中国华能清洁能源技术研究院院长助理,华能集团可再生能源领域首席专家郭辰:新型电力系统背景下若干重要技术方向的思考

能见App 2023年10月19日 5358

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,中国华能清洁能源技术研究院院长助理,华能集团可再生能源领域首席专家郭辰发表了题为《新型电力系统背景下若干重要技术方向的思考》的主题演讲。

以下为发言全文:

很荣幸有这么好的机会能够站在这个台上给大家分享一些自己不成熟的思考,今天我报告的题目叫作《新型电力系统背景下若干重要技术方向的思考》,今天我的报告主要分为四个部分,第一个部分是对新型电力系统的理解,第二是重要技术方向最新动态和思考,第三个工作思路建议。

首先第一个部分对新型电力系统的理解,新型电力系统已经提出两年多的时间,通过两年多的演进和能源规模化转型,新型电力系统到底是一个什么样的系统,它的发展是分为几个阶段,怎么发展的,我们目前处于哪个阶段,通过学习和思考给大家分享一下。

从装机容量角度来看是最直观的,去年年底全国电力装机容量大约是25.64亿千瓦,风电和光伏在3.6亿以上,光伏多一点,3.9亿,到了今年6月份演进的进程在加剧,也在提速,6月底最新数据显示包括风电、光伏、水电在内的可再生能源装机已经达到13.3亿千瓦,一共27.1亿,它占了13.3亿,占比已经突破48.8%,而且它的发电量占比突破36.5%,超过三分之一,这么来看从装机容量的角度看,它是超过火电,全口径可再生能源,从发电量角度还没有超过火电,从装机容量来看已经很大了,今年上半年还是在加速,去年年底火电发电量大约占了全社会发电量的60%,所以火电从发电量角度来讲还是主体电源。

从我们现在提出30/60战略,包括新型电力系统构建的思路,2021年3月份第九次财经工作会议上提的新型电力系统这个思路,到现在已经两年半的时间,通过演化我们认为咱们国家清洁能源替代一定是一个先立后破、循序渐进的过程,而不是一刀切的过程,同时构建新型电力系统实质上就是原有电力系统的规模化转型,所以习总书记在前面调研说新型电力系统构建了六个字,急不得、等不得,很好地概括了这个思路。

新型电力系统和传统电力的区别,是三个方面,第一个电源的功能发生变化,新型电力系统架构下新能源逐步成为主体电源,原来不是主体电源的时候,我们经常说新能源的渗透率有多高,那个时候新能源就管发电就行了,不用承担其他的作用,后来几次电力系统风险出来以后,慢慢大家认识到这个问题,将来的新能源装机不仅是电量的主要提供者,而且也还必须要承担相当程度的主动支撑能力、调节能力、故障穿越能力,所以电源的功能在逐步发生演进和变化。

第二个区别是电网的平衡模式发生变化,电网以前的平衡模式是源随荷动,今天在北京发的电,在北京就得用了,要不然这个电就没法发,将来随着储能装置越来越多,电力系统里面储能容量越来越大,将来储能和多能转换参与的缓冲更大空间、更大尺度、时间尺度的调节能力上去以后就会变成源荷互动,今天在成都发的电,明天到北京,后天到上海去用,说明电力系统已经有了刚性和惯量了,不像原来发了马上用,所以电网的平衡模式在逐步发生变化。

第三个区别是电力系统运行模式发生了变化,原来的运行模式电力系统的电源比较单一,而且可以通过电力学里面的相关原理能够等效成一个大电源,你看火电也好、水电也好,都可以等效为大转子,整个大力系统一个源一个网,网就是一个色口,一个电路端,以前的电路系统是好模拟,现在电路系统越来越复杂了,因为新能源装机容量上来了,有双馈的,有直驱的,还有非转动的发电装置,包括光伏。特别是原来一个机组很大,相对比较集中,现在这个机组的数量已经非常多了,已经成为一种海绵状的分布,所以我称为广义海量易构的发电单元,成立蜂窝状和海绵状的发电架构,而且它是离散控制不是连续控制,这么一类人类的控制算法在这里面起到了关键的作用。

