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    新型電力系統裝備發展與能源清潔低碳轉型

    中國電力企業管理發布時間:2022-11-16 14:01:59  作者:丁永福 等

      構建新型電力系統,是以習近平同志為核心的黨中央著眼加強生態文明建設、保障國家能源安全、實現可持續發展作出的一項重大部署,對我國能源電力轉型發展、實現“雙碳”目標具有重要意義。新型電力系統呈現“雙高”的基本特征,即高比例的新能源設備和電力電子設備,這一新的特征對傳統電力系統運行機理提出了重大挑戰,需加快新型裝備的研發、設計、制造和應用,以適應新型電力系統的發展需求。

      新型電力系統下 電力裝備面臨機遇與挑戰

      新型電力系統的內涵包括低碳、安全、高效三個核心層面:低碳是新型電力系統的核心目標。依靠傳統的電源側和電網側調節手段,難以滿足新能源持續大規模并網消納的需求。新型電力系統亟需激發負荷側和新型儲能技術等潛力,形成“源網荷儲”協同消納新能源的格局;安全是新型電力系統的基本要求。當前我國多區域交直流混聯的大電網結構日趨復雜,間歇性、波動性新能源發電接入電網規??焖贁U大,新型電力電子設備應用比例大幅提升,極大地改變了傳統電力系統的運行規律和特性。新型電力系統必須在理論分析、控制方法、調節手段等方面創新發展,以應對日益加大的各類風險和挑戰;高效是新型電力系統的關鍵要素。未來高比例新能源與海量用戶接入電力系統,給能源資源優化配置的效率帶來重大挑戰。需加快建設全國統一電力市場,實現更高的資源優化配置效率與更大的能源優化空間。

      在構建新型電力系統的過程中,電力系統將從剛性向柔性發展,與數字化、信息化、智能化特征融合,逐步發展為全面可見、可知、可測、可控的電力系統。電力電子技術在新能源發電和直流輸配電等領域發揮著越來越重要的作用,直流輸電與電力電子技術將扮演重要角色。構建新型電力系統,涉及新型電力裝備技術研發、設計、制造與應用,特別是數字技術賦能新型電力系統,新型電力系統裝備發展面臨重大機遇與挑戰。

      最近,工業和信息化部等五部委聯合發布《加快電力裝備綠色低碳創新發展行動計劃》(工信部重裝[2022]105號)提出,堅持市場主導、政府引導、創新驅動、產業升級,以高端智能綠色發展為方向,以綠色低碳科技創新為驅動,以應用創新及示范推廣為抓手,加快構建支撐能源清潔生產和能源綠色消費的裝備供給體系,推動電力裝備高質量發展,助力碳達峰目標順利實現。計劃在5~8年,實現電力裝備供給結構顯著改善,保障電網輸配效率明顯提升,高端化、智能化、綠色化發展及示范應用不斷加快,國際競爭力進一步增強,基本滿足適應非化石能源高比例、大規模接入的新型電力系統建設需要。

      在新型發電裝備方面,加速發展清潔低碳發電裝備。推進煤電裝備節能降碳改造、靈活性改造、供熱改造“三改聯動”。加快推進燃氣輪機研究開發;推進水電機組寬負荷改造,加快可變速抽水蓄能及海上抽水蓄能裝備研制應用及高水頭沖擊式水電機組關鍵技術研究;加快三代核電裝備的批量化,加速四代核電裝備研發應用;推進風光儲一體化裝備發展,推動構網型新能源發電裝備研究開發;加快生物質能裝備以及海洋能、地熱能等開發利用裝備的研制和應用。著力攻克可再生能源制氫等技術裝備。

      在新型輸變電裝備方面,提升輸變電裝備消納保障能力。面向電網高比例可再生能源、高比例電力電子裝備“雙高”特性,以及夏、冬季雙負荷高峰的需求特點,加快發展特高壓輸變電、柔性直流輸電裝備;瞄準安全靈活、綠色低碳的輸電網技術裝備,持續開展不同電壓等級、不同開斷容量的發電機斷路器及高電壓等級真空開關設備的研制,加快大功率電力電子器件、天然酯(植物)絕緣油變壓器等研發突破。

      在新型配電裝備方面,加快推進配電裝備升級換代。發展滿足新型電力系統“雙高”“雙隨機”(分布式新能源的隨機性和可調負載的隨機性)特性的保護與控制配電技術裝備。依托智能配電網、主動配電網建設,加快電網之間柔性可控互聯。直流與交流深度融合是新型電力系統重要形態特征,直流配用電系統從器件技術、裝備技術和系統技術等方面,構建直流配用電系統整套技術體系,以技術產業化推動工程應用,助力國家新能源發展。

