水电水利规划设计总院新能源研究院海洋能源处长查浩:构建新型电力系统进程下的风电发展展望

能见App 2023年10月19日 5181

2023年10月16日-19日,2023北京国际风能大会暨展览会(CWP2023)在北京如约召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一,这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会,再次登陆北京,聚焦中国能源革命的未来。

本届大会以“构筑全球稳定供应链 共建能源转型新未来”为主题,将历时四天,包括开幕式、主旨发言、高峰对话、创新剧场以及关于“全球风电产业布局及供应链安全”“双碳时代下的风电技术发展前景”“国际风电市场发展动态及投资机会”“风电机组可靠性论坛”等不同主题的21个分论坛。能见App全程直播本次大会。

在17日下午召开的“碳视角下的新型电力系统”主题论坛上,水电水利规划设计总院新能源研究院海洋能源处长查浩发表了题为《构建新型电力系统进程下的风电发展展望》的主题演讲。

以下为发言全文:

各位来宾下午好,我是水规总院的查浩,非常高兴参加这次会议,我今天向大家汇报的题目是在构建新型电力系统进程下一些风电发展的思考和展望,我汇报主要包括三个方面,第一个能源转型发展趋势和思考,第二个是新型电力系统构建的进程和路径,第三个是关于在新型电力系统构建进程中风电增加发展的一些考虑。

首先构建新型电力系统,在全球能源转型趋势下,主要是应对气候安全、能源安全,从应对气候安全的角度目前全球已经有许多经济体都提出了净零碳排放承诺,也基本上都把发展可再生能源作为一个普遍的共识,不论是国际能源署还是国际可再生能源署都预测将来的可再生能源电力的比例是非常高的,特别是到碳中和的时候。

第二个从能源安全的角度,全球大多数国家基本上都是难以靠化石能源实现能源自主安全供给,除了像俄罗斯、中东国家,美国、加拿大等少数之外,大部分还是化石能源没有那么非常的丰富,所以发展可再生能源也是从原来的资源依赖向技术转变的考虑,也是为实现能源独立提供一种路径,所以欧盟、许多国家都把发展可再生能源作为一种重要的方向,既是气候安全需要,也是能源安全需要,所以随着可再生能源的发展,它的经济性提升既是低碳的、环境友好的,经济性提升了之后也是更加的便宜、经济可行的,同时也更加保障了能源的安全。

从另外一个角度,目前欧洲碳边境调节机制已经从这个月开始实施了,在第一阶段像钢铁、水泥等等6个领域已经纳入到征收碳税的范围,所以说在二氧化碳的排放也是切切实实的经济效益,也是客观的,非常直接带来的影响。从我们国家的能源消费来看,我们去年能源生产总量40多亿吨,消费总量54亿吨,还有7亿多吨标准煤的进口量,我们的能源消费量占全球大概超过四分之一,已经连续14年是世界第一位,二氧化碳排放量也是非常高的。

第二个在我们国家的一次能源消费比重当中,化石能源比例还是非常高的,82%,非化石能源比例包含核电只有17.4%,同时石油、天然气对外依存度都超过70%、40%,本身对安全的影响就比较大。从我们的可再生能源发电来看,今年上半年也超过1亿千瓦了新增的,目前可再生能源装机已经是超过煤电,事实上成为装机的主体了,根据现在的增长趋势,我们预计到2025年风光有可能到12亿千瓦,预计到未来电力装机比例还是会非常高,特别在碳中和的时候,从这几年来看,去年底可再生能源装机的比例也是远远高于其他的几个国家。

到去年底已有部分省区,特别是新能源装机比例事实上是非常高的,渗透率装机比省里最大复合,像蒙东这几个省级电网,青海、宁夏、甘肃都是超过百分之百,部分省区主要是以外送为主,不一定在本省消纳,事实上装机的比例渗透率是比较高的。从未来电力需求来看,在比较长时期内国家电力仍然是保持刚性的增长,特别是电力作为与国民经济密切相关的基础行业,增长的空间还很大,2020年7.5万亿,去年8.8万亿发电量,预计到2060碳中和的时候还要翻一倍,这也预示着将来每年增长的电量还是非常高的,“十三五”“十四五”“十五五”平均每年增长4亿多度电,每年增出一个发达国家的电量,电量增长也会为可再生能源发展带来很大的空间。不管是风电、太阳能、水能等等,折算下来每年可开发的量比例数据都还是非常大的,能够充分支撑未来增长的空间。

