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                                                  科技創新規劃解讀丨如何推動構建新型電力系統?
                                                  來源:   作者:   點擊數:   日期:2022-05-26 11:03

                                                  發揮科技創新引領作用

                                                  推動構建新型電力系統

                                                  規劃編制電網專業組

                                                   

                                                  2020年9月,習近平總書記提出了我國碳達峰、碳中和目標。2021年3月15日,在中央財經委第九次會議上,對碳達峰、碳中和作出進一步部署,提出構建以新能源為主體的新型電力系統。這是自2014年6月提出“四個革命、一個合作”能源安全新戰略以來,我國再次對能源發展作出的系統深入闡述,明確了新型電力系統在實現“雙碳”目標中的基礎地位,為我國能源電力發展指明了科學方向、明確了行動綱領、提供了根本遵循。

                                                   
                                                  根據碳達峰、碳中和目標,結合我國能源資源稟賦及經濟、政策、技術等發展趨勢,預計未來我國能源供需格局將發生巨大變化。能源供給方面,煤、油、氣等化石能源將在2030年前依次達峰,以太陽能、風能為代表的非化石能源迅猛發展,占一次能源的比重將在2030年升至約25%以上,并逐步成為一次能源供應主體;能源消費方面,電能占終端能源消費的比重將顯著提升,更多碳排放從交通、建筑、工業等行業轉移到電力行業,電力行業將成為我國碳達峰、碳中和目標實現的關鍵所在。
                                                   
                                                  “十四五”是我國經濟由高速增長向高質量發展轉型的攻堅期,也是碳達峰的關鍵期和窗口期。電力行業需要結合電力系統演變趨勢,統籌近期、中遠期發展需求,統籌加強科技支撐頂層設計,進行戰略性、前瞻性電網技術布局,遴選重點方向,開展基礎理論、核心技術和關鍵裝備等系統性攻關。

                                                   

                                                  一、國內外電網技術發展現狀及趨勢
                                                   

                                                  (一)國外技術發展現狀
                                                   
                                                  新能源發電并網與主動支撐技術方面,風電和光伏發電效率逐步提高,成本逐步下降,歐洲8MW~10MW風電機組已形成產業化能力并批量安裝,10MW及以上更大容量的風電機組也已經進入設計階段,海上風電技術已進入大規模發展階段,遠海、深海風電開發技術已相對成熟,瑞典、德國企業已有多個海上風電經柔直送出的工程經驗。單個新能源發電單元特性及控制策略、高比例可再生能源集群協同優化控制、電網適應性主動控制等技術較國內更為領先,正在攻克多類型可再生能源與靈活資源的跨時空互補調度、短期和超短期隨機優化調度、調度決策風險評估與預警等技術。
                                                   
                                                  電網安全高效運行方面,國外多為超高壓電網,單一電源或通道輸電比例相對較小,新能源多采用分散低電壓并網方式,電網發展速度相對較緩慢,原有的運行控制技術基本能滿足電力系統運行控制需求,故針對提升互聯電網安全控制與綜合防御能力的研究較少,主要集中在運行效率提升、新能源匯集、柔性直流輸電技術創新等方向。在電網運行控制領域高端芯片設計、制造工藝、封裝和測試等技術方面,較國內具有明顯領先優勢。
                                                   
                                                  配電網與分布式能源方面,發達國家電力負荷趨于飽和,網架基本成熟,配電網發展注重可靠性與經濟性的平衡,資產利用水平較高,設備質量優良、入網檢測嚴格、折舊年限遠高于國內。配電自動化以就地型為主、實用化水平高,多采用無線公網通信方式,帶電作業開展較為充分,普遍建成了以GIS為基礎的企業級信息化系統;在分布式電源系統穩定性方面,國外研究致力于穩定裕度監測到穩定裕度改善相關的多個環節,較國內當前研究更為深入全面。
                                                   
                                                  高端電工裝備方面,特高壓套管、高端電纜、發電機出口斷路器等技術較為成熟,產品的運行可靠性和穩定性較好,有載分接開關產品已有較多應用。高端電工裝備用基礎材料、核心器件和工藝具有壟斷地位;3300V/1500A焊接IGBT和4500V/3000A壓接IGBT器件已實現產品化,并在風力發電、柔性直流輸電等領域廣泛應用;魏德曼、HSP和ABB、MR公司在特高壓換流變壓器閥側套管、分接開關、出線裝置設計制造方面具有豐富的經驗。
                                                   
