电力系统转型升级的历史必然性
从宏观层面来看,电力工业发展事关国家安全与国计民生。经过新中国成立以来70余年的不懈奋斗,我国电力工业已经从建国初期的小规模、分散供电系统,逐步发展成为世界上规模最大的全国互联电力系统,经历了由小到大、由弱变强、从落后走向先进的发展历程,有力支撑了国民经济快速发展和人民生活水平不断提高。
回顾这段历史不难发现,电力系统的发展从未停止过变革的脚步。建国初期是我国电网发展的兴起阶段,虽然百废待兴,但是各行各业生机蓬勃。当时的机组容量以10~20万kW为主,220千伏及以下的城市电网、孤立电网和小型电网逐步形成,但客观经济和社会条件决定了电力系统发展有待加强,如小机组、小电网经济性差,电网安全和供电可靠性低,电厂污染排放严重等。经历了40多年的奋斗,到21世纪初期,我国电网进入规模化发展阶段,人民用电基本实现“用得上、用得起、用得好”,电力系统呈现大机组、超高压输电、互联大电网的特征。
电力系统的发展主要为解决我国当时的电力主要矛盾,电网系统发展主要为适应电源侧变化,如下图所示。历史上的时期中,当电源侧为解决供电短缺问题不断发展,电网侧配合电源侧不断加大配送范围形成省独立电网,提高负荷电压和规模;当电源向大机组趋势发展,电源集中化,电网继续扩大配送范围,以解决电源集中与负荷分散的问题。21世纪以来,新能源革命悄然兴起,接纳大规模可再生能源电力和智能化在世界范围内达成了共识,shijiegeguo能源和电力的发展都面临空前的应对和转型挑战。我国以煤为主的能源结构和电源结构需要逐步改变,可再生能源和核能、天然气等清洁能源电力发展迎来契机。与此同时,我国经济飞速发展,社会民生不断进步,我国社会主要矛盾已经转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾。内外因共同作用驱动电力系统发展全面提速,电源结构虽然仍然以化石能源为主,但新能源发展异军突起,弃风弃光得到显著改善,特高压交直流混联的大型互联电网格局逐步形成,电网安全水平和供电可靠性位居shijieqian列,目前我国电力装机总容量、非化石电源装机容量、远距离输电能力、电网规模等指标均稳居shijiedi一。但也应该清醒地认识到,高比例新能源、高比例电力电子设备的加速发展将给电力系统带来深刻变化,供电保障、新能源消纳、安全性与经济性等一系列问题逐步显现,在这个重要的历史节点,双碳目标的提出将为21世纪电力系统的发展注入一剂强心针。要实现双碳目标,要继续推动新能源加速发展,构建新型电力系统迫在眉睫。
经历一代代经验传承和持续创新,遵循电力系统每个阶段发展的客观规律,初步推测下一个阶段电力系统的蜕变也需要约40年左右的时间,这与xizongshu记提出的2060年碳中和愿景是完全吻合的,双碳目标下新型电力系统的构建将成为电力系统升级转型的历史必然。
从技术层面来看,由于新能源等电力电子设备耐受异常电压和频率的能力低、基本不能向电网提供有效的惯量支撑和短路电流支撑,高比例新能源系统低抗扰性、低惯量、低短路容量的“三低”特征已经威胁到电力系统的安全稳定运行,从“2016年澳大利亚9.28停电”和“2019年英国8.9停电”等几起国外大停电事故中可窥见一斑。
2016年9月28日,一股强台风伴随暴风雨闪电冰雹袭击了南澳大利亚州,5次线路故障产生的6次电压跌落深度逐次递增,最后一次跌落导致电压反复振荡最终归零。6次电压跌落期间风机累计脱网约50.5万kW,Heywood联络线(最大容量为60万kW)故障前潮流52.5万kW,风机脱网后潮流瞬间增大85~90万kW,联络线跳开系统成孤网随即崩溃,最终演变成50小时后恢复供电的全州大停电(7.5小时后恢复80%~90%负荷供电)。
2019年8月9日,由于雷击引起英国电网线路Eaton Socon-Wymondley单相接地短路故障,线路停运,后续诱发一系列故障,包括风电场出力下降、燃气机组停运、分布式电源脱网,累计功率缺额(169.1万kW)超过电网的频率调节能力(100万kW),频率下降到48.8赫兹,触发低频减载动作切除93.1万kW负荷后,系统频率逐步恢复。
事故前,电网均呈现高比例新能源、高比例电力电子设备的“双高”特征。其中,南澳大利亚州电网事故前总发电电力182.6万kW,风力及太阳能发电电力88.3万kW,占比48.36%;英国电网事故前发电即时出力中,集中式风电出力占比27%,分布式风光出力占比13%,直流受入占比7%,即无惯量电源占比接近50%。事故的原因主要归咎于“双高”电力系统的“三低”特征,此外还存在涉网保护与控制、机组源网协调、隐性故障、连锁故障等问题。
从国外大停电事故中得到启示,随着新能源开发规模的高速增长,系统安全性约束对新能源消纳水平的影响开始显现,现有电网对高比例新能源的承载能力是有极限的。
随着新能源发电占比的进一步提升,现有技术难以支撑高比例新能源电力系统的发展,需要对电力系统进行全方位的升级改造,构建新型电力系统将成为电力系统升级转型的发展必然。
构建新型电力系统,是中央对新发展阶段我国能源电力事业发展方向的重大判断,主体电源的切换、运行机制的调整,用能模式的改变、市场体系的重塑,现有的电力结构、发展方式、产业形态、体制机制、科学技术等都将发生深刻变革;是“四个革命、一个合作”能源安全新战略的最新实践与发展,是碳达峰、碳中和目标背景下能源革命内涵的深化,明确了电力系统未来发展的目标与方向。具体而言,在能源供给革命方面,新型电力系统将以新能源为供应主体,同时深度替代其他行业的化石能源使用,对建立多元能源供应体系、保障供应安全具有重要意义。在能源消费革命方面,新型电力系统将通过电能替代实现能源消费高度电气化,有助于提高用能效率、控制能源消费总量,加快形成清洁低碳和节能型社会。在能源技术革命方面,新能源发电广泛替代常规电源将深刻改变电力系统技术基础,转型将全面促进电力技术创新、产业创新、商业模式创新,催生产业升级的新增长点。在能源体制革命方面,构建新型电力系统是一项长期的系统性工程,现有电力结构、发展模式、利益格局均面临革命性变化,要求全面深化电力体制改革,进一步发挥市场在能源清洁低碳转型与资源配置中的决定性作用。能源国际合作方面,我国已成为全球最大的可再生能源市场和设备制造国,新型电力系统的建设将更加有力推动我国可再生能源技术装备和服务“走出去”,为全世界绿色低碳发展、打造能源命运共同体贡献中国力量、中国智慧、中国方案。
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