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梁双 潘小海 张宗玟 张茗洋 | 碳达峰碳中和背景下 电力系统安全稳定运行的风险挑战与对策研究
发布日期:2021-08-14 作者:梁双 潘小海 张宗玟 张茗洋 信息来源:中咨研究 访问次数: 字号:[ ]

编者按:中国力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和,是欧宝竞猜经过深思熟虑作出的重大战略决策,事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体。能源领域碳排放总量大、占比高,是实现绿色低碳转型和高质量发展的关键。欧宝足球平台能源业务部成立了以张宗玟等部门欧宝竞猜为核心、以青年党员为骨干的“3060”研究小组,贯彻新发展理念和能源安全新战略,对以新能源为主体的新型电力系统、碳排放和水电、新能源、核电、储能、煤炭等方面高质量发展进行了探索性研究,以推动构建清洁低碳安全高效的能源体系。为促进研究成果的应用,本公众号将核心研究成果以系列文章的形式陆续刊发,供业界同仁参考。


碳达峰碳中和背景下电力系统安全稳定运行的风险挑战与对策研究

梁双 潘小海 张宗玟 张茗洋


摘要:碳达峰碳中和目标愿景下,构建以新能源为主体的新型电力系统,电源结构、系统特性、运行方式和主要风险等方面均将发生深刻变革,对电力系统安全稳定运行提出新的挑战。本文结合中国电力系统发展现状,分析了电源结构变革、系统特性变革、极端天气频发和网络外力攻击等因素对电力系统安全稳定运行的风险挑战,并从能源系统协同发展、可再生能源角色转变、风险管理和技术变革等角度提出了“六个转变”的对策建议。

关键词:碳达峰碳中和;高比例可再生能源;新型电力系统;安全稳定

今年9月22日,习大大总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上提出,中国将提高国家自主贡献力度,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和,明确了中国绿色低碳发展的时间表。循迹溯源,中国80%以上的碳排放来自能源系统,其中40%以上来自电力系统,同时,随着终端电气化水平的提升,这一比例呈上升趋势。因此,加快电力系统绿色低碳发展是实现碳达峰碳中和目标的必由之路。

今年12月12日,习大大总书记在气候雄心峰会上发表重要讲话并宣布,到2030年,中国风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。2021年3月15日,习大大总书记在中央财经委员会第九次会议上提出,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。

电源结构的革命性变化,必然带来电力系统运行特性的深刻变化,风光等可再生能源发电具有明显的随机性和间歇性,且不具备常规电源的转动惯量特性、稳定的频率支撑和动态无功支撑能力,抗干扰能力弱,未来高比例可再生能源电力系统的安全稳定运行将面临巨大挑战[1][2],需要提前谋划,采取差异化应对策略。

一、电力系统发展现状

目前,中国电网已形成以华北、华中、华东、东北、西北、南方等区域电网为主体,区域电网间交直流互联,覆盖全部省(区、市)的大型电网。截至今年底,全国220千伏及以上输电线路长度78.98万千米,同比增长4.6%;220千伏及以上变电设备容量448680万千伏安,同比增长为5.2%。全国电网发电装机22亿千瓦,同比增长9.5%,其中火电12.45亿千瓦、水电3.7亿千瓦、核电0.50亿千瓦、风电2.82亿千瓦、太阳能发电2.53亿千瓦(见图1)。中国电网规模和发电装机规模均居世建阳位。今年全社会用电量75110亿千瓦时,同比增长3.1%,“十三五”年均增速5.7%。

图1 今年底中国电源结构

注:数据来源于今年国家能源局全国电力工业统计数据

根据欧宝竞猜能源署(International Energy Agency,IEA)和英国石油公司(British Petroleum,BP)公布数据,今年全球能源相关二氧化碳排放323亿吨,中国二氧化碳排放量约99亿吨,占全球总排放量的30%。中国能源行业碳排放量占比约80%,其中电力排放占比40%。随着工业、建筑、交通等能耗高、排放量大的能源消费领域电气化进程的推进,电力行业碳排放压力将持续上升。因此,电力系统低碳转型将关系到全社会深度脱碳目标的实现。

二、电力系统安全稳定运行风险

(一)电源结构变革带来的供应风险

长期以来,中国电力供应以煤电等高碳电源为主,装机占比始终在50%以上,今年煤电装机达到10.8亿千瓦,发电量4.63万亿千瓦时,装机占比首次降至50%以下,但发电量占比仍超过60%。