刚才也讲了转型的趋势,从“双碳”目标下来看,如果说能源领域是主战场,我们这个电力行业就是主力军,特别是新能源以风电、光伏为代表,可能就是先锋队了,构建这个新型电力系统就是一个主攻的方向,在新型电力系统的特征、定位内涵方面,可以说构建新型电力系统本身就是我们构建新型能源体系一个重要的方面,也是实现“双碳”目标关键的载体,传统电力系统目前也在向着五个方向清洁低碳、安全充裕、经济高效、工序协同、灵活智能的方向去发展,从电源的构成将来肯定是向大规模的可再生能源发电为主转变,电网的形态也向多元的混合的层次网络转变,输电网、配电网、微电网等等各级电网相互协同,从负荷特性,原来刚性用电也像柔性的产销型转变,特别是大量分布式电源直接就接在用户侧,技术的基础从原来支撑机电旋转部件向电力电子的系统去转变,运行特性也向原来的源随荷动向源网荷储多元互动的方式转变,总的来看清洁低碳肯定是方向,能源保供是基础,安全是关键,独立是根本,创新是动力,还要尽可能的节能提效。

从这几个特征来看,当然生产侧,包括相关的多元化、清洁化、低碳化、电气化、减量化,灵活智能包括数字化、网络化、智慧化,供需协同供应侧和需求侧相互联动,经济高效和安全充裕,可以说构建新型电力系统也是一个非常具有挑战的系统工程,本身是没有什么可借鉴的现成经验,其实是需要在国家的创新体系、企业的创新地位更多的来探索新的组织体系,包括在理论创新、电力系统稳定性理论、电能质量、协同平衡等等,与传统以交流电网为主的,将来向电力电子的电网电力系统去转变,还有形态的创新,向生产、传输、消费、存储这些都需要去形态创新,还有很多的技术创新,包括产业创新和整个的组织体系都需要很多的创新体系。

特别是原来从传统的发电机为主导的旋转的机械部件,向换流器主导的电力系统去转换,从长期来看我国电力需求仍然在持续的增长,特别是电力系统的尖峰负荷越来越凸显,但是这些电力负荷持续的时间相对要短,频次比较低,占用电量小,保障它的供应就难度很大,本身我们可以看到风电、光伏在高温极热情况下,一般来讲是比较难以有风,保供压力就大,特别到了晚风,一般说晚风无光,到了现在电力系统负荷,往往到了傍晚时候用电往往是高峰,很多电动汽车充电,这样的光伏又保供不了,本身现在新能源还在支撑能力上与常规电源存在着一定的差距,还没有形成可靠的替代能力。随着占比的提高,调节能力、支撑能力都面临着挑战,电力的平衡、安全运行都比较突出,包括消纳的形式是比较严峻的,另外设备的双高特性,高比例的占比、高比例的电力电子设备,相交于同步电机主导的电力系统,低惯量、低阻尼、弱电压支撑的特征,也使得整个系统安全稳定性形势是面临挑战的。

总的来看第一个由于风能、太阳能的资源禀赋本身就随机波动,就带来出力的随机波动,带来时空不确定性,第二个由于设备与传统发电设备的不同,带来的并网方式高比例电力电子设备,所以本身我们需要的学科也非常多,需要非常多的学科去创新,包括理论体系、稳定控制保护、电能质量、电力平衡等等都需要去创新。在能源电力领域,不论哪个国家都面临着既要清洁还要充足,还要便宜,这都是一个共同的挑战,在保障这种电力安全供应的前提下,涉及到经济安全和环境等很多方面。

总来得看不论在哪个阶段,在2030年、2045年、2060年既要保障电力供应,还要保障电力系统安全,还要促进新能源消纳,是贯穿整个新型电力系统构建各个阶段都是核心问题。我们可以想最终目标还是实现减碳,几个方向,第一个大规模的新能源+煤电+碳捕集,如果碳能够捕集起来本身这也是可成立,第二个路径超大规模的新能源+储能,如果储能既便宜又可以长时间的存储,那也是一条路径,第三个是更大规模的新能源+储能+制氢/电氢,形成不同的路径,这也受到不同路径的一些技术变化,带来了整个技术的演进。从保障电力供应的问题上,我们主要矛盾其实就是建立在不可靠的一次能源,这个主要是风能、太阳能本身的资源波动,带来的电力供应与日益增长,第二也不确定电力负荷需求之间的矛盾,主要方面还是一次能源和电力供应的保障能力,2030年前主要还是包括极端天气、能源价格带来的供应紧张,到2030年之后因为化石能源的装机比例,占比就会少了,可能就带来装机不足和负荷需求之间的矛盾,主要的思路还是要提高一次能源的供给保障能力,特别是极端天气下的预警应对能力,来提高装机的可信度、容量可信度。

第二保障电力系统安全,可以说整个系统的支撑、抗扰动、抗打击的能力与日益增长的新能源电力电子设备接入规模,特别是功率渗透率比较高了之后之间的矛盾,总的来看还是要提高系统支撑能力和承载力,同时部分电力电子设备也要从原来的跟踪电网向主动的支撑电网的方式,我们很多时候电网在针对保障系统安全的时候,更多就是在输电断面设一个限制,说送一点,设一个下限,将来这种比例越来越大之后怎么办。

