现柔性可控。

既然装机和发电量主要来自可再生能源,那么目前可再生能源产业是否仍会面临“弃风”“弃光”“弃水”难题?“未来的电力系统可以‘无条件’接受新能源。”李立浧说,“很多人认为这很难实现。但未来的电力系统要做到‘无条件’接受新能源,这是电力系统的发展目标。”

与传统电力系统存在重大差别

李立浧认为,新型电力系统的承载形式是“透明电力系统”。

据他介绍,透明电力系统的主要形态表现为:充分利用海量小微传感器、智能设备、电力物联网、分布式数据处理、数据挖掘及共享服务等技术手段,建设具备云资源存储、大数据处理、数据驱动分析、高度智能化等能力的强大软件平台,能够不完全依赖电网模型,在海量数据基础上,通过大数据和先进计算技术,透过数据关系发现电网运行规律,实现电网的智能运行。

李立浧指出,与现有电力系统相比,透明电力系统具有明显差别。例如,在系统形态和生态方面,传统的电力系统是面向功能、界限分明的:基于测量、传输和计算的运行控制系统,基于计量和人机交互的服务系统,以模型和预测为核心的仿真系统,面向集中式架构,存在功能割裂、信息封闭、技术受限的问题,很难应对新能源的快速变化形态。

“但在新型电力系统中,功能主体数量巨大,波动性和分布式特征明显,‘源网荷储’融合变换,‘能量和信息’交织。”李立浧表示,“面对不同时间尺度、不同空间维度、巨量复杂对象的巨系统问题,基于全局的数据是电力系统研究纽带和基础。”

在动态特性方面,传统电力系统的系统设计、运行和分析均建立在经典机电理论和数学模型基础上,动作时间常数大(秒—分钟级),系统稳定措施主要考虑的是发电机组固有的转动惯量,控制保护体系建立在相对“慢速”的系统机电特性上。“但在新型电力系统中,新能源并网基本采用电力电子设备,具有明显的弱惯性特点。动作时间常数小,是毫秒级的;频域分布广,包括直流、数百赫兹的。这都意味着难以建立精确的数学模型,控制保护体系必须频繁应对更加快速的电磁暂态过程。”李立浧说。

在安全稳定理论方面,新型电力系统的安全稳定有赖于对系统快速全面的测量、更加高效智能的保护控制:电力系统的研究目标从关注“机电同步过程”发展为关注“数据同步过程”,研究方法从“模型等效”发展为基于“数据驱动”,基于数字化的信息与物理系统融合将成为新型电力系统的显著特征。

系统安全稳定运行面临全新挑战

李立浧介绍,在新型电力系统中,新能源发展将呈现集中式与分布式并举的态势。在配网侧,分布式光伏、微电网将蓬勃发展。“大量因地制宜、数量可观、就近消纳的分布式电源接入电网,将使得电力系统各类型设备的地理分布更加分散,配电网的形态和运行模式也将发生重大改变。”

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