                                                  源網荷儲一體化及多能互補方面,德國可再生能源電力轉換氫、甲烷技術達到商用化;美國重點發展分布式能源、冷熱電三聯供技術提高電力系統靈活性,開展需求側“太陽能+儲能”系統集群友好并網技術研究應用,以降低居民用電成本,提高電網調峰調頻和應急響應能力;歐洲和日本在綜合能源規劃、設計與運行優化等技術方向總體處于領先水平;英國、德國、挪威等積極發展聚合小型分散的燃氣機組、可再生能源發電機組的虛擬電廠技術。
                                                   
                                                  儲能技術及應用方面,美國、日本等在規?;瘍δ芗夹g選型、布局配置、系統狀態監測及安全防護等基礎研究方面較為領先。美國側重于新型儲能材料的基礎研究,韓國、日本等側重于電化學儲能、氫儲能等技術的產業化,日本的固態電池處于國際領先,德國在氫氣+天然氣應用方面取得突破,西班牙在熔融鹽儲熱技術處于領先地位。
                                                   
                                                  (二)國內技術發展現狀及創新成就
                                                   
                                                  “十三五”以來,在科技創新驅動戰略的引領下,我國能源電力科技創新能力和技術裝備自主化水平顯著提升,建成了一批具有國際先進水平的重大能源電力技術示范工程。特高壓電網技術實現了中國創造和中國引領,智能電網技術發展走在世界的前列,我國已經成為世界新能源并網規模最大、發展最快的國家。
                                                   
                                                  新能源發電并網與主動支撐技術方面,研發了具有自主知識產權的新能源功率預測與優化調度系統、新能源生產運行模擬仿真分析軟件;研制了可再生能源故障穿越、電網適應性、主動調頻等并網試驗核心裝備,可再生能源并網性能大幅提高;突破了海上風電大型化、智能化發展關鍵技術。
                                                   
                                                  電網安全高效運行方面,研制了具有自主知識產權的電力系統仿真分析成套軟件系統和ADPSS仿真裝置,交直流混聯電網安全穩定分析和擾動源定位技術取得突破;突破了特高壓電網故障協同處置、源網荷互動運行控制等核心技術,有效提升電網全局態勢感知、綜合協調決策和控制能力。
                                                   
                                                  配電網與分布式能源方面,建成了適用于高密度分布式電源接入的復雜配電網數?;旌戏抡嫫脚_;掌握了在線風險識別與防御、故障精確診斷與連鎖阻斷、快速轉供與自愈控制關鍵技術,建成了新一代配電自動化系統,研制了分布式電源靈活并網裝備及優化調度系統。
                                                   
                                                  高端電工裝備方面,研制了世界首套1100kV GIL、±1100kV穿墻套管;研制了±800kV高端換流變及閥側出線裝置,攻克了現場組裝式1000kV變壓器關鍵技術;研制了500kV直流電纜,研制了交流500kV交聯聚乙烯海纜并應用;研制了10GW級特高壓直流換流閥、±535kV/3000MW柔直換流閥、500kV/26kA直流斷路器;攻克了500kV UPFC關鍵技術并實現工程應用。
                                                   
                                                  源網荷儲一體化及多能互補方面,突破了千萬千瓦級風光電集群源網協調控制關鍵技術及應用;掌握了需求側可調負荷資源建模與互動技術,開展了世界單次規模最大的需求響應試點;初步形成了綜合能源系統仿真建模理論,掌握了綜合能源多目標規劃設計方法。
                                                   
                                                  儲能技術及應用方面,建立了儲能在電力系統應用基礎理論體系,開發了電力系統儲能調控和能量管理平臺,攻克了長壽命鋰離子儲能電池制備和成組技術;突破了電化學儲能大容量系統集成,在江蘇、河南、湖南、青海等地建設了一批百兆瓦級儲能示范工程;初步構建了完整的電池儲能標準體系,掌握了適合各類應用場景的電池儲能系統并/離網檢測關鍵技術。
                                                   
