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行業動態

我國未來電網的發展模式

2014年6月21日,第9屆中國電工裝備創新與發展論壇在北京召開。會議上中科院院士周孝信對我國中長期電力需求及供應、電力流預測與分析、未來主干輸電發展模式及面向未來電網的關鍵技術等幾方面做分析報告。

一、中長期(2030-2050年)電力需求和供應預測

以節能優先、最大限度開發利用可再生能源、提高清潔能源電量比重為原則,按照2030-2050年期間人均用電量分別為7000kw.h、8000kw.h、9000kw.h三種情景,每種情景下清潔能源電量分別占全部電量的50%、60%、70%擬定電力裝機和發電量的9個方案。

綜合分析9個方案測算結果,推薦年人均用電8000kw.h,全社會用電量12萬億kw.h,清潔能源發電量占60%的強化節能和清潔化約束的供應方案,作為2030-2050年中長期發展的目標。

在遠景電力供應消費情景分析的基礎上,以2013年實際電力供應消費情景為起點,按照人均年電力消費由2013年的3963kw.h,清潔能源電量比重占23.78%,發展到人均年電力消費5000kw.h、6000kw.h、7000kw.h、8000kw.h,并延伸到9000kw.h、10000kw.h,清潔能源電量比重逐漸過渡到70%的情景,做出未來電力(、年發電量)的發展趨勢預測。

        

在全國發電裝機/發電量發展趨勢預測的基礎上,根據發電資源和電力需求分布特點,在多元供應體系中確定各類電源的開發總最、開發模式和地區分布的發展趨勢。

        

1)水電。按東兩部可開發的水力資源分布比例測算,硒部占80%,中東部占20%。

2)核電和氣電。全部在中東部負荷中心就地開發,氣電以分布式高效綜合利用為主要發展模式。

3)煤電。新增煤電主要以在西部和北部煤炭產區,建設現代化大型煤電基地為主要發展模式,煤電總量分布可按西部與中東部各占總量50%考慮;總量受控2030-2050年總量下降。

4)風能和太陽能等非水可再生能源發電。遵循西部集中開發與中東部分布式分散開發并重的原則,開發容量按西部與中東部各50%考慮。

二、中長期(2030-2050年)電力流預測與分析

2030-2050年的電力流總體格局會有兩種可能情況:

第一種是情況是,在此期間,我國能源資源和負荷中心的逆向分布仍未發生大的改變,電力仍需大容量遠距離輸送,但整體上與2030年相比無顯著增長,風電、太陽能發電的消納將成為電力流增加的主要推動力。

笫二種情況是,隨著核電及大規??稍偕茉吹拈_發以及煤電裝機容量的減少,以及負荷中心向中西部地區的擴展,分布式能源的滲透率提高等,在此期間電力流格局將發生較大變化,由目前的大容量遠距離輸送趨向于電力與負荷基本均衡的方向發展,未來對電力的大容量遠距離輸送需求將部分減少或減少的較多。

根據目前的發展形勢來看,除非中東部和西部的電力需求比例發生重大變化,出現第二種情況的可能性較小,2030-2050年期間電力流維持穩定乃至略有增長。具體測算按西部實際發電裝機和發電量的40%-50%外送,計算西電東送的電量和容量。

西電東送的需求根本上應是中東部經濟發展對電力的需求與本地電力供給能力的差值。以人均8000kw.h用電量、西部電力電量40%東送情景測算為例,中東部用電量比重達

到75%,中東部本身的電力供應能力59%.中東部仍有約占全國總量16.5%的電量需要通過西電東送供給。

以人均用電8000kw.h的情景作為2030-2050年發展和測算西電東送需求的推薦方案,測算結果表明,該方案西電東送容量和電量占西部總量40%和50%兩種情景下,西電東送電力容量分別為4.41億kW和5.51億kW,送電電量分別為1.97萬億kw.h和2.486萬億kw.h。

因此可以認為,未來我國電力發展趨于飽和的中長期期間(2030-2050年),西部輸送到中東部地區的電力容量將由現況的1億kW增加到4.5-5.5億kW,相應輸送電量為2-2.5萬億kw.h,輸電線路綜合年利用小時達到4400-4500h。

三、未來主干輸電網的發展模式

經過10多年的技術研發和實踐,我國交流和直流特高壓輸電技術和電網技術獲得重大進展,為實現大容量遠距離輸電奠定了堅實基礎。

采用新材料、新器件、新原理的輸電技術,如新型電壓源直流輸電技術(VSC-HVDC)、直流電網技術、超導輸電技術、新型大容量輸電線路技術等正分別處于基礎研究、技術攻關或試點示范過程之中。如果這些先進輸電的技術瓶頸能夠獲得突破,并使之實用化,將為我國未來電網發展提供更多的技術選擇。

