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朱宁 梁双 | 下一代电网发展设想和弹性电网概念的提出
发布日期:2019-05-13 信息来源:中咨研究 访问次数: 字号:[ ]

电网是关系国民经济命脉的重要能源基础设施,不仅需要满足正常状态下的可靠运行,更需要在事故和小概率极端事件发生时维持必要的功能。传统电网发展面临诸多挑战,构建弹性电网(resilient power system)成为各国政府在推动智能电网发展战略中的目标之一。

一、电网发展面临的主要挑战

自三峡输变电工程2007年建成,我国开始了全国联网不断快速发展的进程。目前,已构成华北-华中、华东、东北、西北、南方、云南、西南(西藏、川渝)7个交流同步电网,形成交流110千伏、220千伏、330千伏、500千伏、750千伏 、1000千伏,以及直流±100千伏、 ±400千伏、 ±500千伏、 ±660千伏、 ±800千伏、 ±1100千伏的电压等级序列。


全国联网格局示意图

当今中国乃至世界各国电网,是二战后至上世纪末发展的大机组、超高电压、大规模互联电网,存在严重依赖化石能源、难以消纳风电光伏、难以消除安全风险等问题,可持续发展面临挑战。展望未来,我国下一代电网发展主要解决安全可靠性要求提高和风电光伏充分消纳两方面问题。

1、电网规模不断增大,必须提高可靠性

从发达国家人均用电量发展趋势看,日本、韩国和OECD国家1990年人均用电量分别为6877千瓦时、2368千瓦时和6696千瓦时,2010年分别约为8646千瓦时、9808千瓦时和8299千瓦时,2015年分别约为7660千瓦时、10547千瓦时和7945千瓦时。从发达国家人均用电量历年发展情况来看,其人均用电量随经济发展和结构优化逐步趋于稳定。

我国2018年人均用电量约4900千瓦时,还有较大增长空间,随之电网规模也将持续增大。大范围资源优化配置带动的大规模交直流互联电网,虽然具有减少总装机容量(时空差异的互补)、减少备用容量、提高供电可靠性和电能质量等好处,但同时也带来了系统规模大而复杂、运行难度大、局部故障危及整个互联系统安全、事故波及范围大所引起的风险多维化(经济、社会、政治)等诸多问题。

作为安全可靠能源供应系统的重要组成部分,未来电网必须具有极高的供电可靠性,基本排除大面积停电风险。

2、可再生能源成为发展主力,必须充分消纳

近三十年来,以风力发电和光伏发电为代表的间歇式可再生能源发电技术持续快速发展。截至2018年底,我国并网风电和光伏装机容量分别达到18426万千瓦和17463万千瓦(占全国19亿千瓦发电装机约18.9%),年发电量超过5400亿千瓦时(占全国7万亿千瓦时发电量约7.8%)。随着间歇式电源装机规模的不断攀升,解决间歇式电源的装机浪费和消纳困难,促进其科学发展,是电网发展的关注热点。

未来电网必须具备接收大规模风电、光伏、分布式可再生能源电力的能力,成为新能源电力的输送和分配网络。

二、下一代电网发展方向

解决传统电网发展问题,必须依靠创新驱动,下一代电网发展主流是开放、智能、融合。

开放:社会各方广泛深入参与电力生产、传输、消费等各个环节,协同促进能源电力的安全高效、绿色低碳发展。

智能:电网与现代信息技术相结合,在发电、电网和用户处安装智能传感器,让电力系统的各个环节展示出来,形成“物联基础”,充分感知电力系统运行状态和外部环境变化,并实现电力系统运行管理的智能化。在电网智能化发展中,寻求极高的供电可靠性和事故恢复能力。应该说,弹性或者具有恢复力是未来电网智能化发展的一个目标。

融合:电网与信息网、交通网和其他城市基础设施广泛融合,与分布式电源、储能装置、能源综合高效利用系统有机融合、双向互动,提高终端能源利用效率,成为综合能源服务体系的有力支撑,推动产生能源新模式新业态。

开放、智能、融合是未来电网发展方向,有弹性(或有恢复力)是电网智能化目标之一。

三、弹性电网概念和研究现状

弹性电网概念(resilient power system, or power system resilience)源于智能电网,最早由美国提出。美国能源部(U.S. Department of Energy)在2009年第一版智能电网系统报告(2009 smart grid system report)中,描述智能电网特征的时候提出了弹性(或恢复力)的要求,指电网对各类事故的抵御和恢复到初始状态的能力。此后,学界开始将这个概念用于电网相关研究中。英文resilience源自拉丁文resilio,意思是弹性、回弹、恢复,中文里常被译为“恢复力”。

别朝红等中国学者在“弹性电网及其恢复力的基本概念与研究展望”(2015年第22期《电力系统自动化》)中,详细介绍了弹性(恢复力)的概念和研究现状,提出:

(1)相对于传统电力系统,“弹性电网”不仅增强系统抵御事故风险能力,更强调具有应对无法预料的小概率极端事件(日益频发的各类自然灾害和人为袭击)的能力。在面临无法避免的故障时,系统能有效利用各种资源灵活应对风险,适应变化的环境,维持尽可能高的运行功能,并能迅速、高效恢复系统性能。

(2)近些年电网智能化技术的快速发展,尤其是分布式电源、微电网、主动配电网等技术赋予了电网更多灵活有效的故障应对策略,使电力系统在灵活性、安全性、电能质量、自愈能力等方面进一步提高成为可能,使得弹性电网恢复力的主动提升成为可能。

(3)美国、欧盟、日本等国家地区政府,均十分重视弹性电网方面的研究。根据《复苏与再投资法案》,在智能电网研究项目中,美国能源部与电力企业联合投资超过79亿美元用于提高电网现代化、收集数据、研究弹性电网、研发恢复力提升技术。日本、欧洲也已成立相应的政府机构与科研部门,进行灾害恢复力方面的研究。2015年3月在日本举行的第三次联合国世界减灾大会中,提高灾害恢复力作为重要议题多次出现在大会讨论中,大会通过的《2015-2030年仙台减灾框架》也将灾害恢复力列为全球减灾方面四大优先行动之一。

目前研究认为,电网有弹性或者有恢复力,主要体现在以下三方面:(1)在电力系统遭遇扰动事件前,有能力针对其做出相应的准备与预防;(2)遭遇扰动事件过程中,有能力充分地抵御、吸收、响应以及适应;(3)遭遇扰动事件后,有能力快速恢复到电力系统正常状态。

弹性(或有恢复力)电网的研究方向主要包括:(1)明确弹性电网需要应对的扰动事件;(2)构建弹性电网评价指标体系与评估理论;(3)电网恢复力提升策略;(4)电网恢复力提升手段。

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