第三促进新能源消纳,主要矛盾还是有限送出和调峰能力不足,同日益增长的新能源发电量,特别是电量渗透率之间的矛盾,2030年前送出和调峰能力主要还是要以新能源利用率目标为导向,比如保障95%的消纳,90%的消纳,到2030年之后随着经济性的提升不再要求那么高的消纳利用率了,更多是考虑电量的渗透率占比,相对合理的利用率,比如80%是不是就可以,不一定再强制要求太高利用率。

从电力系统构建,这个是新型电力系统蓝皮书当中提出的2030年、2045年、2060年的三个阶段,包括电源侧、源网荷储,在2030年前主要新能源增量主体,后一阶段成为存量的主体,巩固完善期就逐渐成为电量的主体,这也是不同的阶段,与此相对应的就是电网用户、储能各个侧需要相应的技术。

另外在整个电力系统构建当中我们可以考虑,有一些是基础的支撑技术,对各个要素都有比较强的支撑,包括极端天气的预警、新能源的主动支撑,包括先进的输电技术,还有需求侧的响应等等,另外还有一些跨行业的减碳的技术,包括CCUS碳捕集、大容量大规模的储能、电氢的综合利用,现阶段虽然看不到前景,比如核聚变、小型核电站、二氧化碳的直接存储,包括一些高性能的材料和器件,特别有没有可能实现室温下的超导,改变整个电网的形态和结构,当然这种还属于颠覆性的,短期看不到。从减碳路径包括CCUS大规模储能电氢,不同阶段带来化石能源的保留程度,对保供能力、并网规模、系统当中新能源总的电量都不同的带来相应的路径,现在各个技术都在协同推进当中。

第三在这个过程当中风电做了一点思考,首先汇报一下从全球风电来看,去年我们大概9个亿,新增7700多万,我们国家不管是在陆上还是海上都装机是第一位,特别是在海上前几名分别是中国、英国、中国台湾,台湾也增长了很多,在新能源风电利用小时数,持续4年都是在增长,这也跟风电机组大型化、捕风能力、利用水平都是有相关的,从今年增长全球新增规模也会比较大。从前7个月看小时数超过1400,占全国发电量比例超过10%。目前从国内风电分布来看已经有16个省都是超过千万千瓦,内蒙古超过5000万级,还有河北、新疆都是3000万级,还有一些紧随其后的省份,都是2000万千瓦级,除了海南、北京、西藏之外大部分都是超过百万千瓦级。

风电发展有几个考虑,第一个还是要持续优化布局,预计“十四五”期间每年还是会新增4000万以上,平均的来看,陆上、海上分散式都是缺一不可的,将来风电发展集中和分散并举、陆上和海上并举,就地和外送并举,单一品种和多品种多能互补的要协同开发,单一场景和综合场景,特别是在乡村振兴等等一些领域要创新,总的来看三北重点还是沙戈荒,西南优先还是水风光的,东部是从近海向深远海,向远洋,全国是老旧的要升级改造,东中南部重点还是要下乡,这是乡村风电。

另一方面要增强涉网的技术性能,毕竟我们现在主要还是以交流同步电网为主,新能源的涉网性能本身与常规电源相比,特别在提供电量上负荷跟踪上、惯量支撑、阻尼、短路容量支撑上我们本身还是有一定的差距,推动从原来的跟踪电网向构网型技术转变,特别像沙戈荒、水风光的大基地,距离换流站、升压站很远,几百公里,本身就是就地的支撑电源不足,接入的薄弱电网地区,电压波动、越线问题很突出,还是要支撑构网型的设备。第三个增强设备的性能和保供能力,同时也提高预测精度,特别是在极端天气下设备要更加可靠,抗台风、抗低温寒潮等等,要更可靠的运行能够利用,同时增强电力气象的预测精度,为将来参与电力的平衡保供以及参与电力市场才能提供更好的支撑。

最后在业态方面还要更多的创新,风电说到底只有更低的价格才能够去推动这个行业的高质量发展,与光伏都不可避免各类品种面临着竞争,将这种技术进步带来的价格洼地转变为其他产业发展的价值高地,转化为其他行业发展的一种价值高地,包括微电网、风电供暖、电力制氢等等都是为了提高风电在整个行业的存在感。同时也因地制宜推动分散式的在工业园区、经济开发区、矿区等等复合中心,高速公路、港区、旅游区因地制宜发展,提高更高的参与度。

最后关于海上,要与海洋牧场、海洋油气田、海上能源岛、漂浮式风电要更多探索技术进步,探索更大的版图。

我就讲这些,水规总院作为国家风电行业的规划和政策研究制定、技术标准管理机构,还是愿意与各行业共同加强交流,推动我国风电产业高质量发展,在新型电力系统构建过程中也做出更多的贡献。谢谢大家!

 

 

(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)

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