                                                  雖然我國電力技術水平有了長足進步和顯著提高,但與世界電力科技強國相比,我國在原創性、前瞻性科技創新方面依然存在差距,在部分核心技術、關鍵設備及重要材料方面進口依賴度較高,需要正視差距,努力追趕。
                                                   
                                                  (三)技術未來發展趨勢
                                                   
                                                  新能源發電并網與主動支撐技術方面,隨著新能源由次要能源轉變為主要能源,需要通過提高對新能源出力特性的認識和把握能力,促進電力資源的優化配置及提高新能源運行水平。新能源并網特性及主動支撐性能研究將進一步深化,新能源高精度預測、新能源發電特性感知與在線評價、大規模海上風電與交/直流互聯系統的交互特性及協調穩定控制等技術方向持續發展。
                                                   
                                                  電網安全高效運行方面,在高比例新能源和電力電子設備接入電網的背景下,電網仿真技術向著精細化、高效化、智能化方面發展,大電網電磁暫態仿真規模不斷增加;隨著大數據、人工智能等先進計算技術的發展,電網分析的智能化、自動化水平有望得到顯著提升;電網安全穩定量化評估和規劃輔助決策水平提高,電力系統頻率電壓支撐和調節能力增強;源網荷儲各環節多要素之間的深度協同互動對系統安全高效運行支撐作用日益顯著;交直流混聯電網故障機理研究的理論不斷豐富,系統安全防御由“預案匹配”模式逐漸向實時響應轉變。
                                                   
                                                  配電網與分布式能源方面,隨著分布式能源、電動汽車、儲能等廣泛接入,配電網中能源供給與消費形式日趨多樣,將從根本上改變傳統配電網的電氣結構和運行特性。配電網規劃分析、保護控制、分布式電源并網等技術總體將向集成化、智能化、靈活化方向發展;通過先進的信息、通信、控制技術的應用,進一步強化網絡互聯互通,促進能源網絡融合發展,實現各類異質能源子系統之間的協調規劃與優化運行,提高配電設備及系統的集成度,提高配電網裝備、系統運行控制的智能化水平,構建分散協同式的能源互聯網能量管理機制。
                                                   
                                                  高端電工裝備方面,為支撐新型電力系統建設需求,電力電纜、新型柔性輸配電裝置、新型直流輸電裝備等在城市電網建設、新能源開發、柔性輸電和跨海高壓輸電等應用場景中將發揮重要作用。特高壓套管、有載分接開關等核心裝備運行可靠性逐步提升,國產化程度和工程應用水平持續增強;借助高壓全控器件的發展,基于電流源型高壓直流換流器拓撲的新一代常規直流換流閥成套設計與應用將可能成為解決換相失敗問題的有效手段;FACTS裝備將從被動跟隨電網向主動支撐電網運行模式的方向發展,向規?;瘧?、群控群調的方式發展。
                                                   
                                                  源網荷儲一體化及多能互補方面,未來終端能源系統將向以電為中心、多能互補方向發展,源網荷儲集成一體化規劃設計需求顯著加強。多能耦合轉換機理研究將不斷深入,居民生活、工業/農業生產、交通運輸領域多能轉換新型設備與材料技術取得進一步突破;高溫蒸汽熱泵機組、高密度蓄冷熱、電轉氣等關鍵技術與裝備不斷發展;大功率充電及高倍率動力電池技術、多能源耦合條件下的綜合能源系統聯合仿真規劃與運行技術成為研究熱點;供需互動服務將向實時感知、精準調控、快速響應的方向發展,負荷靈活調節、大規模電動汽車車-網互動等技術成熟度和應用水平不斷提高。
                                                   
                                                  儲能技術及應用方面,儲能系統將成為未來電力系統重要的靈活性調節資源,儲能應用將呈現裝機高比例化、布局泛在化、場景多樣化、運行平臺化等特征。高溫鈉電池、水系離子嵌入電池、液態金屬電池的研發將進一步深入;隨著技術中長期發展,本征安全、低成本、長壽命、高密度新型儲能電池可能取得重大突破;結合物聯網、智能感知和人工智能技術,未來將可能構建可觀、可測、可控的儲能調控平臺,充分實現各層級、泛在化、可共享的儲能資源有序聚合和廣域協同調控。
                                                   