这里面引用一下苏院士的一篇论文,说的是新型电力系统架构的研究,他把电力系统发展阶段分为三个,第一个传统系统的转型阶段,第二个形成阶段,第三个重组阶段,苏院士这个文章里面写到转型阶段,发用电实施平衡主要特征,而且依靠着抽水蓄能作为主体,这是属于成熟的储能计划,它的容量大,解释了为什么2021年国家出台了抽水蓄能的中长期规划,到2035年全国规划6.79亿千瓦的抽水蓄能电站,2030年碳达峰的时间节点全国要建成3到3.5亿的装机容量,就是为了弥补在碳达峰之前新能源装机大量上了以后,这个窗口期储能力量该怎么支撑,因为现在电化学储能还没有完全过了瓶颈期,因为这个技术还没有完全成熟,大规模的电化学储能还没有完全成熟,这个时候抽水蓄能发挥主要的作用。第二个阶段就是形成阶段,新能源成为装机的主体,现在可能已经到了接近于拐点的位置,到2030年之前要达峰,2028年预测能够达峰,100多亿吨的二氧化碳,这样现在新能源装机慢慢成为主体,就要具备主动支撑能力,同时储能技术慢慢取得突破以后,日以上尺度平衡模式就会应运而生。第三个阶段成熟阶段,新能源成为主力电源了,这个时候我用一个词概括叫作解耦了,就是发电和用电之间已经可以脱敏了,脱离关系了,你发电不用考虑用电的需求,用电也不用太受制于发电的电量,电量肯定要足,其次之间的关系能够实现解耦,这个是将来成熟电力系统的过程。另外二次能源、多种二次能源形式,各地新能源规划里面,安徽、陕西、云南这些省份除了输电管道以外,输氢网络已经写进了相关的规划或者实施方案,就体现了未来电力系统发展一种成熟的模态。

所以结合刚才所提到的新型电力系统发展的三个区别,跟传统电力系统三个区别和三个阶段,个人思考了以后觉得需要高度重视它的三大特点,第一个特点叫做大系统集成与数据终端的联合,以前的数据终端就是一个用电端,将来的数据终端自己一方面具有信息化的作用,另一方面甚至有决策的功能,所以数据终端特别智能化、网联化的数据终端需要高度重视。另外发电侧和网侧、负荷侧的结合非常重要,就是发电侧主动支撑能力和微电网,需要高度关注,特别在新型电力系统的发展和形成阶段。第三个特点传统数据传输与多元易构数据的融合,新能源发电有个重要特点依赖于环境,跟环境和气象要素结合度比传统的电源要高得多,这么一来现场场景的融合和监测方式所产生大量的模拟量就会融入到传统的数据体系里面,比如说音视频、照片、卫星图片、无人机照的图片,这些都会融入到传统的数据体系里面去,所以这样一来数字孪生已经不是一个很简单的、很前沿的概念了,将来一定会成为一个比较常用的,比较常见应用的信息化手段去做应用。

第二部分重要技术方向最新动态的思考,储能方式里面现在目前比较热门的方式比较多,包括现在华能集团电化学储能新能源投产,电化学储能、电量储能成为一个标配,你要不上地方政府不让你投,电化学储能不是今天讲的重点。另外光热型的熔岩储能技术,第三个压缩空气储能、飞轮储能等等,第四个抽水蓄能,今天储能方向重点讲光热型熔岩储能技术和用户侧电站储能。

从光热的熔岩储能技术来看,2022年底全球总共的装机容量是705万千瓦。三个技术路线里面塔式占的比例相对高一点,站了5个电站,全球705万千瓦里面西班牙占了230万千瓦,美国占了184万千瓦,中国现在目前不到59万千瓦,大家会思考一个问题,光伏、风电中国目前都是世界第一装机容量,光热为什么没有完全发展起来,或者全球的光热容量为什么没有爆发起来,光热降到70%,降幅是低于光伏的,低于光伏的原因经过分析可以理解为,因为光热的投资有一部分是储热,储热的投资成本下降得比较慢,这么一来会制约整体光热电站投资的降幅,是这个原因。