碳达峰、碳中和目标愿景下,部分省区提出不再新增煤电、减煤限发并加速退出的政策号召,电力供应转向风、光等低碳电源,但风、光具有明显的随机性、间歇性,光伏夜间出力为零,风电出力低于20%的概率高达50%、出力高于70%的概率不高于10%。据历史资料显示,新疆某地风电低于装机容量20%的低出力最长持续时间超过8天,贵州某地光伏低于装机容量20%的低出力最长持续时间超过4天。间歇性电源供电保障能力弱,而配套的抽水蓄能、储能等灵活性资源又受站址、成本回收机制等制约,发展严重滞后。《电力发展“十三五”规划(2016-今年)》明确提出,新增抽水蓄能电站1700万千瓦、气电5000万千瓦。截至今年底,仅完成了目标增长量的47%、72%,较目标值低900万千瓦、1400万千瓦。因此,电力供应或长期处于紧平衡甚至区域性短缺状态。

由于经济快速恢复增长及大范围寒潮天气叠加影响,今年12月14日、16日、30日以及2021年1月7日,全国用电负荷连续4次创历史新高。特别是2021年1月7日,晚间用电负荷高峰达到11.89亿千瓦,在22亿千瓦电力装机中,2.5亿千瓦光伏出力为零,2.8亿千瓦风电出力仅10%,再加上冬季枯水的影响,3.7亿千瓦水电出力1.7亿千瓦,仅46%,电力供应逼近安全极限。2021年初,吉林、山东、湖北、河南等省都出现了不同程度的限电,影响了居民取暖照明等基本生活保障。

(二)系统特性变革带来的运行风险

未来以新能源为主体的新型电力系统呈现“双高”(高比例可再生能源、高比例电力电子设备)、“双低”(低系统惯量、低抗干扰性)、“双峰”(早晚高峰、冬夏高峰)等叠加的特征,新的运行特征导致电力系统的频率、电压、功角三大核心特性均发生深刻变化,具体表现为:转动惯量降低导致调频能力下降[3],无功支撑不足导致电压稳定问题突出[4],耦合关系复杂导致功角稳定难度加大[5],电力电子装置易诱发次/超同步振荡[6]。结果导致:一方面,系统的运行风险加剧;另一方面,随着煤电等电网友好型机组的减少,预防、抵御和清除风险使得系统恢复并保持安全稳定运行的措施手段“捉襟见肘”。

据国家电网有限公司测算,“十四五”期间其经营区域内最大日峰谷差将达到4亿千瓦,最大日峰谷差率(峰谷差与最高负荷的比率)将增至35%,叠加可再生能源的“反调峰”特性,系统的调峰能力将面临较大挑战。

近十年来,中国云南、内蒙古、四川等地发生多起风机大规模脱网事故;新疆等地发生宽频带振荡100余次;2015年7月,海口山北地区风电场产生的次同步谐波引发花园电厂机组轴系次同步扭振保护动作,导致3台66万千瓦机组同时跳机。

其他国家也出现过很多类似的案例,如去年8月,英国电网线路遭到雷击停运后发生霍恩风电场脱网、燃气电站停机等连锁故障,损失负荷93.1万千瓦,导致包括首都伦敦在内多地的100万人受停电影响,社会秩序混乱。

(三)极端天气频发带来的停电风险

近年来,随着全球气候变暖,“十年一遇”“几十年一遇”甚至“百年一遇”的灾害不时出现,传统意义上罕见的极端天气变得更加频繁。去年,澳洲在90天内打破了206项高温记录;今年,中国湖北省梅雨量破历史记录,7月雷暴天气频发,雷云向地面放电共计20万余次。高比例可再生能源发电与天气高度耦合,电力系统面临极端天气负荷需求高涨、化石燃料供应短缺、可再生能源发电量降低、发输变电设备故障等风险。

2008年,吉林电网遭遇冰灾,全省33条500千伏线路跳闸126次,断线14条,倒塔182基;246条220千伏线路跳闸683次,断线42条,倒塔633基;500千伏变电站停运数达50%,导致电网解列,450万人受停电影响两个星期。

2016年9月,澳洲南部电网受台风暴雨影响,多条输电线路故障跳闸,风电机组因运行调节能力不足而大规模脱网,全网损失负荷183万千瓦,导致约170万人受停电影响7小时;2017年2月受极端高温天气影响,用电负荷激增,而风电出力又低于预测,导致澳洲南部电网内机组旋转备用紧张,区外受电电力持续超越联络线稳定限额,不得不拉闸限电,损失负荷30万千瓦。

2021年2月,美国得克萨斯州经历百年一遇的寒潮,用电需求激增、天然气管线受冻输送受阻、风电机组被冻结等多重因素作用下发生大面积、长时间停电,400多万户家庭受到影响,部分家庭停电时间超过72小时,电费暴涨。

(四)网络外力攻击带来的调控风险

风电、光伏等可再生能源发电多点分散接入的特点使得电力系统安全控制难度增大,加之数字化、信息化技术在电力系统感知与控制中的大规模渗透,如数据采集与监视控制系统(SCADA)、广域测量系统(WAMS)等,以及源网荷储融合互动需求的增强,导致电力调控系统受到人为外力破坏或通过网络攻击引发大面积停电事故的风险增加。

