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我国未来电网的发展模式

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我国未来电网的发展模式

作者:
发布时间:
2014/06/24
【摘要】:
2014年6月21日,第9届中国电工装备创新与发展论坛在北京召开。会议上中科院院士周孝信对我国中长期电力需求及供应、电力流预测与分析、未来主干输电发展模式及面向未来电网的关键技术等几方面做分析报告。 一、中长期(2030-2050年)电力需求和供应预测 以节能优先、最大限度开发利用可再生能源、提高清洁能源电量比重为原则,按照2030-2050年期间人均用电量分别为7000kw.h、8000kw.h
2014年6月21日,第9届中国电工装备创新与发展论坛在北京召开。会议上中科院院士周孝信对我国中长期电力需求及供应、电力流预测与分析、未来主干输电发展模式及面向未来电网的关键技术等几方面做分析报告。
 
一、中长期(2030-2050年)电力需求和供应预测
 
以节能优先、最大限度开发利用可再生能源、提高清洁能源电量比重为原则,按照2030-2050年期间人均用电量分别为7000kw.h、8000kw.h、9000kw.h三种情景,每种情景下清洁能源电量分别占全部电量的50%、60%、70%拟定电力装机和发电量的9个方案。
 
综合分析9个方案测算结果,推荐年人均用电8000kw.h,全社会用电量12万亿kw.h,清洁能源发电量占60%的强化节能和清洁化约束的供应方案,作为2030-2050年中长期发展的目标。
 
在远景电力供应消费情景分析的基础上,以2013年实际电力供应消费情景为起点,按照人均年电力消费由2013年的3963kw.h,清洁能源电量比重占23.78%,发展到人均年电力消费5000kw.h、6000kw.h、7000kw.h、8000kw.h,并延伸到9000kw.h、10000kw.h,清洁能源电量比重逐渐过渡到70%的情景,做出未来电力(、年发电量)的发展趋势预测。
 
        
 
在全国发电装机/发电量发展趋势预测的基础上,根据发电资源和电力需求分布特点,在多元供应体系中确定各类电源的开发总最、开发模式和地区分布的发展趋势。
 
        
 
1)水电。按东两部可开发的水力资源分布比例测算,硒部占80%,中东部占20%。
 
2)核电和气电。全部在中东部负荷中心就地开发,气电以分布式高效综合利用为主要发展模式。
 
3)煤电。新增煤电主要以在西部和北部煤炭产区,建设现代化大型煤电基地为主要发展模式,煤电总量分布可按西部与中东部各占总量50%考虑;总量受控2030-2050年总量下降。
 
4)风能和太阳能等非水可再生能源发电。遵循西部集中开发与中东部分布式分散开发并重的原则,开发容量按西部与中东部各50%考虑。
 
二、中长期(2030-2050年)电力流预测与分析
 
2030-2050年的电力流总体格局会有两种可能情况:
 
第一种是情况是,在此期间,我国能源资源和负荷中心的逆向分布仍未发生大的改变,电力仍需大容量远距离输送,但整体上与2030年相比无显著增长,风电、太阳能发电的消纳将成为电力流增加的主要推动力。
 
笫二种情况是,随着核电及大规模可再生能源的开发以及煤电装机容量的减少,以及负荷中心向中西部地区的扩展,分布式能源的渗透率提高等,在此期间电力流格局将发生较大变化,由目前的大容量远距离输送趋向于电力与负荷基本均衡的方向发展,未来对电力的大容量远距离输送需求将部分减少或减少的较多。
 
根据目前的发展形势来看,除非中东部和西部的电力需求比例发生重大变化,出现第二种情况的可能性较小,2030-2050年期间电力流维持稳定乃至略有增长。具体测算按西部实际发电装机和发电量的40%-50%外送,计算西电东送的电量和容量。
 
西电东送的需求根本上应是中东部经济发展对电力的需求与本地电力供给能力的差值。以人均8000kw.h用电量、西部电力电量40%东送情景测算为例,中东部用电量比重达
 
到75%,中东部本身的电力供应能力59%.中东部仍有约占全国总量16.5%的电量需要通过西电东送供给。
 
以人均用电8000kw.h的情景作为2030-2050年发展和测算西电东送需求的推荐方案,测算结果表明,该方案西电东送容量和电量占西部总量40%和50%两种情景下,西电东送电力容量分别为4.41亿kW和5.51亿kW,送电电量分别为1.97万亿kw.h和2.486万亿kw.h。
 
因此可以认为,未来我国电力发展趋于饱和的中长期期间(2030-2050年),西部输送到中东部地区的电力容量将由现况的1亿kW增加到4.5-5.5亿kW,相应输送电量为2-2.5万亿kw.h,输电线路综合年利用小时达到4400-4500h。
 
