“電力系統(tǒng)安全關(guān)系千家萬戶、事關(guān)國計民生，是國家安全的重要組成部分。實(shí)現(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)，需要構(gòu)建新型電力系統(tǒng)。新型電力系統(tǒng)具有新的技術(shù)特征，面臨新的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)。” 中國工程院院士舒印彪近期在北京大學(xué)能源研究院主辦的以“新形勢下能源轉(zhuǎn)型思考——能源安全”為主題的北京論壇·能源分論壇暨第三屆北大能源論壇上指出。
電力與人們的衣食住行和生產(chǎn)生活息息相關(guān)、密不可分。作為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，電力已經(jīng)成為人們須臾不可離開的資源要素。電力系統(tǒng)是現(xiàn)代社會重要的基礎(chǔ)設(shè)施，電力系統(tǒng)的根本任務(wù)是保證“安全、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)、清潔、高效”的電力供應(yīng)。
舒印彪指出，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，需要大規(guī)模開發(fā)新能源，構(gòu)建新能源占比提高的新型電力系統(tǒng)。新型電力系統(tǒng)的“雙高”特征 (高比例新能源、高比例電力電子裝備) 帶來新的安全挑戰(zhàn)。
電力系統(tǒng)安全關(guān)系能源安全、經(jīng)濟(jì)安全和國家安全
電力系統(tǒng)使人類極大擺脫了時間和空間上對能源生產(chǎn)、利用的限制。為了使用電力更廣泛、更便利，電力系統(tǒng)規(guī)模越來越大、結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，世界上建成了一些大型的電力系統(tǒng)，比如北美聯(lián)合電力系統(tǒng)、歐洲電力系統(tǒng)、印度電力系統(tǒng)等，我國電力系統(tǒng)是全球最大、技術(shù)最復(fù)雜的電力系統(tǒng)。
舒印彪指出，電力系統(tǒng)具有三個顯著的技術(shù)特征。一是光速傳播。電磁功率以光速傳播，局部發(fā)生的故障會瞬間擴(kuò)散，波及整個系統(tǒng)。二是實(shí)時平衡。電力還不能大規(guī)模經(jīng)濟(jì)存儲，電力的發(fā)、輸、用必須同時完成。三是控制復(fù)雜。電力系統(tǒng)中設(shè)備種類繁多，涉及海量的狀態(tài)變量和控制參數(shù)，是典型的復(fù)雜巨系統(tǒng)，控制難度非常大。
由于電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)被破壞，全球發(fā)生過多起大面積停電事故帶來巨大損失，美加“8·14”、歐洲“11·4”、印度“7·30”“7·31”大面積停電事故等。“經(jīng)過多年實(shí)踐，我國構(gòu)筑起‘三道防線’安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)，經(jīng)受住了長期考驗(yàn)。我國電力系統(tǒng)連續(xù)30多年沒有發(fā)生大面積停電事故，保持著特大型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的世界紀(jì)錄。”舒印彪說。
舒印彪表示，除傳統(tǒng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定破壞事故外，還有一類是非傳統(tǒng)安全事故，呈現(xiàn)頻發(fā)多發(fā)態(tài)勢，同樣需要高度重視。“包括極端天氣、自然災(zāi)害、電磁暴、網(wǎng)絡(luò)攻擊等影響電力系統(tǒng)安全。2008年1月到2月初，我國南方遭遇有歷史紀(jì)錄以來最嚴(yán)重的長時間大范圍雨雪、冰凍災(zāi)害，導(dǎo)致大量輸電線路倒塔斷線，事故波及湖南、湖北、貴州、江西等多個省份。”
構(gòu)建新型電力系統(tǒng)面臨新的安全挑戰(zhàn)
舒印彪指出，電力系統(tǒng)安全運(yùn)行主要看兩個指標(biāo)，一是電壓穩(wěn)定，二是頻率穩(wěn)定，而新型電力系統(tǒng)面臨一系列新的安全挑戰(zhàn)。
新型電力系統(tǒng)正經(jīng)歷三方面變化：新能源占比逐步提升、從電力系統(tǒng)變?yōu)殡娏﹄娮酉到y(tǒng)、形態(tài)功能多樣化。舒印彪認(rèn)為：“基于此，運(yùn)行特性方面，由連續(xù)可控電源變?yōu)槿蹩煽睾蛷?qiáng)不確定性電源。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)電源以常規(guī)火電、水電為主，發(fā)電出力連續(xù)可控。新型電力系統(tǒng)中新能源發(fā)電受氣候變化和天氣條件影響大，具有隨機(jī)性、波動性、間歇性的特點(diǎn)，發(fā)電出力弱可控和高度不確定。”