近年来,黑客或其他组织通过网络攻击手段入侵电、水、油、气等能源工控系统并最终对目标进行破坏的事件频发。2010年,伊朗纳坦兹核电站遭受“震网”病毒攻击,核设备产生故障,造成了核发展计划的延缓,又在今年发生了疑似由网络攻击引发的核设备事故;2014年,“蜻蜓”黑客组织制造“超级电厂”病毒,阻断多国电力供应;2015年12月,乌克兰电网遭遇网络攻击,导致包括首都基辅在内的140万人受停电影响3~6小时,据信息安全组织报道,黑客采用了多种手段对乌克兰电网进行了网络攻击,包括:植入“BlackEnergy”恶意软件使调度中心无法远程监控变电站状态;通过穿透通信协议,进行恶意倒闸,切除变电站负荷;通过拒绝式服务攻击阻断事故报告;通过恶意软件擦除攻击痕迹。

三、对策建议:实现“六个转变”

总的来看,2030年之前,由于可再生能源比例相对较低,且煤电等电网友好型电源还发挥着基石作用,电力系统安全稳定运行的风险相对可控。2030年之后,随着碳中和进程加快,可再生能源占比持续上升,与此相关的风险和挑战也将大幅上升。需提前做好认识和行动的准备,坚持居安思危、未雨绸缪、系统施策,做到“六个转变”(见图2),保障电力系统安全稳定运行。

图2 “六个转变”应对措施

(一)坚持各种能源统筹协同发展

以电力安全保障需求为导向,提早研究煤电的去留与定位,推动煤电由“主体电源”向“基础性和调节性电源”转变,统筹电力供应安全与绿色低碳发展;以保障可再生能源消纳为导向,提早研究抽水蓄能、气电、储能等灵活性资源的发展与定位,实现可再生能源发展与系统消纳能力相适应,统筹发展质量与发展速度。

(二)加快可再生能源角色转变

可再生能源发电正在逐步从“补充电源”变为“主力电源”,作为主力电源则不可再那么“随性”。一方面,加快《风电场接入电力系统技术规定》(GB/T19963-2011)、《光伏发电站接入电力系统技术规定》(GB/T19964-2012)等标准的修订,推动可再生能源发展从“他助”到“自助”的转变,增强自身的频率、电压等主动支撑能力;另一方面,需完成从“免费”到“付费”的转变。在可再生能源电源自身已经尽力调节的基础上,还需电力系统其它成员提供的调峰、调频、调压等辅助服务,建立合理的市场机制和盈利模式,并按“谁提供、谁获益;谁受益、谁承担”的原则加快并规范辅助服务市场建设。

(三)强化细化电力系统风险管理

对于极端天气带来的风险,建立高预见性、高精度的天气预测系统和极端天气预警系统,按极端天气概率和影响范围,建立差异化的电力保障预案,实现从“临时应对”到“事前预案”的转变,优先保障居民的电力供应,同时应完善网络结构,着力解决电网薄弱环节,加强电网弹性。对于网络攻击风险,应进一步加强安全防护,实现调控系统从“被动防御”到“主动防御”的转变,设置调控设备准入机制,加强漏洞排查,健全事故预警和应急响应机制,提升网络安全事件取证和追踪能力。

(四)加快推动电力系统技术变革

随着可再生能源比例的逐步提高,可再生能源将实现从“并网”到“组网”的转变,需超前研究超高比例可再生能源电力系统的安全稳定机理、仿真分析模型,推动源网荷储和多能互补,避免路径依赖,建立全新的电力系统规划、设计、运行、管理体系。

参考文献

[1]  陈国平,李明节,许涛等.中国电网支撑可再生能源发展的实践与挑战[J].电网技术.2017.41(10):3095-3103.

[2]  谢小荣,贺静波,毛航银等,"双高"电力系统稳定性的新问题及分类探讨[J].中国电机工程学报,2021,41(02):461-475.

[3]  陈国平,李明节,许涛等.关于新能源发展的技术瓶颈研究[J].中国电机工程学报,2017,37(1):20-26.

[4]  程鹏,马静,李庆等.风电机组电网友好型控制技术要点及展望[J].中国电机工程学报,2020,40(2):456-466.

[5]  杨鹏,刘锋,姜齐荣等."双高"电力系统大扰动稳定性:问题、挑战与展望[J].清华大学学报(自然科学版),2021,61(05):403-414.

[6]  马宁宁,谢小荣,贺静波等.高比例新能源和电力电子设备电力系统的宽频振荡研究综述[J].中国电机工程学报,2020,40(15):4720-4732.

注:原文载自《中国工程咨询》2021年第8期,本次发表略有改动。文中图片来源于网络。




 
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