直流輸電網技術、超導輸電技術在近期尚不具備大規模工程應用能力,因此在2030年前近距離輸電將主要采用特高壓/超高壓交流輸電方式,遠距離則主要采用特高壓/超高壓直流輸電方式,我國將形成超/特高壓交、直流輸電技術為核心的混合輸電網模式。

由于超導技術的突破主要取決于物理學和材料學基礎研究的進展,具有很大的不確定性,而基于新型直流輸電的直流輸電網技術已經取得階段性成果,預期在可以預見的將來會有較大突破,我國在遠期(2030-2050年)實現采用常規導體的主干直流輸電網的可能性更大。

在我國西部構建送端直流輸電網的必要性和優越性:1、能夠更好地滿足未來電力由西部向中東部地區遠距離、大容量輸送的重大需求;2、能夠在西部送端實現風電、太陽能發電、水電、煤電等不同特性電源之間補償調節,解決新能源出力的隨機性和波動性;3、可以充分利用輸電走廊和線路資源,提高輸電系統資產利用效率;4、能實現西部廣大地區各交流電網的異步連接,提高運行的穩定性,滿足西部的用電需求。

四、面向未來電網的關鍵技術

近中期我國主要發展超/特高壓交直流輸電網模式,需要研究安全可靠、經濟合理、技術先進,能滿足輸電需求的交直流輸電網結構;要研究相應的電網運行控制技術,提高系統的輸電能力及電網的安全性、可靠性和經濟性,特別要注重研究受端電網接收大量直流輸電的安全穩定問題。

針對中長期我國有可能形成西部送端直流輸電網與中東部受端超/特高壓交流電網有效融合的輸電網模式,需要提前重點部署新型直流輸電及直流輸電網技術的研究,包括基礎性前瞻性研究和高技術開發。

設備級的技術需求有:高壓直流斷路器,切斷時間要求在3-5ms以下斷路器,比交流系統斷路器提高一個數量級;DC/DC變壓器,目前尚處于電路拓撲、仿真計算、原理樣機階段,尚未實現工業樣機研發的技術突破;直流電纜,研究大容量高電壓等級直流電纜制造技術。

系統級的技術需求有:直流電網廣域測量及故障檢測,在傳統交流電網檢測技術基礎上,縮短檢測時間,提高響應速度;直流電網仿真,建立仿真模型,較交流電網更小步長的電磁

暫態仿真;直流電網運行控制與保護,適用于直流電網的新型運行控制原理和控制、保護方法,具有快速響應能力的直流電網的調度、運行控制系統。

上述新型直流輸電和直流輸電網相關理論和關鍵技術一旦突破,除有助于改變未來國家主干電網及未來聯網的形態之外,對近期電網的發展也會產生重要影響。電壓源直流(VSC-HVDC)技術十分適合對風能、太陽能等分散化、小型化的電能迸行組網,通過經濟、環保的方式將這些電能反饋回電網。隨著電壓源直流技術的研究開發,其容量將不斷增大,將有可能利用電壓源換流裝置(VSC)和常規電流源換流裝置(CSC)各自優點,形成大容量的混合連接直流輸電系統。直流輸電網的各項關鍵技術還可用于配電系統。

1)電源開發。支持清潔能源電量占總量60%以上目標的實現。西部大規??稍偕茉吹拈_發利用技術,中東部地區可再生能源規?;植际胶秃I祥_發利用技術。

研究大容量集中和分布式電網儲能技術,解決風能、太陽能出力隨機性和波動性問題;研究超凈化的燃煤發電技術,大力推進煤炭清潔高效利用,為煤炭的開發利用開辟一條新路;研究高安全水平新型核電,支持沿海和內陸核電建設;研究開發基于清潔燃料(常規和非常規天然氣等)的分布式能源和梯級利用技術,根據不同終端用戶需求,構建區域新型高效能源系統。

2)電能傳輸和分配。支持實現西電東送(含北電南送)規模達到4.5-5.5億kW以上的目標;支持可再生能源和天然氣分布式電源在配電網的規?;尤?。

研究大容量新型(特高壓和VSC-HVDC)直流遠距離輸電技術直流輸電網技術,支持在我國西部構建送端直流輸電網,支持對傳統西電東送直流線路的技術改造;研究中東部交流超/特高壓受端電網的構建和運行問題,支持約占30%外來電力情況下的受端電力系統的安全穩定運行;研究開發新型智能化的有源(主動)配電系統和微電網,支持可再生能源和天然氣分布式電源的規?;尤?,提高電能質量和安全可靠性。