                                                  二、“十四五”重點攻關技術方向及發展目標

                                                   
                                                  (一)新型電力系統科技攻關需求
                                                   
                                                  能源供需格局的深刻調整,必將給電力系統帶來深刻變化。從電源結構看,由可控連續出力的煤電裝機占主導,向強不確定性、弱可控出力的新能源發電裝機占主導轉變。從負荷特性看,由傳統的剛性、純消費型,向柔性、生產與消費兼具型轉變。從電網形態看,由單向逐級輸電為主的傳統電網,向包括交直流混聯大電網、微電網、局部直流電網和可調節負荷的能源互聯網轉變。從技術基礎看,由同步發電機為主導的機械電磁系統,向由電力電子設備和同步機共同主導的混合系統轉變。從運行特性看,由源隨荷動的實時平衡模式、大機組大電網的集中控制模式,向源網荷儲協同互動的非完全實時平衡模式、大電網與微電網協同控制的分散控制模式轉變。
                                                   
                                                  上述轉變將從本質上改變電力系統機理分析、規劃設計、運行控制、裝備研制等多個方面,涉及源、網、荷、儲多個環節,對相關領域科技創新提出了新的挑戰。電力行業技術密集、存量系統龐大,轉型對路徑高度依賴,構建新型電力系統,是一項極具開創性、挑戰性的系統工程,也是一個長期的漸進過程。
                                                   
                                                  以構建新型電力系統的重大技術需求為牽引,需要在以下幾個方面開展系統性攻關:
                                                   
                                                  一是增強新能源發電主動支撐能力,助推新能源由輔助電源向主體電源轉變。加快新能源發電主動支撐、海量分布式電源并網運行等技術研究,開展新能源發電集群協調運行控制、大規模新能源基地靈活交直流外送等技術攻關,推進深遠海風電并網及運行控制技術研究。
                                                   
                                                  二是提升電力系統安全穩定運行水平,助力新能源可持續快速發展。攻克新型電力系統供需平衡、穩定控制等基礎理論,建設以多時間尺度、高精度、智能化為特征的系統仿真分析平臺,加強新型直流輸電和新型柔性輸變電裝備等技術創新。
                                                   
                                                  三是加強源網荷儲協同發展,全面支撐新能源高效開發利用。加快新型電力系統源網荷儲統一規劃、協調開發和科學配置研究,推動多能轉換與互補利用、需求側資源集群優化控制等技術攻關,開展電動汽車與電網靈活互動調控技術研究。
                                                   
                                                  四是推動儲能技術研究,支撐高比例新能源電力系統靈活調節能力提升。開展不同應用場景下儲能器件與系統集成關鍵技術,推動大規模儲能系統設計與應用示范,加強儲能電池共性關鍵技術攻關,開展抽水蓄能、分布式儲能與電源協同聚合等技術創新。
                                                   
                                                  (二)新型電力系統重點任務部署
                                                   
                                                  《“十四五”能源領域科技創新規劃》面向以新能源為主體的新型電力系統建設要求,深入分析我國能源電力供需格局變化帶來的技術挑戰,基于我國電網科技創新成果總結及發展水平分析,統籌“鍛長板、補短板”雙重需求,協同推進“集中攻關、示范試驗、應用推廣”多類創新舉措,在“新型電力系統及其支撐技術”重點任務方向布局共12項關鍵技術,聚焦適應大規模高比例新能源友好并網的先進電網技術、儲能技術兩大領域,加快戰略性、前瞻性電網核心技術攻關。
                                                   
                                                  適應大規模高比例新能源友好并網的先進電網技術領域,布局了7項關鍵技術,應用場景涉及發、輸、配、用電多個環節,研究范疇包括仿真、規劃、運行、裝備等多種類型。一是著眼新能源發電并網支撐、電力系統仿真分析、交直流混合配電網規劃運行等傳統優勢領域,考慮大規模和分布式新能源開發利用帶來的新挑戰和新需求,深化開展技術研發;二是面向新型電力系統裝備自主可控需求,圍繞未來高比例新能源場景下的直流輸電和柔性輸配電技術,加大集中攻關力度;三是針對源網荷儲、多能互補、遠海風電等跨學科跨領域新興技術,以充分調動電源側、負荷側靈活調節能力為目標,推動系統層面的集成設計和協同攻關。
                                                   
