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潘垣:以問題導向攻克綠色電力系統的構建難點

中國電力企業管理發布時間:2023-05-06 13:05:02  作者:鄧卓昆

  潘垣:中國工程院院士,華中科技大學國防科學技術委員會主任,磁約束聚變技術和高功率脈沖電源技術專家。主持和參與主持過三套聚變裝置研制和一套裝置升級改造,在中國環流一號研制中負責工程方案設計、總體電磁工程、脈沖電源及總控系統等,創造性地解決多項重大技術難題,還將聚變電磁工程技術成功應用于國民經濟和國防建設,取得多項成果;負責研制“小龍-2”和“凌云”核聚變等離子體實驗研究裝置,參與主持“中國環流器一號”的研制建造,解決了許多重大技術難題;負責完成了托卡馬克HT-6M的脈沖電源與控制系統的升級改造。曾兩次獲國家科技進步一等獎、中科院和核工業部科技進步一等、二等獎多項,以及教育部科技進步一等獎。

  習近平總書記在科學家座談會上指出,“研究方向的選擇要堅持需求導向,從國家急迫需要和長遠需求出發,真正解決實際問題”。戰略需求導向和問題導向的科技研究成為解決當前制約我國經濟社會發展、民生改善和國防建設面臨的重大科技問題的重要路徑。

  近日,在2022年中國電機工程學會院士專家論壇中,中國工程院院士、華中科技大學國防科學技術委員會主任潘垣從國家重大戰略需求和關鍵科技問題出發,對能源電力變革的關鍵問題展開了深入分析。潘垣表示,能源綠色化是實現“雙碳”目標的必由之路,攻克構建綠色電力系統的關鍵技術難題,以科技創新助力新型能源體系的構建,是廣大能源電力科技工作者和從業者的歷史使命。

  綠色電力系統與傳統電力系統的本質區別

  綠色電力系統與傳統電力系統有何不同?

  潘垣認為,在傳統電力系統中,如火電、水電或核電,大都采用同步電機,具有較強的機械慣性,傳統電力系統具有由旋轉電機主導的機電穩態過程,強機電性、弱電磁性是傳統電力系統最大的特征。這一點與綠色電力系統恰恰相反,新能源的發輸配用環節引入了更多電力電子裝備,電力系統向以電力電子裝備的電磁暫態過程為主導轉變,呈現出弱電機性、強電磁性。

  基于我國以煤為主的資源稟賦,過去我國傳統電力系統主要由黑色的傳統電源、無色的傳統電網和隨機的負荷三大部分共同組成。“過去,發電側以煤電為主,因此黑色的傳統電源很好理解,但為什么說電網也不是綠色的?其原因在于電網系統中大量使用的GIS(氣體絕緣金屬封閉開關設備)一般含六氟化硫,其溫室效應高出二氧化碳四個數量級,從這個角度而言電網也不是綠色的。”潘垣解釋道。另外,從負荷角度分析,電氣化率是評價一個國家先進與否的重要指標之一,而我國目前的電氣化率仍處于中低水平。

  “何謂綠色電力系統?與傳統電力系統恰恰相反,綠色電力系統將大大弱化機電特性、強化電磁特性,綠色電力系統將由綠色化電源、綠色化電網、大容量儲能、高比例電氣化負荷共同構成,同時呈現出智能化的新特征。”潘垣表示。綠色化電源囊括了風電、光伏、光熱發電等主力電源,以及綠色化火電、水電、核電等電源;綠色化電網由變壓器、變流器、輸配電線路、非六氟化硫絕緣型開關/電器組成,呈現出調控能力弱的趨勢;大容量儲能指分布式抽水蓄能群;高比例電氣化和隨機性是負荷的兩大特點;智能化意味著電力裝備、AI芯片和物聯網絡都將得到廣泛應用。