“穩(wěn)定特性方面，保持頻率、電壓等同步穩(wěn)定的技術(shù)基礎(chǔ)發(fā)生顯著改變。頻率穩(wěn)定方面，常規(guī)同步發(fā)電機(jī)具有較大的轉(zhuǎn)動慣量，是維持頻率穩(wěn)定的技術(shù)基礎(chǔ)。風(fēng)電是弱轉(zhuǎn)動慣量系統(tǒng)，光伏沒有轉(zhuǎn)動慣量，導(dǎo)致電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量大幅減少，保持頻率穩(wěn)定的能力大幅下降，目前絕大部分‘風(fēng)光’新能源還不能對電網(wǎng)提供有力支撐。”舒印彪說。
同時，高比例新能源、高比例電力電子裝備帶來兩大技術(shù)難題。
首先，電力電量實(shí)時平衡問題，日內(nèi)、中短期和長期平衡難度都將加大。新能源日內(nèi)出力波動大。風(fēng)光等新能源發(fā)電功率達(dá)到裝機(jī)容量的概率幾乎為零，達(dá)到50%以上裝機(jī)容量的概率不足10%。預(yù)計2060年，新能源日最大發(fā)電功率波動將超過16億干瓦，占全國最大負(fù)荷的40%，與當(dāng)時水火核電裝機(jī)容量基本相當(dāng)。從周月平衡看，由于連續(xù)陰天、無風(fēng)、寒潮等天氣，新能源周出力具有很強(qiáng)的不確定性。2020年，西北風(fēng)電出力低于10%裝機(jī)最長持續(xù)4.9天，華東光伏出力低于20%裝機(jī)最長持續(xù)8天。新能源發(fā)電存在季節(jié)性差異。風(fēng)電夏季比冬季利用小時少100～200小時，風(fēng)電出力與負(fù)荷需求在時間上不完全匹配。
再者，上述變化帶來一系列安全性問題。舒印彪表示：“由于新能源占比提升，電力系統(tǒng)表現(xiàn)出新的穩(wěn)定特性、產(chǎn)生新的安全問題不容忽視。2016年9月，強(qiáng)臺風(fēng)襲擊澳洲南部地區(qū)，該地區(qū)電力電子類電源出力占比達(dá)55%，輸電線路相繼故障，大量風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)。由于系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量不足，導(dǎo)致頻率崩潰。2015年9月。四川錦屏-江蘇直流發(fā)生雙極閉鎖故障，當(dāng)時華東電網(wǎng)用電負(fù)荷1.4億干瓦，錦屏直流送電490萬千瓦、僅占華東負(fù)荷的3.5%。故障后，華東電網(wǎng)頻率降至49.58Hz，跌落幅度也遠(yuǎn)超預(yù)計值，通過自動裝置動作和緊急調(diào)度后，系統(tǒng)恢復(fù)正常頻率。”
保障新型電力系統(tǒng)安全需要理論和技術(shù)創(chuàng)新
傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的分析理論和控制方法已不完全適用新型電力系統(tǒng)，理論和技術(shù)創(chuàng)新迫在眉睫。
舒印彪指出，首先需要深化基礎(chǔ)理論研究，加強(qiáng)多時間尺度隨機(jī)規(guī)劃研究、建立新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定性認(rèn)知體系。再者，提高平衡調(diào)節(jié)能力，提升電源支撐能力，挖掘用戶側(cè)響應(yīng)資源，突破多時間尺度儲能技術(shù)，積極發(fā)展氫能，數(shù)字賦能新型電力系統(tǒng)。
新情景需要新手段，舒印彪建議增強(qiáng)分析控制能力。加強(qiáng)仿真分析與優(yōu)化控制，構(gòu)筑新型電力系統(tǒng)主動防御體系。“通過預(yù)測、預(yù)判、預(yù)警和預(yù)控，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)安全風(fēng)險的主動防御。發(fā)揮電力電子裝備快速調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)大范圍多資源協(xié)同快速控制，增強(qiáng)故障的事中防御、事后恢復(fù)能力，提高新型電力系統(tǒng)的韌性。”
舒印彪建議發(fā)揮我國獨(dú)特的電力系統(tǒng)體制優(yōu)勢。堅持全國一盤棋，做好區(qū)域間、能源資源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的統(tǒng)籌平衡，加強(qiáng)“西電東送”等重大能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。加快構(gòu)建全國統(tǒng)一電力市場，健全輔助服務(wù)、容量市場等機(jī)制，建立更加靈活、適應(yīng)新能源隨機(jī)性波動性特點(diǎn)的電力交易機(jī)制。完善煤電容量成本回收機(jī)制，確保煤電作為支撐新能源大規(guī)模發(fā)展的基礎(chǔ)電源，系統(tǒng)調(diào)節(jié)價值得到合理回報。加強(qiáng)電力市場與碳市場的耦合聯(lián)動。
此外，要高度重視非傳統(tǒng)安全防御。“增強(qiáng)非傳統(tǒng)安全風(fēng)險預(yù)警能力，將電力安全事件納入突發(fā)公共事件應(yīng)急保障，就極端天氣、自然災(zāi)害、網(wǎng)絡(luò)安全、公共安全等引起電力安全事件制定預(yù)案，明確安全保障措施.加強(qiáng)城市應(yīng)急保障電源、重要電力保障通道等電力系統(tǒng)應(yīng)急能力建設(shè)。”舒印彪說。（趙紫原）
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