                                                  儲能技術領域,布局了5項關鍵技術,涵蓋削峰填谷、電網調頻等不同時間尺度儲能需求,包含電化學儲能、飛輪儲能、儲氫、抽水蓄能等多種介質類型儲能技術。一是針對不同電力系統儲能應用場景,分別開展能量型、功率型儲能裝備及系統集成技術攻關;二是考慮儲能電池安全性提升、維護管控、回收利用等問題,加強共性關鍵技術研究;三是圍繞新型抽水蓄能裝備研制和技術研發,推動實施示范試驗;四是著眼分布式儲能及分布式電源協同,為儲能多場景應用提供技術支撐。
                                                   
                                                  新型電力系統重點任務部署,體現了能源電力領域為應對新能源高比例接入和大規模應用挑戰,主動謀劃開展的技術儲備和研發布局,從基礎理論研究、仿真工具支撐、設備自主研制等多個角度,引領新型電力系統建設。一方面,支撐建設適應大規??稍偕茉春头植际诫娫从押貌⒕W、源網荷雙向互動、智能高效的先進電網;另一方面,突破能量型、功率型等儲能本體及系統集成關鍵技術和核心裝備,滿足能源系統不同應用場景儲能發展需要,提升電力系統靈活調節能力和安全穩定運行水平。
                                                   
                                                   

                                                  三、新型電力系統技術展望

                                                   
                                                  (一)新能源成為主體能源,具備主動支撐電網能力
                                                   
                                                  隨著能源生產和消費革命持續推進,電源結構將發生根本性變化,由化石能源占主導轉變為風電、光伏等非化石能源為主導。隨著新能源發電和并網技術的不斷進步,分布式光伏發電滲透率將顯著提升,海上風電將逐步走向深遠海域,成為新能源發電新的增長極。新能源發電支撐技術、大容量儲能實用化水平、氫能等新型儲能技術得到長足發展,推動新能源發電并網從“被動適應”到“主動支撐”轉變。
                                                   
                                                  (二)柔性技術廣泛應用,電網運行更加安全高效
                                                   
                                                  隨著清潔能源大規模發展,以電為中心、電網為平臺的能源互聯網特征更為明顯。電網大范圍配置清潔能源能力將持續增強,跨區輸電通道的清潔能源輸送規模不斷擴大。能源互聯網基礎理論、運行控制技術取得重要突破,電源靈活調節技術、柔性輸電技術、需求響應技術等廣泛應用,源網荷儲協調性能大幅提升,實現各類能源的靈活消納和高效配置。分頻輸電、超導輸電等新型輸電技術實現工程化應用。構建新型電力系統故障防御體系,抵御極端事件能力強,大面積停電風險顯著降低。
                                                   
                                                  (三)多能互補技術逐步成熟,供需互動能力不斷提升
                                                   
                                                  隨著電網在更大范圍內資源優化配置能力的增強,需求側資源與儲能在系統運行中的角色愈加重要。電動汽車、分布式儲能、分布式新能源以及各類可中斷負荷等將積極參與系統靈活調節,供需雙向實現深度互動。儲能技術和多能轉換技術的逐步成熟,豐富了電力系統平衡調節手段,電熱氣冷氫等多種能源將實現高效靈活轉換,電能轉換成本顯著降低,交通、供暖等用能大戶的電氣化程度進一步提升。能源配置和綜合利用效率逐步提高,服務用戶多元需求。
                                                   
                                                  (四)新材料及功率器件自主化技術取得突破,高端輸變電裝備實現自主可控
                                                   
                                                  國產電工材料及功率器件在低損耗、高可靠性、節能高效等方面持續提升,為電工裝備升級換代提供更多選擇。電網裝備用電工新材料國有化率顯著提升,±800kV及以上直流電纜材料、耐高溫電容器薄膜材料實現規?;こ虘?,新結構硅基器件、超高壓碳化硅器件產品化技術實現全面突破,高敏感材料的研制和應用推動傳感技術朝多參量、智能化、高精度方向發展,智能化超導裝備和超導變電站有望取得重要突破。

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