【概念】新型电力系统导论

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《新型电力系统导论》 吴 浩 浙江大学电气工程学院 电力图书馆公众号 2. “ 双碳”目标与新型电力系统 3. 新型电力系统的关键技术 1 . 传统电力系统 电力图书馆公众号 第一节传统电力系统 电力图书馆公众号 定义：电力系统是由发电、输电、配电、用电等设备和相应的辅助系统 按规定的技术和经济要求组成，将 一 次能源转换成电能，并输送到用户 的 一 个统 一 系统。 Transmission Lines 765,500,345,230,and 138 KV Substation Step-Down Transformer Subtransmission Customer 26kV and 69kV Primary Customer 13kV and 4kV 传统电力系统 Generating Station Generator Step Up Transformer Color Key: Blue: Transmission Green: Distribution Black: Generation 1. 电力系统 Transmission Customer 138kV or 230k 电 力图书馆公众号 Secondary Customer 120V and 240V 合 合 Color Key: Blue: Transmission Green: Distribution Black: Generation Transmission Lines 765,500,345,230,and 138kV Substation Step-Down Transformer 合 合 Subtransmission Customer 26kV and 69kV Primary Customer 13kV and 4kV Secondary Customer 120V and 240V Generating Station Generator Step Up Transformer Transmission Customer 138kV or 230kV 一 层 ： 物 理 系 统 ( 发 输 配 用 ) , 俗 称 一 次 系 统 ； 传统电力系统 电 力 系 统 示 意 图 ( 物 理 系 统 ) Color Key: Blue: Transmission Green :Distribution Black: Generation Transmission Lines 765,500,345,230,and 138 kV Substation Step-Down Transformer 一 层：物理系统 ( 发输配用 ), 俗称 一 次系统； 二层：传感量测保护控制系统，俗称二次系统； 物理系统 电力图书馆公众号 传统电力系统 Subtransmission Customer 26kV and 69kV Primary Customer 13kV and 4kV 监测与保护控制系统 Generating Station Generator Step Up Transformer 合 Secondary Customer 120V and 240V Transmission Customer 198kVor 230KV 一 层：物理系统 ( 发输配用 ), 俗称 一 次系统； 二层：传感量测保护控制系统，俗称二次系统； 三层：信息通讯网络； 四层：高级调度中心： EMS 信息通讯网络 高级调度中心 Color Key: Generation Transmission Lines 765,500345,230,and 138 kV Substation Step-Down Transformer Subtransmission 26kV and 69kV Primary Customer 13kV and 4kV Secondary Customer 120V and 240V 电力图书馆公众号 传统电力系统 监测与保护控制系统 Generating Station Generator Step Up Transformer 物理系统 Transmission Customer 7S8kV or 230kV 2. 传统电力系统的特点 电力系统是人类有史以来所建造的最大物理系统，是典型的大规模、 非线性、时变动态系统。 传统电力系统 电力图书馆公众号 平衡是电力系统安全稳定运行的关键 电力系统的运行相当于系统中所有发电机组的输入机械功率与输出 电磁功率在进行一场超级拔河比赛。系统安全稳定运行，就是要使二者 保持平衡，使比赛永远进行下去。 传统电力系统 电力图书馆公众号 200 3 年 8 月 14 日下午 4 点，美国东北部部分地区以及加拿大东部地 区 ( 美国 8 个州以及加拿大的安大略省 ) 出现大范围停电。 这是北美历史上最大范围的停电，中断负荷约 6180 万千瓦，受影响 的 人估计在加拿大有 1000 万 ( 三分之 一 的人口 ), 在美国有 4000 万。 停电持续时间在美国部分地区超过 4 天，在加拿大部分地区超过 一 周。 整个经济损失大约 250 亿 ~300 亿美元，在加拿大使当 月 GDP 下降 2003 年 8 月 14 日美加大停电 传统电力系统 电力图书馆公众号 formers 60 — Lines and Transformers — Generating Units -- GWs of Generation Lost 40 30 20 10 0 16:12 Time 电力图书馆公众号 由于 FirstEnergy 公司的 SCADA/EMS 软件错误， 调度员不知道发电厂 故 障、电压过低、部 分线 路过载及跳脱， 因此未 有作出适当的 调度。