      在新型用電裝備方面,提高用電設備能效匹配水平。加強高效節能變壓器研制及推廣應用。加快推廣應用高能效電鍋爐、電窯爐等裝備,拓展工業、交通、建筑等領域電能替代;加快用能系統能效提升,開展重點用電設備系統匹配性節能改造和運行控制優化;積極發展以消納新能源為主的智能微電網,加速突破綜合能源管理和利用、多電源優化互動等技術裝備;推動完善廢舊電機回收利用體系,鼓勵企業開展電機再制造應用。

      基于新能源具有隨機性、波動性及間歇性等特點,新型電力系統迫切需要建立“源網荷儲”的運作模式,也就是電源、電網、負荷、儲能各環節協調互動,實現安全穩定的運行。新型電力系統裝備典型應用場景包括:

      “源”端主要在電源側,未來清潔低碳電源將成為主體,包括第一類像風電、光伏等具有強不確定性的可再生能源;以及第二類可提供靈活性的可靠零碳電源,比如大中型水電、核電、生物質、光熱、氫能發電等;以及第三類保留化石能源發電機組,通過靈活性改造用作系統調峰電源。由于我國能源和負荷分布不均的問題,加強特高壓建設有助于發揮大電網對清潔能源的配置作用。

      “網”端主要在電網側,根據我國國情與資源稟賦,“西電東送、北電南送”的電力流分布持續強化,新能源開發呈現集中式與分布式并舉的格局,電網呈現出交直流混聯大電網、柔直電網、主動配網、微電網等多種形態電網并存。電網不僅承擔電能傳輸的作用,而且將更多地承擔電能互濟、備用共享的職能。配電網將從交流電網轉為柔性交直流配網,還將接入分布式可再生能源、儲能、電動汽車、需求響應等各種靈活性的“配套”資源,實現靈活性需求的就地平衡。

      “荷”端主要在負荷側,隨著能源消費結構與產業結構調整,電氣化水平不斷提升,高耗能工業負荷逐步減少,數據中心、電動汽車等負荷將大幅增長,電制氫、儲能、智能電器等交互式用能設備將廣泛接入和應用,未來負荷種類呈多元化特點。一方面伴隨數字化轉型發展,海量用戶聚合下的雙向互動與需求響應將成為常態;另一方面通過“電–熱–冷–氣”等不同能源消費的協同互動與優化,實現不同能源負荷的彈性替代,靈活可控負荷將成為電力靈活性資源的重要組成部分。

      “儲”端主要在儲能側,儲能將成為未來電力系統升級最關鍵的環節。風光等新能源發電具有不穩定性,為了保證電力系統穩定運行,需要儲能調節,起到削峰填谷的作用。新型電力系統將依托抽蓄、化學儲能、光熱儲熱、氫儲能、壓縮空氣儲能等多元儲能技術體系,以電網為紐帶,將獨立分散的電網側、電源側、用戶側儲能資源進行全網的優化配置,推動“源–網–荷”各環節儲能能力全面釋放,構建多元、融合、開放、共享的儲能體系。對應構建新型電力系統而言,儲能系統的進展直接決定了新型電力系統構建的進程和成果。

      能源清潔低碳轉型 未來發展方向

      構建新型電力系統對電力系統裝備提出了新的要求。

      一是適應能源配置平臺化,創新電網發展方式??紤]到我國能源資源與需求逆向分布的特點,需持續完善核心骨干網架,加大各級電網建設投資力度,尤其特高壓交直流再次迎來大規模建設。特高壓作為解決資源稟賦約束的重要環節,成為構建新型電力系統重要組成部分。“十四五”計劃新建特高壓線路“24交14直”,涉及線路長3萬余千米,總投資約計3800億元。特高壓產業鏈受益,既能拉動包括高壓電氣開關設備、換流閥、線纜、變壓設備等硬件的需求,又能帶動智能化終端、智能芯片等需求。

      二是適應能源生產清潔化,提升新能源開發利用水平。截至2021年底,全國發電裝機容量約23.77億千瓦,同比增長7.9%,其中可再生能源發電裝機達到10.63億千瓦,占總發電裝機容量的44.8%。最近,國家發改委等九部門聯合印發《“十四五”可再生能源發展規劃》,明確可再生能源發電量增量在全社會用電量增量中的占比超過50%,風電和太陽能發電量實現翻倍。同時,我國能源結構基本特征是“富煤、貧油、少氣”,燃氣調峰電站發展不足,抽水蓄能和燃氣電站占比僅約6%,其中抽水蓄能占比約1.4%,與發達國家相比,我國抽水蓄能仍有較大發展空間。根據《抽水蓄能中長期發展規劃(2021~2035年)》,到2025年,抽水蓄能投產總規模6200萬千瓦以上;到2030年,投產總規模1.2億千瓦左右。

