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        中國工程院院士王成山:電力供需互動是高比例新能源消納的關鍵技術之一

        中國電力企業管理發布時間:2024-02-27 11:58:31  作者:鄧卓昆

          王成山 中國工程院院士,天津大學國家儲能產教融合創新平臺主任。長期從事配電系統與微電網技術研究,在配電系統結構優化、微電網控制系統與裝備等領域取得了系統性創新成果,技術獲得廣泛應用。成果獲國家技術發明二等獎1項、國家科技進步二等獎3項;獲何梁何利科學與技術進步獎、全國首屆創新爭先獎。所領導的團隊入選教育部創新團隊、科技部重點領域創新團隊。

          “充分挖掘電力供需互動環節的潛力,推廣應用負荷需求側響應與智慧用能等先進技術,解決相關技術在示范落地、市場推廣、運營體制機制上的瓶頸問題,是推動構建新型電力系統的關鍵性環節之一。”在11月9日天津召開的2023年智慧用能與節能技術發展論壇上,中國工程院院士、天津大學教授、中國電機工程學會智慧用能與節能專委會主任委員王成山向行業同仁分享了對于電力系統供需互動相關問題的思考。

          數據顯示,我國電源側的風光裝機容量快速增加,2022年已達到7.5億千瓦,占發電總裝機的29.6%,而發電量占比則達到了13.4%,盡管這一比例在逐年快速增長,但與2060年碳中和場景下50%以上的電量占比還相差很遠。同時,在需求側,我國2022年全社會用電量已達到8.64萬億千瓦時,電能占終端用能占比超過了27%,電動汽車保有量已經達到千萬輛級。而到2060年,這些數據還會翻倍增長。這些數據表明,在“雙碳”目標下,我國電網的源、荷形態都將發生重大改變。

          王成山指出:“電力系統的安全經濟運行正面臨著前所未有的挑戰,在我國靈活性電力調節資源嚴重短缺的情況下,有效提升電力供需互動水平將成為保障系統安全和高比例新能源消納的重要手段,先進儲能技術的應用與用戶側互動資源的挖掘,將對新型電力系統源荷平衡至關重要。”

          電力系統安全經濟運行面臨空前挑戰

          王成山表示,電力系統安全經濟運行正面臨著來自源、荷兩側的挑戰:電源方面,我國2022年風光裝機突破7.5億千瓦,日最大波動上億千瓦,預計2030年風光裝機將超過12億千瓦,火電裝機比例逐漸降低,深度調峰能力不足,新能源出力具有波動性、間歇性等特征,對電網靈活調節能力提出更高要求;負荷方面,我國2022年電動汽車保有量超過一千萬輛,電網總負荷日最大波動同樣超過一億千瓦,隨著空調、電動汽車等負荷快速增長,季節性用電趨勢和峰谷差愈加明顯。電源與負荷的變化,使得輸電網的安全穩定運行面臨巨大挑戰。

          與此同時,我國配電網同樣面臨著巨大壓力。據公開報道顯示,2023年河南省分布式光伏建設增速“狂飆”,截至2023年6月底,新增光伏裝機7.59吉瓦,山東等省分布式光伏也發展迅猛。分布式光伏的“井噴”對配網的運行造成了空前挑戰。王成山分析說:“分布式電源在一些地區安全容量已高于實際負荷需求,導致從低壓電網向高壓電網反送電,進而導致線路和變壓器過載、局部電壓過高等問題出現。”為此,河南省發展和改革委員會于今年11月發布了《關于促進分布式光伏發電健康可持續發展的通知》(簡稱《通知》),《通知》對戶用光伏備案主體進行了規范,開展分布式電源接入電網承載力評估工作,嚴格按照國家部署安排開展測算,根據配電網承載能力明確紅黃綠區域,同時通過加快配電網建設、配套建設儲能等方式,拓展發展空間。

          前述分布式電源超過電網承載力的問題在全國各地都有不同程度的體現,國家能源局、國家電網有限公司也堅持應接盡接的原則,制訂有利于分布式電源發展的政策,實施配網升級改造工程,加大相關技術研發應用,爭取提出分布式電源又好又快并網的解決方案。

          “實際上,不管是分布式電源還是沙戈荒新能源大基地外送, ‘源隨荷動’的時代已經過去,現在我們強調源荷互動,換言之,要加強負荷側參與電力系統調節的能力。”王成山進一步解釋道,“如今,電動汽車技術不斷創新發展,為了讓使用更加便捷,從業者正在努力縮短電動汽車充電時間,在快充場景下,一臺電動汽車快充功率就可能超過一個小區的變壓器容量??上攵?,今后電網企業要滿足上億輛電動汽車充電的難度之大。作為新型負荷,電動汽車的充電也需要與電網互動,未來如果能夠向電網放電,將成為負荷側一種更加有效的互動資源。”

          根據預測,從現在到2060年,全社會用電量還將翻番,如今配電網已深感“壓力山大”,未來用電量還會進一步增長,配電網應該如何應對?配電網能否隨用電量的增加再成倍地增加容量,即“再建一個配電網”?王成山認為,這個方案既不經濟也不可行。“過去配電網建設速度之所以那么快,是因為與城鎮化建設和經濟發展實現了同步,早在城市建設之初,配電網就實現了與城市發展同步規劃。如今,我國城市化進程已達到較高水平,由于環保、征地等限制性約束太多,城市電網要滿足更多的電量需求,已經幾乎不可能再采取大面積規劃建設新線路擴容的方式,必須采取新的措施或技術手段,例如著眼于將峰谷差縮小、將峰荷降低、優化配電網結構等。”王成山進一步解釋道。