随 后，多家发 电厂及多条 线路因此 下线，连锁效 应因而 产生。 Figure 6.1.Rate of Line and Generator Trips During the Cascade 传统电力系统 350 300 250 200 150 100 50 0 16:05 16:06 16:07 16:08 16:09 16:10 16:11 50 6. 16:10:40 7. 16:10:41 8. 16:10:44 1. 16:05:57 2. 16:05:58 3. 16:09:25 传统电力系统 9. 16:10:45 10. 16:13:00 4. 16:10:37 5. 16:10:39 Figure 6.30.Cascade Sequence 电力图书馆公众号 美国东部时间 2003 年 8 月 13 日 21:21 分大停电之前美国东北部和加拿大部分地区的卫 星照片 传统电力系统 美国东部时间 2003 年 8 月 14 日 21:03 分大停电之后美国东北部和加拿大部分地区的卫 星照片 传统电力系统 传统电力系统 电力图书饪 呼和浩特 银川 卫 长庆气区 州 郑州 西安 石油天然气传输系统 传统电力系统 武汉 西市气区 长沙 广州 南 亭 沈阳 掌 岛 南通 克拉玛依 独 山 塔里木气区 乌鲁木齐 青海气区 氟都 皂明 大庆 吉 林 中 兰 电力图书馆公众号 漠 河 长 春 北京 西宁 传统电力系统 电力图书馆公众号 ) 取水栓 大用户水表 消防栓 ( 管网测压点 自来水公司 分区测量点 取水泵站 ( 水源井 ( 居民小区 大用户水表 ( 中途加压站 ( 电力图书馆公众号 城市自来水供给系统 传统电力系统 直供井 二次供水加压站 ( 商场写字楼 分区测量点 管网测压点 大用户水表 企事业单位 大用户水表 大用户水表 电力传输的三大特点： 第 一 、光速传播 电磁功率以接近光速流动，局部发生的故障会瞬间扩散，波及整个系统。 第二、 实时平衡 电能大量存储很不经济，电力生产和消费需同时完成。 第三、 交流输电没有阀门 电力系统中没有安装控制交流电力传输功率的控制装置。每条输电线路 的传输功率，按照发电机与负荷之间的阻抗分配。而不能象水、油、气 传输系统一样，通过控制阀门来调节流量的大小。 以上特点决定了电网运行控制十分困难。若能实现大规模经济储能和柔 性交流输电，电力系统的安全稳定性将大大提高。 传统电力系统 太阳能 2023 年 风电 我国发电量 8.38 万亿 kWh ( 约全球 30.7%) ■ 风电和光电占中国总发电量的份额仍然有限，仅为 15% ■ 欧盟达到 27%, 德国、西班牙和希腊达到 40% ■ 2023 年，中国新增太阳能发电占全球的 51%, 新增风能占比达到 60%; 太阳能和风能发电量占全球的 37%, 燃煤发电量占全球的一 半以上 2023 年底 我国装机容量 29.2 亿 kW ( 约全球 28.2%) 传统电力系统 3. 电力系统现状 风电 9.36% 太阳能 6.17% 火电 47.61% 水电 14.45% 火电 66.19% 水电 13.68% 核电 4.59% 核电 1.95% 电力图书馆公众号 15.10% 20.88% 5943 0 20000 40000 60000 80000 100000 2023 年中国发电量 8.38 万亿 kWh, 美国 4.18 万亿 kWh, 中国发电量是美国的 200.5% 41800 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 2023 年美国人口 3.35 亿，中国 14.1 亿 美国人均发电量是中国的 209.9% 传统电力系统 中国 美国 总发电量 ( 亿 kWh) 人均发电量 (kWh) 国 国 中 美 电力图书馆公众号 1247 8 8380 0 当中国赶上美国 2023 年水平时， 我国发电量将为 2023 年的 2.1~6.5 倍。 2023 年，中国能源对外依存度 15.56%, 其 中 石油对外依存度 73.1%, 天然气对外依存度 42.3% 煤炭对外依存度 9 . 16% 。 0 100000 2023 年，全球碳排放量为 374 亿吨， 中国约占 33.7% 。 电力行业碳排放占我国总排放量的 40% 以 上 2023 年美国 GDP 27.36 万亿美元， 中国 17.71 万亿美元 美国人均 GDP 是中国的 650.2% 传统电力系统 人均 GDP ( 美 元 ) 中国 美国 电力图书馆公众号 2010 年 4 月 15 日时任美国总统奥巴马回答澳大利亚记者提问时说： 如果让 10 多亿中国人都过上了美国和澳大利亚人同样的生活，那将是人类的 悲剧和灾难，地球根本承受不了。 传统电力系统 电力图书馆公众号 CCTV/ 新 闻 中 国 P: 壁 丁伸礼什么是公平的减排方案 我以后的排放 面对面 22:04 ; 制冷剂“禄智制冷剂”日前正式通过国家空调设 丁仲礼：“从主要发达国家的碳排放与经济增长的历史关系看，一个国家的发展程度 同人均累计碳排放密切相关，就我国而言，人均累计碳排放远远低于主要发达国家， 也小于全球平均。我们追求 2060 年达到碳中和，其难度远大于发达国家。” 