这个里面大家可以看到,现在新疆、西北地区、北方投光伏和风电电站的时候,要求储能时长越来越长,这么一来电化学时长也长,投资也大了,整个电站的经济性就会受到严重的挑战,所以在这个大背景下,光热本身又不具备目前大规模投资的优势,所以在这个大背景下光热和光伏在一定配比下的运行,我认为可以成为一个需要关注的热点,前面我记得在光热的会上看到过,干路京塔项目做了测算,光伏已经平价甚至比平价还低,在运行方式上白天光伏发电,光热承担调峰走向和支撑作用,早晚高峰由光热来支撑,这个已经能够连续运行289天了,这个模式现在慢慢也催生出来了,现在电化学储能还是很贵,这样一来可能会有它的生存价值。

另外城市电站新业态的拓展方面,2023年1月份国家发改委发了一个文,是电网企业代理购电工作的通知,鼓励支持10千伏及以上工商业储能。工商业储能作为分布式储能用户侧的典型应用就成为一个热点,2023年大家关心用户的储能也有所感受,变化很大,2022年底用户侧配储全国的总容量是1.8吉瓦时,增长了49%,增长了一半,2022年总增量是0.6吉瓦时,但这个里面工商业储能累计投产总能量是0.76吉瓦时,站了42%,但是它的新增容量0.39吉瓦时占了66%,就是整个用户配储的增量里面三分之二是由工商业储能来贡献的,目前工商业储能主要分布在三个省份,江苏、广东、浙江,占了整个容量的82%左右。

工商业储能主要盈利模式一个是自发自用,第二个峰谷价差套利,或者作为备用电源来使用,特别关注的是咱们国家除了江浙沪等地方以外,还有湖南湖北、海南、重庆这些地方,现在已经实现两充两放,在这些省份工商业储能经济性凸显出来,因为两次充放,把峰谷价差盈利模式进一步套利,进一步增加它的收益速度,来缩短它的投资回收周期。特别是7月份以来全国峰谷价差很多省份都变得很高,我记得7月底9个省份峰谷价差超过1块钱,上海最高将近1块7毛5,全国最低的是新疆,接近4毛4的水平,网上做了相关的测算,究竟我们在哪些地方投这个项目比较划算,这个里面有一个观点是峰谷价差+峰平价差是工商业储能峰谷套利收益的关键,还有一个临界点是1块2每千瓦时的时候,达到这个时候价值就凸显出来。

目前全国储能政策力度比较大,包括江浙地区、广东、四川,结合这些信息全国现在目前比较适合于推广用户侧储能的区域,当然这也是动态变化的,7月底江浙沪、湖南、广东、重庆这些省份都是。

这是第一个方向电站储能,谈了目前电化学储能以外和其他的思考。

第二个技术方向具有主动支撑功能的发电设备,新型电力系统演进过程需要发电装置具有它的主动支撑能力,现在国内这方面的探索力度在加大,包括华能做的储能装置在软件和硬件方面逐步探索具有主动支撑能力的储能装置。2022年3月14号,湖北电网率先并网运行的构网型的,所以最后通过软硬件的结合以后,能够实现一些电压源特性,这样一来主动支撑能力就强了,电压源特点就是电压比较稳定,这样能起到支撑电网的重要作用。现在华能集团本身也在干一些工作,传统的风机,一方面是因为两项细则,另一方面是因为整个风电原来技术水平、技术路线,跟现在并网要求还有一定的差距,现在我们在陕西做的也是针对这方面的要求,提升设备的主动支撑能力。

第三个重要的方向是智慧终端设备,这个智慧终端设备除了能源行业以外,跟大家的生活关系比较大,像新型电力系统里面终端设备去中心化的特征是比较明显了,发电单元最后变成了信息处理的终端,甚至具有自我学习和自我决策的能力,美国IEEE2022年最重要的几项技术除了新冠病毒防治技术以外,就是人工智能和机器学习技术,是全球最值得关注的技术,风电为例,风机出厂做设置都是一样,将来慢慢这个趋势越来越明显。    

第四个深度再电气化,这个概念也是当年舒印彪院士提出来的,当时引起了行业的关注,我觉得这个很有意思,这个就具备智能驾驶和自动充电的功能,手机上装个APP一下单,接到指令以后就给车主规划智能充电方案去了,同时可以探测这个电池的运行性能和状态,实际上它就是实现了车桩分离、无感充电,这就是深度在线化的案例。