          在談及未來實現“雙碳”目標的技術路徑時,王成山強調說:“就目前而言,最終哪項技術勝出要靠市場來決定。‘火電+CCUS’‘風光+儲能’、負荷側挖潛等不同技術路線目前都有各自的應用場景和限制,我們必須讓市場來說話,加快推進電力市場建設,讓市場更好地發揮資源配置的決定性作用。”

          電力供需互動重要而緊迫相關技術挑戰和需求頻出

          據王成山介紹,電力供需互動形式既體現在單側互動也體現在雙側互動,供需單側互動、主要有供方發電權交易和需方用電權交易等方式,而供需雙側互動包括需求側響應、虛擬電廠技術、源荷調度等方式。

          王成山指出,電力供需互動依賴于市場機制、技術和政策支持。電力供需互動有多種目標,如移峰填谷、系統調頻、局域電網源荷平衡、應急保供電等,建立市場環境下多時間尺度、多主體、多目標供需平衡主動響應的電價模型、激勵機制是亟需解決的問題。需要盡快出臺鼓勵智能用電、負荷聚合商參與等一系列政策支持。在實際應用中,如何提高海量用戶的互動意愿,進一步有效聚合用戶資源并實現精準調控,是電網供需互動技術的難點,需要提出行之有效的方案。

          那么,就具體技術而言,電力供需互動有哪些主要的挑戰和關鍵技術?王成山指出,電力供需互動技術領域目前主要有三大技術挑戰和六項關鍵技術:

          技術挑戰一是規?;`活資源動態聚合和特征提取。新元素大量融入負荷側,加之電力市場改革促使多種新角色伴隨而生,使得供需互動場景更加多元,負荷資源更加復雜多變,數量多、分布廣的規?;`活資源動態聚合和特征提取難度極大。

          技術挑戰二是電力供需互動的精準調控。規?;烧{資源具有高度隨機性與地理分散性,受參與聚合方式、通信條件、市場機制和多場景業務需求等不同的影響,有效實現規?;`活資源聚合調控存在困難。

          技術挑戰三是多層級供需互動系統與控制終端。電網、園區、用戶多層級供需互動支撐系統和終端控制能力不足,可靠傳輸、數據交互能力差,互動功能不完善,造成落實措施繁瑣、實施效果差。

          關鍵技術一是考慮隱私保護的多源數據融合技術。將來自不同主體、異構、多元傳感器獲取的數據和信息進行高效整合,考慮隱私保護和信息安全,做出更加客觀、合理的決策和判斷,支持市場機制下的電力供需互動。

          關鍵技術二是靈活資源的精準畫像與互動能力的評估技術。面向削峰填谷、新能源波動平抑等場景,考慮生產特性、用戶行為等因素,構建涵蓋工業、商業、居民、新型負荷等可調節負荷資源的精細化互動模型,進行多元場景下多類型負荷可調節潛力的精準量化評估,為電力供需互動提供支撐。

          關鍵技術三是市場機制下基于云端的電網調控靶向決策??紤]電網、用戶、社會等多方利益訴求,包含生成日前、日內、實時多階段資源調控方案,考慮多類型用戶調控指令響應的時滯差異,通過不同動態負荷的時序協同控制,兼顧經濟性和公平性,實現多元負荷多時間尺度精準調控。

          關鍵技術四是用戶側基于邊緣端的供需互動自主響應決策。面向削峰填谷、新能源波動平抑等場景,采用可調節負荷資源自適應調節架構,支撐大規模、多類型靈活資源分層聚合自適應調節策略,實現多元場景下邊緣端控制。

          關鍵技術五是電力供需互動管理平臺。形成多層級、可視化、大規模靈活資源供需互動管理平臺,能夠分層分級分區管理、調度多樣化源荷互動資源,滿足區域電力系統的雙向協調優化與聚合控制。

          關鍵技術六是電力供需互動邊緣控制終端?;?ldquo;云邊”協同的多源異構系統實時同步機制,構建網絡化多主體控制框架與自適應調控策略,并將其嵌入互動控制終端,使用戶數據信息根據業務的需求自動流轉,實現對連續、離散負荷和大型復雜負荷的快速、精確、經濟控制。

          展望未來,王成山認為,還有許多電力供需互動技術需要進一步探索,例如推動基于大數據大模型的應用、著力提升工業高載能負荷靈活性、居民類海量負荷供需互動、工商業建筑光-儲-直-柔互動模式的探討,構建切實有效的車網雙向互動體系、推動共享儲能、虛擬電廠等技術的大范圍、規?;瘧玫?。

          “由于供需互動技術直接涉及廣大用戶,市場機制、互動模式、技術架構、硬件和軟件系統都需要不斷創新并落地實施,難度大,但市場前景廣闊。”王成山總結道。

          本文刊載于《中國電力企業管理》2023年12期,作者系本刊記者


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