2023新型电力系统构建的关键技术问题与储能技术的系统价值

迟永宁教授级高工博士生导师中国电力科学研究院有限公司电力系统碳中和研究中心书记、副主任 2023年5月26日浙江杭州 气候变化问题带来的全球生态挑战 口化石然料消费带来的温室气体（主要是CO）排放是全球气温升高（温室效应）的主要原因，如果不采取措施，本世纪未全球温升会超过4℃，导致冰川融化、海平面上升、物种灭绝、粮食减产，带来全球化灾难。 口《联合国气候变化框架公约》各缔约方在2015年巴黎协议一致同意了本世纪全球温升控制目标：将全球平均气温升幅较工业化前水平控制在显著低于2°C的水平，并向升温较工业化前水平控制在1.5C努力。（2015年12月12日在巴黎气候变化大会上（第21次缔约方会议），近200个缔约方一致同意通过。 Holdingthe increase intheglobal averagetemperaturetowell below 2"C abovepre-industrialevelsandpursuingeffortsto limitthetemperatureincreaseto1.5Cabovepre-industrial levels. 中国双碳(碳达峰、碳中和)自标承诺 口2020年9月22日，习近平主席在第75届联合国大会般性论上发表讲话，承诺中国在应对气候变化方面的自主责献。中国将提高国家自主责献力度，采取更加有力的政策和措施，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。(We aimtohaveCO,emissionspeakbefore2030andachievecarbonneutralitybefore2060. 口2021年3月15日，中央财经委员会第九次会议，提出：实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革如期实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和的自标。要构建清洁低碳安全高效的能源体系，控制化石能源总量，着力提高利用效能，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 第1部分电力系统碳中和路径 第2部分新型电力系统构建关键技术 第3部分诸能技术及其系统价值 1.1碳中和概念 什么是碳中和 碳中和定义：国家、企业、产品、活动或个人在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等形式，以抵消自身产生的二氧化碳或温室气体排放量，实现正负抵消，达到相对“零排放” 2030年前碳达峰2060年前碳中和 30-60双碳目标 狭义理解：指二氧化碳中和 广义理解：二氧化碳中和、温室气体中和、气候中和、净零二氧化碳排放及净零温室气体排放等相关概念的统称。 2050年远景目标：从2035年到本世纪中叶把我国建成富强、民主、文明、和谐、美丽的社会主义现代化强国。（二十大表述） 国际社会上："净零"（netzero）表述使用更广 1.1碳中和概念 我国所面临的挑战 是世界上转型时间最短，转型强度最大的碳中和过程 我国是全球最大的碳排放国，在我国CO?排放总量中，能源生产和消费相关活动碳排放占比较高，推进能源绿色低转型是实现碳达峰降、碳中和自标的关键我国电力行业占全国排放量的40%，落实双碳自标，能源是主战场，电力是主力军，未来电力行业碳减排将成为我国双碳战略实施的核心。欧盟碳边境调节机制（即碳关税）的启动是低碳发展历程上的里程碑事件，全球即将迈进“碳关税时代，势必给我国绿色低碳发展带来机遇和挑战。 1.2双碳相关政策 指导思想 念做好破达跨碳中和工作的意见 口《中共中英国务院关于完整准确全面贯切新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》、《2030年前碳达峰行动方案》指出，实现碳达峰、碳中和，是以习近平同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策。 