      三是適應能源消費電氣化,促進節能降耗滿足用能需求。電力行業碳排放約占全社會碳排放總量的40%。穩妥有序、因地制宜推動電能替代,在北方地區推動以電代煤清潔取暖,全面開展全電景區、全電船舶、公路與鐵路電氣化等電能替代項目。加快建設充電基礎設施,構建“十縱十橫兩環網”快充網絡,有效緩解電動汽車遠距離出行“里程焦慮”。積極引導用戶高效用能、綠色用能、節約用能。

      四是適應能源創新融合化,打造原創技術策源地。大力實施新型電力系統科技攻關行動,推進協同創新,加大研發經費投入,開展大電網安全穩定控制、虛擬電廠、特高壓分接開關等重大技術攻關,攻克各種“卡脖子”“無人區”技術難題,全方位提高自主創新能力,打造新型電力系統示范區。持續跟蹤顛覆性技術發展趨勢,強化基礎研究和前沿技術布局,取得更多原創成果。

      五是適應能源業態數字化,加強能源互聯網建設。深入應用“大云物移智鏈”等新一代信息技術,加快推動電網向能源互聯網升級,實現電網生產、經營、管理等核心業務數字化轉型,促進發輸配用各領域、源網荷儲各環節、電力與其他能源系統協調聯動。加強產業鏈上下游協同,以數字平臺服務推動上下游企業供需匹配、資源共享,促進產學研用深度結合,加快孕育能源數字經濟新業態新模式,當好現代產業鏈的“鏈長”。

      電力裝備質量提升 與供應鏈創新應用

      當前,百年變局與世紀疫情交織疊加,經濟全球化遭遇逆流,貿易保護主義、單邊主義抬頭,全球產業鏈供應鏈面臨重構,我國產業鏈供應鏈安全穩定運行面臨重大威脅,特別是在疫情沖擊下,部分原材料和關鍵零部件上下游供應鏈的生產暢通受到影響,增強產業鏈供應鏈自主可控能力,維護產業鏈供應鏈安全穩定尤為重要。

      隨著我國電力工業快速發展,特別是新能源發電、核電、水電以及特高壓輸變電建設,促進我國電力裝備制造業技術研發能力、生產裝備水平、工藝制造質量、試驗條件改善等方面得到很大提高,我國電力裝備制造業電力裝備質量水平、自主可控能力以及國際影響力和話語權明顯增強,逐步實現“中國創造”向“中國引領”轉變。

      但是,我國電力裝備制造業大而不強,低端產品產能過剩,高端產品產能不足,產業同質化競爭嚴重,部分關鍵組部件、關鍵核心零部件、電力電子器件、精密加工元件、原材料、工業軟件、工控系統軟硬件等依賴進口。部分電力裝備產品在質量可靠性、穩定性和一致性方面與國際先進水平仍有差距,迫切需要加快構建電力裝備自主可控、安全可靠的產業鏈供應鏈,進一步提高電力裝備質量水平。

      今年3月,國家市場監管總局等三部委聯合印發《關于全面加強電力設備產品質量安全治理工作的指導意見》,指出加大電力設備質量監管力度,鼓勵有關行業組織和骨干用戶企業運用物聯網、大數據、人工智能等技術,建設電力設備質量安全風險監測平臺;建立基于供應鏈的電力設備質量安全追溯機制,不斷提高電力裝備質量水平,確保電力生產安全可靠穩定運行。中電聯電力裝備及供應鏈分會將聚焦新型電力系統裝備質量提升,聚焦電力裝備產業鏈、供應鏈自主可控,聚焦電力行業綠色低碳轉型,聚焦數字技術賦能電力物資供應鏈創新發展,積極推動電力央企發揮“鏈長”作用,促進國內骨干電工裝備企業發揮“鏈主”作用,引領支撐產業鏈供應鏈上下游企業協同發展,構建電力裝備和供應鏈上下游生態,強化產業鏈、穩定供應鏈、提升價值鏈、促進創新鏈,推動電力裝備與供應鏈數字化、智慧化、綠色化、標準化、平臺化、服務化,全面提高電力行業現代供應鏈創新發展與自主可控水平,為促進新型電力系統發展、推動能源清潔低碳轉型貢獻力量。

      本文刊載于《中國電力企業管理》2022年10期,作者丁永福、韓文德、王馨藝、劉曼曼 均供職于中國電力企業聯合會電力裝備及供應鏈分會

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