三、未来主干输电网的发展模式
 
经过10多年的技术研发和实践,我国交流和直流特高压输电技术和电网技术获得重大进展,为实现大容量远距离输电奠定了坚实基础。
 
采用新材料、新器件、新原理的输电技术,如新型电压源直流输电技术(VSC-HVDC)、直流电网技术、超导输电技术、新型大容量输电线路技术等正分别处于基础研究、技术攻关或试点示范过程之中。如果这些先进输电的技术瓶颈能够获得突破,并使之实用化,将为我国未来电网发展提供更多的技术选择。
 
直流输电网技术、超导输电技术在近期尚不具备大规模工程应用能力,因此在2030年前近距离输电将主要采用特高压/超高压交流输电方式,远距离则主要采用特高压/超高压直流输电方式,我国将形成超/特高压交、直流输电技术为核心的混合输电网模式。
 
由于超导技术的突破主要取决于物理学和材料学基础研究的进展,具有很大的不确定性,而基于新型直流输电的直流输电网技术已经取得阶段性成果,预期在可以预见的将来会有较大突破,我国在远期(2030-2050年)实现采用常规导体的主干直流输电网的可能性更大。
 
在我国西部构建送端直流输电网的必要性和优越性:1、能够更好地满足未来电力由西部向中东部地区远距离、大容量输送的重大需求;2、能够在西部送端实现风电、太阳能发电、水电、煤电等不同特性电源之间补偿调节,解决新能源出力的随机性和波动性;3、可以充分利用输电走廊和线路资源,提高输电系统资产利用效率;4、能实现西部广大地区各交流电网的异步连接,提高运行的稳定性,满足西部的用电需求。
 
四、面向未来电网的关键技术
 
近中期我国主要发展超/特高压交直流输电网模式,需要研究安全可靠、经济合理、技术先进,能满足输电需求的交直流输电网结构;要研究相应的电网运行控制技术,提高系统的输电能力及电网的安全性、可靠性和经济性,特别要注重研究受端电网接收大量直流输电的安全稳定问题。
 
针对中长期我国有可能形成西部送端直流输电网与中东部受端超/特高压交流电网有效融合的输电网模式,需要提前重点部署新型直流输电及直流输电网技术的研究,包括基础性前瞻性研究和高技术开发。
 
设备级的技术需求有:高压直流断路器,切断时间要求在3-5ms以下断路器,比交流系统断路器提高一个数量级;DC/DC变压器,目前尚处于电路拓扑、仿真计算、原理样机阶段,尚未实现工业样机研发的技术突破;直流电缆,研究大容量高电压等级直流电缆制造技术。
 
系统级的技术需求有:直流电网广域测量及故障检测,在传统交流电网检测技术基础上,缩短检测时间,提高响应速度;直流电网仿真,建立仿真模型,较交流电网更小步长的电磁
 
暂态仿真;直流电网运行控制与保护,适用于直流电网的新型运行控制原理和控制、保护方法,具有快速响应能力的直流电网的调度、运行控制系统。
 
上述新型直流输电和直流输电网相关理论和关键技术一旦突破,除有助于改变未来国家主干电网及未来联网的形态之外,对近期电网的发展也会产生重要影响。电压源直流(VSC-HVDC)技术十分适合对风能、太阳能等分散化、小型化的电能迸行组网,通过经济、环保的方式将这些电能反馈回电网。随着电压源直流技术的研究开发,其容量将不断增大,将有可能利用电压源换流装置(VSC)和常规电流源换流装置(CSC)各自优点,形成大容量的混合连接直流输电系统。直流输电网的各项关键技术还可用于配电系统。
 
1)电源开发。支持清洁能源电量占总量60%以上目标的实现。西部大规模可再生能源的开发利用技术,中东部地区可再生能源规模化分布式和海上开发利用技术。
 
研究大容量集中和分布式电网储能技术,解决风能、太阳能出力随机性和波动性问题;研究超净化的燃煤发电技术,大力推进煤炭清洁高效利用,为煤炭的开发利用开辟一条新路;研究高安全水平新型核电,支持沿海和内陆核电建设;研究开发基于清洁燃料(常规和非常规天然气等)的分布式能源和梯级利用技术,根据不同终端用户需求,构建区域新型高效能源系统。
 
2)电能传输和分配。支持实现西电东送(含北电南送)规模达到4.5-5.5亿kW以上的目标;支持可再生能源和天然气分布式电源在配电网的规模化接入。
 
研究大容量新型(特高压和VSC-HVDC)直流远距离输电技术和直流输电网技术,支持在我国西部构建送端直流输电网,支持对传统西电东送直流线路的技术改造;研究中东部交流超/特高压受端电网的构建和运行问题,支持约占30%外来电力情况下的受端电力系统的安全稳定运行;研究开发新型智能化的有源(主动)配电系统和微电网,支持可再生能源和天然气分布式电源的规模化接入,提高电能质量和安全可靠性。
 