国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知 图线 (2021) 23 口为构建碳达峰碳中和“1+N政策体系指明了方向，提出了重点实施能源绿色低碳转型行动、节能降碳增效行动、绿色低碳科技创新行动等“碳达峰十大行动”重点任务。 2021 年 10 月 21 B 2030年前碳达峰行动方案 为限入质得事实受中央，国务院关于器达始，最中和的果大器购决能，我实推进限达导行动，制能本方案， 口碳中和目标到2060年，绿色低碳循环发展的经济体系和清洁低碳安全高效的能源体系全面建立，能源利用效率达到国际先进水平，非化石能源消费比重达到80%以上，碳中和目标顺利实现生态文明建设取得丰硕成果，开创人与自然和谐共生新境界。 一、总保要求 （一）自手思事，以超中时代中国将色社会主思想为指。全面置得览的十九大和十九届二中、三中，四中，五中全会提持，汉入量得可适乎生春文明思思，定是新发最险良，完整，非码，全国费互体和易品、相期和中长期的关系，线等得增长和调给将，配碳选择要中的的入经评格会发限全局，坚持全国提导，节的优先，双验量 1.2双碳相关政策 碳核算、计量、监测 《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和《2030年前碳达峰行动方案》提出：推进碳排放实测技术发展，建立统一规范的碳排放统计核算体系，健全法律法规标准，提高统计核算水平。2021年碳排放统计核算工作组成立。 一加强二氧化碳排放统计核算能力建设，提升信息化实测水平 《中共中央国务院关手完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》2021.9提出遵循“核算为主、监测为辅”的原则，探索 建立重点排放单位温室气体排放源监测的管理体系和技术体系，在火电行业率先开展CO2排放在线监测试点。 生态环境部《“十四五”生态环境监测规划》2021.12加强能源、工业、交通运输、城乡建设、农业衣 村等重点领域计量技术研究，探索推动具备条件的行业领域由宏观“碳核算”向精准“碳计量”转变。 国家市场监督管理总局《“十四五”市场监管科技发展规划》2022.3 1.2双碳相关政策 能源电力行业相关其他政策 2022年6月29日，国务院国有资产监督管理委员会令第41号《中央企业节约能源与生态环境保护监督管理办法》发布。 2022年8月1日，工业和信息化部、国家发展改革委、生态环境部三部门联合印发《工业领域碳达峰实施方案》，明确到2025年，规模以上工业单位增加值能耗较2020年下降13.5%，重点行业二氧化碳排放强度明显下降。确保工业领域二氧化碳排放在2030年前达峰。方案提出了六大重点任务和两大重点行动 对象：中央企业，指国务院国有资产监督管理委员会（以下简称国资委）根据国务院授权履行出资人职责的国家出资企业 原则：！坚持绿色低碳发展，坚持节约优先、保护优先，坚持依法合规坚持企业责任主体， 1.3中国电力系统碳中和演化路径 口2021年电力行业碳排放42亿吨，在2028年前后进入峰值平台期，45亿吨左右，逐步用30年时间发展为零碳电力系统。新能源装机达到52亿于瓦，发电量占比升至61%，水电、核电发电量达到13%、16%，煤电、气电发电量降至7%、3%，CCUS应用规模进一步扩大。 第1部分电力系统碳中和路径第2部分新型电力系统构建关键技术第3部分诸能技术及其系统价值 2.1新型电力系统面临的挑战 随着电源主体发生根本变化，新型电力系统将主要面临电力电量平衡、系统安全稳定、能源电力深度脱碳三个方面的巨大挑战。 能源电力系统深度脱碳支撑技术突破 适应新型电力系统的安全稳定支撑机理还需明确 源荷双侧随机波动影响电力电量平衡 新能源接入电压支撑较弱交流系统短路比不足系统强度变低：电力电子装置的快速响应特性，带来宽频振荡等与电力电子相关的新稳定形态。 