第五个是多能互补融合技术,新型电力系统里面涉及到多源耦合,这个应该作为重点需要关注,华能有个大基地叫做澜沧江风光水储多能互补基地,这个基地累计发电已经突破1万亿度,所以这个量也是非常大的,这个也是在源端发电侧的探索,包括在陇东、庆阳基地也是搞的风光火储的基地,也是搞的多能互补,给集团做了多元耦合测算的规划软件。在用户端多能互补的融合技术或者多元耦合的技术,也体现在智慧化和自学习案例过程中,比如说华能集团总部给雄安新区做的规划,也是我本人牵头,在未来规划里面会逐步实现,这个会议室电控系统将来会变成什么样,会根据每天的负荷曲线推荐使用者的用电习惯,包括开关灯,空调控温是25度还是26度,它会慢慢通过学习功能掌握用户习惯,慢慢的经过一段时间的积累以后,两个会议室原来设置一样,后来慢慢变成不一样了,将来这会是一个办公场所的应用演化,另外就是办公系统里面多元耦合,包括有一些微风机、发电单元、走廊发电单元、压控单元去发电等等,最后通过直流组网的方式提高系统的安全性、可靠性,同时降低耗电率,这都是智能建筑多能互补的案例。

从多能互补的概念再结合新型电力系统发展的趋势来看,个人认为新型电力系统将来的模式应该是在社区级或者胶囊式,在这个胶囊里面,分成不同的网格,在不同的网格里面实现近零排放,最后实在平衡不了的地方,再通过大电网疏通的方式去平衡,我记得好像2021年12月31号,在电科院参加了一个大会,上面讨论新型电力系统,我在会上也提了一下思考和观点,也两年多过去了,所以现在也有一些新的动态,在这个过程中我们也在不断学习,胶囊式近零排放这个概念就像一个网格剖分一样,将来平衡更大量靠网格内的平衡,说白了就是自消纳。

第六个是信息化和智慧化的技术,这方面传统数据传输与多元易构数据深度融合是主要的方向,刚才所提到新能源场站开发建设运行呈现水文和气象环境高度耦合的关系,另外还需要通过一些遥感技术,比如海上大基地或者大的水电基地,有时候通过卫星的遥感的方式去传送出来实时场站运行的数据和周围环境气象数据,这个是在以前电力系统里面没有的特点。另外,数字孪生体,全世界的应用,海上风电可能应用比较有代表性,全世界数字孪生体应用技术是2021年在文献里面可以查到的,这是挪威的公司运营在美国西海岸,做了一个数字孪生体,他做的相对抽象,这个是宏观建模,说白了就是一个系统集成优化。数字孪生应用的需求也会越来越大,这个方面也是作为行业的重点在关注。

刚才说了六个重要的方向,接下来说一下工作建议。有一个典型应用场景就是多能互补场景下系统规划设计,这个就是一个多学科、多专业融合的案例,多能互补是新型电力系统构建中的一个主赛道,因为多能互补项目的规划设计和优化研究方面,边界条件和优化对象都比风电场、光伏电站单个设计更为复杂,所以说这里面就需要多部门去配合。另外就是充分挖掘多能互补里面的自动化专业的特征,华能集团、研究院在自动化方面、算法方面、人才方面具有一定的优势,在这个里面怎么建立核心算法,通过数字和概率模型共同建立防控思路形成软件配套和核心模块,这个是我们需要关注的一个问题,也可以作为一个启发点,让大家共同去探讨。专业联动化抽水蓄能也很有代表性,现在抽水蓄能全国分了六大区域,每个区域规划容量都在上亿,规划都非常大,这就是典型的多专业融合的特点,当然现在华能集团也在向兄弟单位去学习,像大唐、华电都在发电集团的前列,电网在这方面做的工作最多,发电集团主要关注点在于大基地开发形成有效支撑方面。