3)电能利用。支持强化节能,提高能源利用效率,提高电能在终端用能的比重,支持实现人均年用电量8000kw.h以下目标的实现。
 
研究解决新能源电力入网难题,研究可再生能源多样化转化利用的技术,风能、太阳能波动和多余电力制氢、制甲烷技术,以及直接冷热利用技术;克服机制制约,与天然气管网、冷热管网合作,实现能源多样化传输和利用;将物联网技术、通信技术与电网技术结合,开展智能用电研究,解决实现用户需求侧管理和需求响应的机制和技术手段;研究建筑节能和发电技术,推动能源互联网技术的发展和逐步实现。
 
五、未来的图景和任务
 
按照“推动能源消费革命”的理念,通过贯彻落实节能优先方针,推行强化节能措施,建议我国中长期(2030-2050年)电力需求按人均年用电量不超过8000kw.h考虑,大致相当或稍离于法国、德国、日本当前水平。为我国2013年3963kw.h的2倍。按人口15亿计,预测全国用电总量将达到12万亿kw.h,是2013年全社会用电量5.32万亿kw.h的2.25倍。
 
电力消费分区预测表明,中长期(2030-2050年)我国西部用电量占全国总量的26%-27%,占比较现况23%略有增加。
 
按强化节能和清洁化约束,推荐人均年消费电量8000kw.h(清洁电量占60%)的优化电力供应方案如下:
 
1)发电量。总量12万亿kw.h。煤电40%(4.8万亿kw.h),水电13.13%(1.575万亿kw.h),非水可再生能源电(太阳能、风能、生物质能)21.88%(2.625万亿kw.h),核电17.5%(2.1万亿kw.h)、天然气电量7.5%(0.9万亿kw.h)。
 
2)装机容量。煤电装机9.6亿kW(5000h),水电4.5亿kW(3500h),核电3亿kW(7000h),非水可再生能源14.58亿kW(1800h),气电2亿kW(4500h).全国发电装机总容量为9.6+4.5+3+14.58+2=33.68亿kW。
 
在人均电量5000-10000kW-h的发展过程中,预测西电东送容量和电量对总量的占比呈不断减少趋势(容量由18.5%-23.1%减少到10.9%-13.6%,电量由19.8%-24.7%减少到16.8%-21%),由于总量的增加,西电东送容量和电量仍呈缓慢增加之势。
 
按人均8000kw.h的发展目标测算,我国2030-2050年中长期西部输送到中东部地区的电力容量将由现况的1亿kW增加到4.5-5.5亿kW,相应输送电量为2-2.5万亿kw.h.这是对未来的输电和电网技术的重大挑战。
 
经过10多年的技术研发和实践,我国交流和直流特高压输电技术和电网技术获得重大突破,为实现大容量远距离输电奠定了坚实基础。
 
采用新材料、新器件、新原理的输电技术,如新型电压源直流输电技术(VSC-HVDC)、直流电网技术、超导输电技术、新型大容量输电线路技术等,如能获得突破,并使之实用化,将为我国未来电网发展提供更多的技术选择。
 
根据未来电力流和关键输电技术发展趋势预测分析,可以预期:2030年前,我国将延续超/特高压交、直流输电技术为核心的输电模式,电力电子技术和新型直流输电技术等新的电网技术不断发展;2030–2050年,在直流输电技术成熟的条件下,我国可能形成西部送端直流输电网和中东部受端超/特高压交流电网相融合的输电网模式。
 
针对近中期的技术需求,需要研究安全可靠、经济合理、技术先进,能满足输电需求的交直流输电网结构;要研究相应的电网运行控制技术,提高系统的输电能力及电网的安全性、可靠性和经济性,特别要注重研究受端电网接收大量直流输电的安全稳定问题。
 
针对中长期我国有可能形成西部送端直流输电网与中东部受端超/特高压交流电网有效融合的输电网模式,需要提前重点部署新型直流输电及直流输电网技术的研究包括基础性前瞻性研究和高技术开发。
 
未来电网发展目标的实现与整个能源电力发展密切相关。为了这一目标的实现,需要开展多方面的科学研究和技术开发。
 
在电源开发方面,支持清洁能源电量占总量60%以上目标的实现;在电能传输和分配方面,支持实现西电东送(含北电南送)规模达到4.5-5.5亿kW以上的目标,支持可再生能源和天然气分布式电源在配电网的规模化接入;在电能利用方面,支持强化节能,提高能源利用效率,提高电能在终端用能的比重,支持实现人均年用电量8000kw.h以下目标的实现。
 
周孝信,中国科学院院士,电力系统专家。1993年当选为中国科学院(学部委员)。中国电科院名誉院长,国家自然科学基金委员会工程和材料学部主任。
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