能源电力系统转型中煤电核电、天然气发电演进路径：CCUS、储台电制氢等前瞻技术快速发展，单一技术实现电力零碳排放的经济挑战巨大。 电力系统中发电和用电瞬间完成，发电功率和用电负荷实时平衡，随机性的电源波动、负荷冲击形成的问题将对电力电量平衡产生极大影响。 创新技术、经济性 充裕性、灵活性 安全性、稳定性 2.1新型电力系统面临的挑战 系统电力电量平衡 1新能源最小出力处于较低水平，对系统电力电量平衡和供电保障支撑能力不足 2019年各省、各区域、国网经营区新能源最小日平均出力水平分别为3.6%、8.0%和10.7%，新能源最小瞬时出力水平分别为0.2%、1.1%和5.0%，区域间补效果不明显， 2寒潮等极端气候下电力供应需求增加，电力供应保障难度加大 我国中东部供暖区域过去35年共发生寒潮43次，单次最天影响面积为110方平方公单，气温最天下降14°，负荷最大增长可达2亿千瓦。 3新能源发电与用电季节性不匹配，存在季节性电量平衡难题 新能源月度电量分布与负荷需求不匹配，夏季负荷电量高而新能源发电量低，存在季节性电量平衡难题。 2.1新型电力系统面临的挑战 大电网安全稳定控制 1）电力系统在新能源的接入容量和出力占比达到一定规模时，系统运行所面临的安全稳定风险将显著上升，系统频率和电压安全问题尤为突出。需要创新稳定性认知与分析理论、研发新的新能源自主支撑控制等技术来奠定系统安全稳定运行的基石。 2）复杂巨系统运行控制措施配置和实施难度大，以新能源为主体的新型电力系统是一个多时空尺度多层级、多系统耦合的复杂巨系统，支撑海量电力电子设备接入，海量复杂运行方式的电网控制措施配置和实施难度极大同步发电机 2.1新型电力系统面临的挑战 能源电力深度脱碳 能源系统低碳转型路径复杂，技术依赖度较高，须主要依靠自身完成深度脱碳：但现有技术条件下可利用灵活性资源规见模有限，还存在保障系统供电的压力。 2）驱需突破火电CCUS、储能、需求侧响应等关键技术；高比例新能源接入下电网弃风、弃光率将会显著上升，有必要应用新能源电制氢技术开辟新非电消纳途径，进一步提高一次能源消费中的非化石能源占比，降低电网消纳的压力，提升能源系统整体效率 2.2新型电力系统关键技术 系统电力电量平衡：一体化时序生产模拟系统 面向新型电力系统调峰与供电保障的双重需求，研发8760小时源网荷储协同一体化时序生产模拟系统。通过研究源网荷储各类资源主体调节特性模型，开发分层分区可控互济方法，建立跨区源荷双向响 自前第一代系统已应用于国家电网公司“十四五”电网规划供需平衡分析，支持方节点级电网规划与运行计算，计算耗时可控在分钟级，能够给出8760小时电力电量平衡结果、新能源利用率、可再生能源消纳责任权重完成度等关键指标，显著提升源网荷储协同规划与运行水平 2.2新型电力系统关键技术 安全稳定控制：新型电力系统安全稳定仿真与控制 机电暂态仿真难以计及微秒级快速响应和宽频带特性，精度不能满足需求，新型电力系统最需采用全电磁暂态仿真。目前基于国家电网超算仿真平台已实现万节点级区域电网全电磁暂态高效仿真，并对青像直流、张北柔直、锡盟直流等实际电网工程开展了专题仿真分析 电力电子设备大规模接入导致电网运行方式复杂多变，预案式策略表匹配的典型方式选取极其困难传统预案式控制依赖典型方式下生成的预想故障集，控制失效风险日益凸显。目前基于响应的安全稳定空制技术已应用于实际电网，基于测量信息实时计算控制策略可有效应对多次故障扰动冲击，保障互联电网的安全稳定运行。 2.2新型电力系统关键技术 安全稳定控制：构网型新能源发电设备 新型电力系统的基础仍是交流同步运行机制，而风电、光伏及储能通过电力电子设备并网后，由于其外特性为跟眼随电网电压频率和相位的锁相同步电流源，所以真对电网的响应和支撑能力较差。未来需重点突破自同步电压源型（构网型）电力电子设备技术，使真外特件从电流源转变为可以自主构造生成电压频率和相位白勺自同步电压源从而最大程度地模拟同步机特性及其构网能力。应用构网型的换流器控制策略、器件、拓扑及装备，将有力支撑新型电力系统安全稳定运行。 2.2新型电力系统关键技术 能源电力深度脱碳：CCUS 在兼顾电力系统碳减排目标与灵