院梨 电力系统的特点及现状 丁 仲 第二节 “双碳”目标与新型电力系统 电力图书馆公众号 时间节点 节点目标 单位 GDP 能耗 非化石能源消费 其他目标 2025 重点行业能源利用效率 大幅提升 比 2020 年下降 13.5% 单位 GDP CO2 排放 比 2020 年下降 18% 20% 绿色低碳循环 发展的经济体系 初步形成 2030 碳达峰 重点耗能行业能源利用 效率达到国际先进水平 比 2005 年下降 65% 以上 25% 风电、太阳能发电 总装机容量达到 12 亿千瓦以上 碳中和 ■ 2020 年 9 月 22 日，习近平主席在联合国大会上宣布：二氧化碳排放力争于 2030 年 前 达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和。 ■ 2021 年 9 月 22 日中共中央和国务院联合发布《关于完整准确全面贯彻新发展理念做 好碳达峰碳中和工作的意见》 , 10 月 26 日国务院发布《 2030 年前碳达峰行动方 案》。 “ 双碳”目标与新型电力系统 1. “ 双碳”目标 ■ 国家发布的《意见》和《方案》是“ 1+N” 政策体系的顶层设计，随后各部委 出台的“ N” 是重点领域和重点行业碳达峰的实施方案和一系列支撑保障措施。 “1”: 顶层设计 《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》 《 2030 年前碳达峰行动方案》 “N”: 重点领域、重点行业及支撑保障 重点行业 明确重点行业碳达峰路径 煤炭、石油、天然气 建材、电力、钢铁 有色金属、石化化工 新型基础设施、其他行业 电力图各地医碳达峰支撑保障 重点领域 制定重点领域碳达峰方案 能源领域、工业领域 交通运输、城乡建设 农业农村、生态碳汇 降碳减污、绿色消费 各地区碳达峰实施方案 支撑保障 出台一系列支撑保障措施 法律法规、财政政策 绿色金融、市场机制 统计核算、考核监督 科技支撑、人才培养 各地区创新经验做法 “ 双碳”目标与新型电力系统 碳达峰 碳中和 “1+N” 政策体系 ■ 多年的积累： 2014 年 6 月 13 日，习近平总书记在中央财经领导小组第六次会议上创造性地提出了“四个革命、 一个合作”能源安全新战略：推动能源消费革命，抑制不合理能源消费；推动能源供给革命， 建立多元供应体系；推动能源技术革命，带动产业升级；推动能源体制革命，打通能源发展快 车道；全方位加强国际合作，实现开放条件下能源安全 2014.11, 国务院办公厅《能源发展战略行动计划 (2014-2020 年 ) 》 2015.7, 国务院办公厅《“互联网 +” 行动指导意见》 2015.7, 发改委《关于促进智能电网发展的指导意见》 > 2015.11, 发改委《关于推进售电侧改革的实施意见》 > 2016.2, 发改委《关于推进“互联网 +” 智慧能源发展的指导意见》 2016.4, 发改委《能源技术革命创新行动计划 (2016-2030 年 ) 》 2016.5, 发改委《关于推进电能替代的指导意见》 2016.7, 国务院《“十三五”国家科技创新规划》 2016.11, 国务院《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》 2016.12, 发改委《能源生产和消费革命战略 (2016-2030) 》 电力图书馆公众号 “ 双碳”目标与新型电力系统 ■ 过去十年，清洁能源发电逐渐成为能源低碳转型的主力军，在电力行业碳排 放 强度下降中贡献率达到了 74% 。 ■ 我国在水电、风电、太阳能发电和生物质发电装机量方面均居世界首位： 水电装机容量连续 17 年位居世界首位，截至 2023 年底，达到 4.22 亿 kW 风电装机容量连续 14 年位居世界首位，截至 2023 年底，达到 4.41 亿 kW 太阳能发电装机容量连续 10 年位居世界首位，截至 2023 年底，达到 6.1 亿 kW 生物质能发电装机容量连续 5 年位居世界首位，截至 2023 年底，达到 0.44 亿 kW ■ 2012 年至 2023 年，中国火力发电装机容量的占比从 71% 锐减至 48%, 累计 大幅 下滑 24 个百分点，年均降幅达 2 个百分点。 2023 年，非化石能源发 电装机容量 “ 双碳”目标与新型电力系统 电力图书馆公众号 2021 年 3 月 15 日，习近平主席提出，要构建以新能源为主体的新型电力系统。 新型电力系统是以承载实现碳达峰碳中和，贯彻新发展理念、构建新发展格局 、 推动高质量发展的内在要求为前提，确保能源电力安全为基本前提、以满足经 济社会高质量发展的电力需求为首要目标、以高比例新能源供给消纳体系建设 为 主 线 任 务，以源网荷储多向协同、灵活互动为有 力 支 撑， 以坚强、智能、柔 性电网为枢纽平台，以技术创新和体制机制创新为基础保障的新时代电力系统， 是新型能源体系的重要组成部分和实现“双碳”目标的关键载体。 传统电力系统 新型电力系统 供电主力电源 灵活调节电源 供电主力电源 灵活调节电源 新能源电站 电动汽车 抽蓄电站 水电站 微电网 抽蓄电站 风光水火储一体化 电化学储能 燃气电站 电力图书馆公众号 “ 双碳”目标与新型电力系统 2. 新型电力系统 电化学储能 燃煤电站 燃煤电站 燃气电站 水电站 电源侧 以新能源发电为主体，集中式和分布式并举 光伏发电 风力发电 核电 电化学储能 抽水蓄能 氢储能 储能侧 电化学储能、抽水蓄能、氢储能等多 类储能技术共同发展 新 型