  問題導向——實現綠色電力系統 要攻克五大技術難題

  上述綠色電力系統的幾個特點給電力系統的運行帶來了許多前所未有的問題,而且這些問題無法回避、必須在技術上逐一攻克。潘垣認為,調峰問題、穩定問題、走廊問題、電力調度與潮流調控問題、電力安全問題等是其中較為突出的關鍵問題。

  一是調峰問題。與現有常規火電、水電或核電出力呈現一定的規律性和可控性相比,風電、光伏等新能源出力具有時間、空間上的強不確定性和不可控性。因此,綠色電力系統要在盡可能不棄風、不棄光、不棄水的條件下,確保系統有功與無功的動態功率平衡,同時確保系統穩壓穩頻,這是一個極大的挑戰。

  二是穩定問題。隨著新能源在電網占比不斷提高,電網電力電子化特征凸顯,電網穩定形態越發復雜,其運行特性發生了深刻變化,系統安全穩定運行與控制規律面臨前所未有的新挑戰。尤其是電力系統頻率穩定問題,大量電力電子電源替代了原有的同步發電機,導致轉子提供的旋轉機械慣量以及頻率阻尼作用逐漸降低,新型電網成為了低慣量電網,電網頻率受擾后波動更大,且更難恢復。未來如果電網突發特高壓跳閘等重大事故時,我們要有能夠確保系統穩定的手段,防止系統出現解列或者崩潰的情況。

  三是走廊問題。為確保西部大規模新能源全額、可靠、安全地送往東部,需要有足夠的輸電走廊保證送出能力。由于我國地理條件復雜且特殊,從西向東的海拔仿如三個臺階。“據本人實地考察了解到的情況來看,我國西北能源輸送主要依靠河西走廊,這里同時是石油、天然氣、電力的輸送通道,布局過于集中,一定要從防災減災角度做好風控和應急措施,還要將戰爭、自然災害等極端特殊情況納入考慮。”潘垣說。

  四是電力調度與潮流調控問題。由風、光、水等為主體能源構成的電力系統,電源運行調度協調難度加大,亟需構建新型調度體系與實現調控技術的人工智能化。

  五是電力安全問題。為保證新型電力系統的電力能源安全,我們要穩步推進建設以分布式抽水蓄能為主力的多種儲能系統、基于天然氣的備用燃氣輪機發電機組、基于氫能的燃料電池電站和零排放性質的備用燃煤電站。

  潘垣表示,除了要解決上述五個突出問題,還要持續研發大型風電場、光伏電場、光熱電場的智能化運維技術、減災技術、生態環境補償技術,乃至磁約束核聚變發電等滿足長遠需求的科學技術,以助力能源綠色低碳發展和“雙碳”目標的實現。

  破題——保障能源 綠色轉型與安全發展的關鍵技術

  在院士專家論壇上,潘垣重點探討和分享了構建綠色電力系統的關鍵技術:

  第一項關鍵技術是分布式山頂抽水蓄能電站。關鍵詞“分布式”意味著多而分散,這既能滿足儲能需求,又能為系統補充和提供同步電網所需的轉動慣量。

  以分布式山頂抽水蓄能電站為例,它具有以下六大優勢:同時解決大規模儲能問題與提供轉動慣量;效率高,一般可達80%,采用變速恒頻/恒壓技術后,效率將更高;選址布置靈活,接入系統便利;關鍵詞“山頂”意味著淹沒損失少,移民少,對生態環境友好;機組形式多樣,建設周期較短;建設開發模式多樣化。該技術目前已有兩項示范工程,即湖北鐘祥北山抽水蓄能電站裝機容量20萬千瓦,其中一臺10萬千瓦擬采用有刷雙饋電機,具有可變速機組,如此其轉子具有大的轉動慣量(可視其為隱性飛輪);北京密云水庫抽水蓄能電站改造項目,重新設計安裝一臺13兆瓦機組,擬采用無刷雙饋電機可變速方案。