第二个方面是科研产业化,举几个简单的例子,一个是海上智慧运维装备,欧洲和国内的海上风电装机总容量已经超过欧洲了,实际上这个里面技术精准度差异还是比较大的,我今年去了两次欧洲,发现欧洲早已经有成熟的设计装置,国内这方面肯定还是比欧洲要滞后一些,但这方面我们发展也很快,双体运维船这些东西由于时间关系不详细展开讲了。欧洲有一些著名的公司,比如说SMST、DEME。属下机器人也是将来这方面需要高度关注的,比如说2014年的时候市场规模15.91亿美元,2019年31亿美元,到了2025年预测91亿美元,这个里面中国的市场2018年占了全球大约四分之一,现在可能占了三分之一左右,所以这个量非常大。前沿的海上风电设备方面,现在国内已经有三台漂浮式海上风电了,但是欧洲现在做这方面,感觉欧洲人脑洞很大,设计基础形式比较强,特别是现在半潜式装置,大家看到第二幅图是半潜式漂浮式海上风电,现在国内都是半潜式,将来技术重点在哪儿,这里面有几个,除了风机技术本身,扶梯里面需要啥,主动压舱技术、动态前馈控制技术,这些方面都需要用科研和产业高度融合,不再是一个前沿,很快就会产业化,这个市场也会很大,因为将来近海开发完了以后,深远海就会大规模开发,这个里面几种形式就不多讲了。

前沿海上风电设备,欧洲海上风电走得比较靠前,中国在讨论漂浮式海上风电,欧洲在讨论漂浮式海上风电场,就是它的升压站在漂浮式方面已经开始标准了,所以这块确实是走在前面,再有碳纤维这一块,行业里面有了几个成功的样机,下一步也会成为重点和热点。所以前瞻性技术储备不是现在马上能看到它的产业化条件,但是你要分析它,就像男生送女生花一样,送一个已经开得很盛的,过两天就谢了,你送一个含苞待放的,往花瓶里一插能开好几天。科研产业化方面还应该是积极发挥,作为研究单位来说,积极发挥算法和控制方面的优势,在优化性能提升方面来实现产业化,装备制造我们不涉及,发电企业应该怎么涉足,跟厂家做合作,实现产融结合,这也是一条路径。

第三个建议是业务数字化,继续加大场站的监测技术和设备投入力度提升数据融合和专家开发质量是很关键的,这个里面除了大的数据以外,场站数据的索取应该成为重点,华能集团建的智慧运维中心是行业里面最大,华能清能院作为主要开发单位我们在积极的布相关的传感器,另一方面有一些多元易构海量数据、包括无人机、卫星数据和其他的数据,我们也会逐步融入到主数据链里面,提供全方位的诊断和智慧运维,这样智慧运维就慢慢做实了。再一个区块链、边缘计算、人工智能技术,通俗来讲就是我们说的云大物移智联边,这几项技术一开始应用场景不是电力系统,但是现在新型电力系统构建过程中多专业融合趋势下,这几个技术有它的用武之地,比如说区块链,区块链将来会有什么应用场景,隔墙充电成为可能,信息不可篡改性,将来你用的电,到底是从哪个风机里面发出来的,我们可以追溯,这样电力市场交易可以做精准的交易测算,这个就很好了,所以这个里面最关键的问题在于深度挖掘清洁能源应用领域的应用场景,深度挖掘,所以这些技术将来的应用也会势在必行。

另外是业务数字化,还有一个重要管理方面的逻辑,就是数字化转型规划,华能集团相关部门也在谋划做这个工作,但这个工作是很重要,是一个抓手,通过滚动规划、动态规划慢慢把这个方向确定下来执行下去。   

第四个建议交易市场化,就是电力市场交易、碳交易,碳交易里面还有一个重要的逻辑,欧洲现在已经开始征收碳关税了,从设备的生产过程,你到底排了多少碳开始征收碳税了,在绿色建筑立面也有类似的概念,所以说将来在我们规划层面上要多一个约束条件,就是碳约束,另外这个碳约束不能仅仅把它作为一个约束条件,它还是一个优化对象,也是个优化问题,所以在规划领域引入这个碳规划、碳足迹、碳轨迹这块非常关键,在行业里面相信慢慢会形成共识。

最后想起一首诗,千岩万壑不辞劳,说的是瀑布从千岩万壑间流下来不辞劳苦,最后瀑布会融入大海化作波涛,这个诗很有意思,映射到现在“双碳”目标下的今天,说是时代潮流和趋势浩浩荡荡不可阻挡,我们既要把握大势,又要不断学习,只要能够科学布局,强化学习研究,实现绿色低碳能源转型的大河就一定能够终归大海作波涛,在构建新型电力系统大浪潮中唱响主旋律,走在最前沿!

我的演讲到此结束,谢谢大家!

 

(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)

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