3)電能利用。支持強化節能,提高能源利用效率,提高電能在終端用能的比重,支持實現人均年用電量8000kw.h以下目標的實現。

研究解決新能源電力入網難題,研究可再生能源多樣化轉化利用的技術,風能、太陽能波動和多余電力制氫、制甲烷技術,以及直接冷熱利用技術;克服機制制約,與天然氣管網、冷熱管網合作,實現能源多樣化傳輸和利用;將物聯網技術、通信技術與電網技術結合,開展智能用電研究,解決實現用戶需求側管理和需求響應的機制和技術手段;研究建筑節能和發電技術,推動能源互聯網技術的發展和逐步實現。

五、未來的圖景和任務

按照“推動能源消費革命”的理念,通過貫徹落實節能優先方針,推行強化節能措施,建議我國中長期(2030-2050年)電力需求按人均年用電量不超過8000kw.h考慮,大致相當或稍離于法國、德國、日本當前水平。為我國2013年3963kw.h的2倍。按人口15億計,預測全國用電總量將達到12萬億kw.h,是2013年全社會用電量5.32萬億kw.h的2.25倍。

電力消費分區預測表明,中長期(2030-2050年)我國西部用電量占全國總量的26%-27%,占比較現況23%略有增加。

按強化節能和清潔化約束,推薦人均年消費電量8000kw.h(清潔電量占60%)的優化電力供應方案如下:

1)發電量??偭?2萬億kw.h。煤電40%(4.8萬億kw.h),水電13.13%(1.575萬億kw.h),非水可再生能源電(太陽能、風能、生物質能)21.88%(2.625萬億kw.h),核電17.5%(2.1萬億kw.h)、天然氣電量7.5%(0.9萬億kw.h)。

2)裝機容量。煤電裝機9.6億kW(5000h),水電4.5億kW(3500h),核電3億kW(7000h),非水可再生能源14.58億kW(1800h),氣電2億kW(4500h).全國發電裝機總容量為9.6+4.5+3+14.58+2=33.68億kW。

在人均電量5000-10000kW-h的發展過程中,預測西電東送容量和電量對總量的占比呈不斷減少趨勢(容量由18.5%-23.1%減少到10.9%-13.6%,電量由19.8%-24.7%減少到16.8%-21%),由于總量的增加,西電東送容量和電量仍呈緩慢增加之勢。

按人均8000kw.h的發展目標測算,我國2030-2050年中長期西部輸送到中東部地區的電力容量將由現況的1億kW增加到4.5-5.5億kW,相應輸送電量為2-2.5萬億kw.h.這是對未來的輸電和電網技術的重大挑戰。

經過10多年的技術研發和實踐,我國交流和直流特高壓輸電技術和電網技術獲得重大突破,為實現大容量遠距離輸電奠定了堅實基礎。

采用新材料、新器件、新原理的輸電技術,如新型電壓源直流輸電技術(VSC-HVDC)、直流電網技術、超導輸電技術、新型大容量輸電線路技術等,如能獲得突破,并使之實用化,將為我國未來電網發展提供更多的技術選擇。

根據未來電力流和關鍵輸電技術發展趨勢預測分析,可以預期:2030年前,我國將延續超/特高壓交、直流輸電技術為核心的輸電模式,電力電子技術和新型直流輸電技術等新的電網技術不斷發展;2030–2050年,在直流輸電技術成熟的條件下,我國可能形成西部送端直流輸電網和中東部受端超/特高壓交流電網相融合的輸電網模式。

針對近中期的技術需求,需要研究安全可靠、經濟合理、技術先進,能滿足輸電需求的交直流輸電網結構;要研究相應的電網運行控制技術,提高系統的輸電能力及電網的安全性、可靠性和經濟性,特別要注重研究受端電網接收大量直流輸電的安全穩定問題。

針對中長期我國有可能形成西部送端直流輸電網與中東部受端超/特高壓交流電網有效融合的輸電網模式,需要提前重點部署新型直流輸電及直流輸電網技術的研究包括基礎性前瞻性研究和高技術開發。

未來電網發展目標的實現與整個能源電力發展密切相關。為了這一目標的實現,需要開展多方面的科學研究和技術開發。

在電源開發方面,支持清潔能源電量占總量60%以上目標的實現;在電能傳輸和分配方面,支持實現西電東送(含北電南送)規模達到4.5-5.5億kW以上的目標,支持可再生能源和天然氣分布式電源在配電網的規?;尤?在電能利用方面,支持強化節能,提高能源利用效率,提高電能在終端用能的比重,支持實現人均年用電量8000kw.h以下目標的實現。

周孝信,中國科學院院士,電力系統專家。1993年當選為中國科學院(學部委員)。中國電科院名譽院長,國家自然科學基金委員會工程和材料學部主任。

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