  第二項關鍵技術是快速響應容量,具體來說,快速響應容量由雙饋調相機、高慣量飛輪和低頻勵磁調節器共同構成,平時起到同步調相機和反饋控制穩頻作用,緊急需求時可用作脈沖發電機。因此,該技術具有儲能、調相、穩頻、脈沖發電的功能,既能助力新能源外送,又可提高系統轉動慣量,保障電網安全穩定運行。其中,選擇飛輪儲能的原因是該技術具有功率密度高、壽命長、響應速度快、綠色環保等優勢。

  第三項關鍵技術是針對西電東送輸電走廊嚴重缺乏問題。能源輸送走廊嚴重不足這一問題早已得到了業內的廣泛關注,但如何解決至今仍未形成統一共識。潘垣對此提出了一個新的思路:“目前,我國高壓直流電纜已達到了500千伏的規格,能否繼續提高難以判斷。為了滿足直流特高壓絕緣要求,可在直流500千伏電纜外表再套加強絕緣,然后再予管道化。面對我國西電東送走廊資源的極為稀缺以及電力工程建設的緊迫性,必須憑借我國被譽為‘基建狂魔’的基礎設施建設能力,不妨嘗試將傳統架空輸電線路改為隧道化輸電線路。但需要注意的是,由于洛倫茲力效應的存在,通過同一隧道的多路電纜不得相互影響,故同回正極性電纜與負極性電纜必須捆在一起,以消除各回路間的電磁力效應,對此可稱之為‘管道化電纜集束’,這是一種介于純管道和純電纜兩者之間的新方法,如此一來,電纜與管道間的絕緣氣體無需用六氟化硫,改用壓縮空氣即可。另外,還可采用3D打印電纜頭,省材料、精度高、周期短且高效。”

  第四項關鍵技術是智能化調度。這一議題也備受行業關注,潘垣提出以下新思路:以人工智能、源網荷儲一體化、能源互聯網等技術為硬核支撐,推動電力智能化調度技術達到國際領先水平,當前應著力研發專用的AI電力芯片;高效聚合多類型電源和靈活性資源,形成協同、聯動、有序的發展格局,提升多能優化布局;徹底改善能源結構,提高整個功能系統的綜合效益,全面提升電網安全經濟運行水平。但要注意,西方國家與中國的用能特征不同,所以他們建設智能電網的經驗對中國未必完全適用,切忌照搬照抄,需要結合我國實際推進。

  第五項關鍵技術是能源消費端實現“全方位綜合高效電氣化+”,此舉著重應用于耗能大戶如鋼鐵、水泥、半導體、玻璃與陶瓷、水上運輸、農業機械等領域。特別是要盡快實現北方冬季供暖的電氣化,其中廣大民用散煤取暖的治理更是重中之重。

  實施“新型舉國體制”集中力量辦大事

  潘垣建議籌建產、學、研聯盟的“綠色電力創新研發中心”,集合全國優勢高校和核心龍頭企業、高校和研究院所,通過整合全國綠色電力相關領域的人才和技術資源,瞄準“綠色電力的發電、輸電、儲能、控制、負荷”五大方向,開展全產業鏈的綠色技術與裝備研究和成果轉化,服務于國家和地方新能源發展戰略。

  潘垣認為,此舉正是我國電氣工程界貫徹落實黨的二十大報告中特別強調的實施“新型舉國體制”,發揚“兩彈一星”精神的社會主義集中力量辦大事的優良傳統。

  “總之,能源綠色化是‘雙碳’目標實現的必由之路,實現新型電力系統需要攻克上述幾大技術問題,分布式山頂抽水蓄能電站、快速響應容量、長距離輸電走廊、智能化調度、‘全方位綜合高效電氣化+’等是構建綠色電力系統的關鍵技術,未來要加強全國綠色電力相關領域的人才和技術資源的整合,開展全產業鏈的綠色電力技術與裝備研究和成果轉化,服務于國家與地方新能源發展戰略。”潘垣說。

  本文刊載于《中國電力企業管理》2023年03期 作者:鄧卓昆


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